manual solar termica

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Ninguna parte de este libro puede ser reproducida, grabada en sistema de almacenamiento o transmitida en forma alguna ni por cualquier procedi-miento, ya sea eléctrico, mecánico, reprográfico, magnético o cualquier otro, sin autorización previa y por escrito del EREN.

Energía Solar Térmica: Manual del Proyectista

EDITA:

JUNTA DECASTILLA YLEÓN- CONSEJERÍA DEINDUSTRIA, COMERCIO YTURISMO ENTEREGIONAL DE LAENERGÍA DECASTILLA YLEÓN(EREN).

COLABORACIÓN: FUNDACIÓNCIDAUT DISEÑO EIMPRESIÓN: SORLES DEPÓSITOLEGAL: LE-1547-2002 ISBN: 84-9718-112-3

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Las actuaciones que desde la Consejería de Industria, Comercio y Turismo se vienen realizando en materia de Energías Renovables buscan el aprovecha-miento de recursos propios, inagotables y sin ningún impacto ambiental, con el fin de contribuir, desde nuestra Comunidad Autónoma, al cumplimiento de los objetivos del Libro Blanco de la Energía de la UE y del Plan de Fomento de las Energías Renovables y, en resumen, el desarrollo sostenible.

El sol en nuestra región es más que suficiente para, con los sistemas actuales, poder satisfacer con garantía las demandas de calor de un muy importante número de usuarios, tanto de familias, como de polideportivos, hoteles, indus-trias, etc., proporcionando ventajas económicas constatables y promoviendo su coparticipación y corresponsabilidad en la utilización de una energía menos contaminante.

En este sentido, la Consejería de Industria, Comercio y Turismo, a través del Ente Regional de la Energía, ha elaborado un Plan para potenciar el desa-rrollo de la Energía Solar en Castilla y León, con el principal objetivo de esta-blecer una acción integral que aúne, tanto aspectos financieros, como técni-cos y administrativos.

Así, el Plan Solar de Castilla y León establece la necesidad de formación téc-nica de los profesionales de nuestra región, verdaderos motores del desarro-llo del mercado, con el consiguiente aumento de la actividad económica, puestos de trabajo, etc.

A los profesionales proyectistas va dirigido esteManual del Proyectista, de modo que su especialización permita dar respuesta a las expectativas de los usuarios en términos de satisfacción, entendiendo que esta tecnología es sus-ceptible de utilización por todo consumidor de energía térmica.

JOSÉ LUIS GONZÁLEZ VALLVÉ Consejero de Industria, Comercio y Turismo

(5)

ndice

Instalación en el Polideportivo Pedro Delgado Robledo (Segovia)

Í

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ÍNDICE 6

Capítulo 1:

Introducción a la energía solar térmica

1.1. La energía solar... 12

1.2. El sistema solar térmico... 13

1.3. Objetivos de una instalación solar ... 13

Capítulo 2:

Descripción de componentes y equipos

2.1. Generalidades... 16 2.2. Captadores solares ... 16 2.3. Acumuladores ... 18 2.4. Intercambiadores de calor... 19 2.5. Bombas de circulación... 20 2.6. Aislamiento ... 20 2.7. Vaso de expansión... 21 2.8. Tuberías... 21 2.9. Válvulas y accesorios ... 22 2.10. Purgadores y desaireadores... 24 2.11. Termómetros ... 25 2.12. Termostatos ... 25 2.13. Termostato diferencial ... 25 2.14. Manómetro e hidrómetro ... 26

Capítulo 3:

Configuración de instalaciones de energía solar térmica

3.1. Generalidades... 28

3.2. Tipos básicos de instalaciones ... 28

3.3. Elementos de las instalaciones solares ... 31

3.4. Circuitos para A.C.S. ... 31

3.4.1. Sistemas no compactos ... 31

3.4.2. Sistemas compactos ... 34

3.4.3. Sistema de energía auxiliar ... 34

3.5. Circuitos para calentamiento de piscinas ... 37

3.5.1. Sistemas sin intercambiador de calor. Piscinas al aire libre ... 37

3.5.2. Sistemas con intercambiador de calor. Piscinas cubiertas ... 39

3.6. Circuitos para calefacción por suelo radiante... 40

3.7. Circuitos para varias aplicaciones ... 40

(7)

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA 7

Capítulo 4:

Datos para el dimensionado de una instalación

4.2. Condiciones de uso ... 46

4.2.1. Consumo de A.C.S... 46

4.2.2. Piscinas... 48

4.2.2.1. Piscinas al aire libre ... 48

4.2.2.2. Piscinas cubiertas ... 48

4.2.3. Calefacción... 49

4.2.4. Nivel de ocupación... 49

4.3. Condiciones climáticas ... 49

4.3.1. Radiación sobre superficie horizontal (H) ... 50

4.3.2. Radiación sobre superficie horizontal modificada... 50

4.3.3. Radiación sobre superficie inclinada ... 50

4.3.4. Horas útiles de sol ... 51

4.3.5. Temperatura ambiente media ... 51

4.3.6. Temperatura del agua de red ... 52

4.4. Datos geográficos ... 52

4.5. Tablas para facilitar la recogida de datos ... 53

Capítulo 5:

Dimensionado de la superficie de captación y del volumen

de acumulación

5.1. Especificaciones del Plan Solar de Castilla y León ... 56

5.2. Esquema a seguir en el dimensionado de una instalación solar térmica ... 58

5.3. Criterios de selección del captador solar ... 58

5.3.1. Rendimiento del captador ... 59

5.3.2. Cálculo del rendimiento mensual del captador... 61

5.4. Calor útil medio que se obtiene con el captador ... 62

5.5. Superficie y número de captadores necesarios ... 63

5.6. Dimensionado del sistema de acumulación... 64

5.7. Demanda energética de A.C.S. ... 65

5.8. Demanda energética de piscinas... 65

5.8.1. Piscinas al aire libre ... 65

5.8.2. Piscinas cubiertas ... 66

5.8.3. Tablas para el cálculo de pérdidas en piscinas... 67

5.8.4. Selección del captador solar... 69

5.8.5. Intensidad radiante ... 69

(8)

ÍNDICE 8

5.9 Demanda energética de calefacción por suelo radiante... 70

5.9.1. Método de los grados-día... 70

5.9.2. Método de cálculo de las demandas caloríficas... 71

Capítulo 6:

Diseño del sistema de captación

6.2. Orientación e inclinación ... 75

6.3. Determinación de sombras y distancia mínima entre captadores... 77

6.4. Estructura soporte ... 79

6.5. Conexionado de los captadores ... 82

Capítulo 7:

Dimensionado y diseño del resto de componentes

y equipos

7.1. Salas de Máquinas ... 88

7.2. Diseño del sistema de acumulación... 89

7.3. Sistema de intercambio... 91

7.3.1. Intercambiador de calor independiente ... 92

7.3.2. Intercambiador de calor incorporado en el acumulador ... 93 7.4. Tuberías y accesorios... 94 7.4.1. Tuberías ... 94 7.4.2. Caudal... 95 7.4.3. Válvulas de seguridad ... 96 7.4.4. Otras válvulas... 96

7.4.5. Purga de aire y desaireación ... 97

7.5. Bombas ... 98

7.6. Vaso de expansión... 100

7.6.1. Vaso de expansión abierto... 101

7.6.2. Vaso de expansión cerrado ... 102

7.7. Aislamiento ... 104

7.8. Fluido de trabajo ... 105

7.9. Sistemas de protección contra heladas ... 107

7.10. Temperaturas... 108

7.11. Presión ... 109

7.12. Equipos compactos ... 110

(9)

Capítulo 8:

Regulación y control

8.2. Elementos de un sistema de regulación y control ... 116

8.3. Sistemas de regulación y control ... 117

8.3.1. Regulación por termostato ... 118

8.3.2. Regulación por temperatura diferencial actuando sobre la bomba ... 118

8.3.3. Regulación por temperatura diferencial y válvula de conmutación ... 119

8.3.4. Regulación por temperatura diferencial y válvula mezcladora progresiva... 120

8.3.5. Regulación por temperatura diferencial y válvula de by-pass progresiva... 121

8.3.6. Control de temperaturas extremas... 122

8.3.6.1. Muy altas temperaturas en el circuito primario... 122

8.3.6.2. Muy bajas temperaturas en el circuito primario... 123

8.3.6.3. Muy altas temeperaturas en el circuito secundario ... 124

Capítulo 9:

Sistemas de medición energética

9.2. Medida de temperatura ... 127

9.3. Medida de caudal... 128

9.4. Medida de energía... 129

9.5. Medida de la radiación solar... 131

9.6. Sistema de adquisición de datos ... 131

Capítulo 10:

Presupuesto de las instalaciones

10.2. Tipos de presupuesto ... 136

10.2.1. Presupuestos por partida de obra ... 136

10.2.2. Presupuestos por partidas globales ... 136

(10)

ÍNDICE 10

10.3. Costes normalizados de inversión, operación

y mantenimiento según plan solar ... 137

10.3.1. Coste normalizado de inversión (CNI) ... 138

10.3.2. Coste normalizado de operación y mantenimiento (CNO) ... 144

ANEXO

I:

Conversión de unidades

... 147

ANEXO

II:

Glosario

... 152

ANEXO

III:

Simbología

... 158

ANEXO

IV:

Bibliografía

... 161

ANEXO

V:

Direcciones de interés

AV.1. Junta de Castilla y León... 164

AV.2. Entidades Públicas, Centros de Investigación y Universidades ... 164

AV.3. Otras direcciones de interés ... 167

ANEXO

VI:

Método F-Chart

AVI.1. Antecedentes, aplicación y metodología... 169

AVI.2. Cálculo del parámetro D1 ... 170

AVI.3. Cálculo del parámetro D2 ... 171

AVI.4. Cálculo de la gráfica-f... 172

(11)

1 Introducción a la

energía solar térmica

(12)

INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 12

Introducción a

la energía solar térmica

1 1.1. La energía solar

El aprovechamiento energético del sol, directo o indirecto, de forma natural o artificial ha sido una constante de la humanidad en sus estructuras agrícola, urbana, industrial, etc. Aumentar el campo de actuación en la energía solar llevando su aplicación a sistemas más dinámicos y directos, constituye un objetivo del que se ha tomado conciencia en épocas más recientes.

La energía solar como fuente energética presenta como características propias una ele-vada calidad energética con nulo impacto ecológicoeinagotablea escala humana. Como dificultades principales asociadas al aprovechamiento de este tipo de energía cabe desta-carla variabilidad con la que esta energía llega a la tierracomo consecuencia de aspec-tos geográficos, climáticos y estacionales.

En cualquier caso para los próximos años se prevé una gran demanda de uso de la ener-gía solarimpuesta por el contexto que tratan de desarrollar las políticas energéticas mate-rializadas en diferentes planes de actuación a nivel europeo, nacional y regional. ElPlan de Fomento de las Energías Renovablesestablece el entorno de desarrollo de las energías renovables en nuestro país. Este Plan marca como objetivo general conseguir que en el año 2010 el 12,3% del total de la energía consumida en España tenga su origen en fuentes renovables, esto supone un incremento que requiere duplicar la participación por-centual actual de este tipo de energías en el sistema energético nacional.

A nivel regional, desde el año 1989 la Junta de Castilla y León ha aprobado diferentes ini-ciativas para el fomento de las energías renovables. En el campo de la Energía Solar, ha desarrollado una serie de actuaciones que se integran en el Plan Solar de Castilla y León. En el presente manual se tendrá en cuenta laLínea I - Energía Solar Térmica, cuya fina-lidad es la promoción de proyectos, que se desarrollen en el área del uso de la energía solar térmica, a realizar en Castilla y León. En este sentido, el Ente Regional de la Energía de Castilla y León (EREN) refuerza la instrumentación existente para un mayor desarro-llo del programa.

(13)

1.2. Sistema solar térmico

Se llama sistema solar térmicoa toda instalación destinada a convertir la radiación solar en calor útil.

Un sistema solar de baja temperaturaes aquel cuya temperatura de trabajo es menor de 100 ºC. Este sistema, de forma general, requiere el acoplamiento de tres subsistemas principales:

La eficacia global del sistema está condicionada por el propio diseño de cada uno de sus componentes, pero también por la interrelación de éstos entre sí.

Todo proyectista de sistemas de energía solardebe tener presente la importancia de la calidad del diseño de la instalación, así como de su realización.

1.3. Objetivos de una instalación solar

El principal objetivode una instalación solar es conseguir el máximo ahorro de energía convencional.

La cantidad de energía solar aprovechable, depende de múltiples factores, algunos de ellos pueden ser controlados en el diseño e instalación (orientación, inclinación, ubica-ción de los captadores, etc.) y otros se escapan a toda posibilidad de control, ya que son consecuencia de la localización geográfica de la instalación y de los parámetros meteo-rológicos del lugar.

(14)

INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 14

NECESIDADES DE ACS CUBIERTAS

CON INSTALACIÓN SOLAR

6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 kWh Demanda ACS Aporte solar Ene ro Feb rero Mar zo Abr il May o Juni o Julio Ago sto Sept iem bre Oct ubre Nov iem bre Dic iem bre

Figura 1.2: Porcentaje de sustitución de un sistema solar

Es muy importante saber que aunque técnicamente es posible disponer únicamente de una instalación de energía solar térmica de baja temperatura para garantizar el consumo, este criterio llevaría a dimensionar instalaciones muy grandes y desproporcionadas, además de ser económicamente inviables.

Para realizar instalaciones solares térmicas competitivas económicamente, será necesario incorporar y/o utilizar sistemas convencionales de apoyo energético que permitan garan-tizar el abastecimiento de energía en determinados momentos.

(15)

2 Descripción de

componentes y equipos

(16)

DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS 16

Descripción de

componentes y equipos

2 2.1. Generalidades

Una instalación de energía solar térmica ha de incluir una serie de elementos indispensa-bles para el correcto funcionamiento y control de la instalación. Algunos de estos ele-mentos son obligatorios, por tratarse de eleele-mentos de seguridad, y otros tienen como fina-lidad la mejora del rendimiento de la instalación y del mantenimiento.

En este capítulo se hace una breve descripción de los componentes y equipos que habi-tualmente forman una instalación de energía solar térmica.

Según el Plan Solar de Castilla y León:

•Todos los componentes y materiales cumplirán lo dispuesto en el Reglamento de Aparatos a Presión, que les sea de aplicación.

• Cuando sea imprescindible utilizaren el mismo circuito materiales diferentes, especialmente cobre y acero,en ningún caso estarán en contacto, debiendo

situar entre ambos, juntas o manguitos dieléctricos.

•Los materiales situados en intemperie se protegerán contra los agentes ambien-tales, en particular contra el efecto de la radiación y la humedad.

2.2. Captadores solares

El captador solar es el elemento fundamentalde cualquier sistema solar térmico. Tiene como misión captar la energía solar incidente y transmitirla al fluido que circula por él. Existen diferentes tipos de captadores de baja temperatura, aunque en principio solamen-te se hablará del captador de placa plana.

Para poder hacer una buena elección de un captador, es preciso conocer las característi-cas de los elementos que lo constituyen.

(17)

El captador de placa plana está formado por cuatro elementos principales:

• Cubierta transparente:Sobre ella inciden los rayos del sol, provoca el efecto inver-nadero, reduce las pérdidas y asegura la estanqueidad del captador en unión con la carcasa y las juntas. Suelen ser de vidrio o plástico transparente.

• Placa absorbente o absorbedor: Su misión es recibir la radiación solar, transfor-marla en calor y transmitirla al fluido caloportador (normalmente agua o agua con anticongelante). Existen múltiples modelos, los más típicos son: una placa metálica soldada sobre una parrilla de tubos o dos placas metálicas separadas unos milíme-tros, entre las cuales circula el fluido caloportador. La cara del absorbedor expuesta al sol suele tener un revestimiento o tratamiento especial para absorber mejor los rayos solares.

• Aislante lateral y posterior:Para disminuir las fugas de calor del interior del capta-dor. Se le debe exigir una serie de características como son: resistir temperaturas de hasta 150 ºC, no desprender vapores bajo la acción del calor y no perder sus cualida-des aislantes en caso de humedecerse.

• Caja, bastidor o carcasa:Contiene y soporta todos los elementos anteriores y los pro-tege de la intemperie. Debe resistir las variaciones de temperatura, la corrosión y la degradación química.

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La radiación solar que llega al captador atraviesa la cubierta transparente, incide sobre la placa absorbente y se transfiere al fluido que circula por el mismo.

Para el calentamiento de piscinas al aire libre existen unos captadores fabricados con materiales plásticos o caucho resistente a los productos químicos, cloro, intemperie, rayos ultravioleta y congelación, cuyas características son:

•No llevan cubierta transparente, carcasa ni material aislante.

•Se adaptan a los sistemas de depuración de piscinas.

•Necesitan un bastidor rígido, por lo que se colocan sobre las cubiertas, suelo, o estructura adecuada para ellos.

•Trabajan a temperaturas menores de 30 ºC.

Foto 2.2: Captadores solares para calentamiento de piscinas

2.3. Acumuladores

La necesidad de energía no siempre coincide en el tiempo con la captación que se obtie-ne del sol, por lo que es obtie-necesario dispoobtie-ner de un sistema de acumulación que haga fren-te a la demanda en momentos de poca o nula radiación solar, así como a la producción solar en momentos de poco ó nulo consumo.

Para los sistemas solares térmicos se utiliza un depósito-acumulador donde se almacena energía en forma de agua caliente.

La utilización de acumuladores verticales tiene la ventaja de favorecer la estratificación del agua(el agua a mayor temperatura se sitúa en la parte superior del acumulador y el agua a menor temperatura en la parte inferior).

(19)

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA 19 Foto 2.3: Acumuladores de calor

2.4. Intercambiadores de calor

El intercambiador de calor en una instalación solar se coloca cuando se quiere transferir el calor de un fluido a otro, sin que estos se mezclen,independizando de esta manera los dos circuitos. Cuando éste existe, se encarga de transferir la energía captada en los cap-tadores, que contienen agua con anticongelante pues se instalan a la intemperie, al agua sanitaria del acumulador.

Los intercambiadores utilizados en una instalación solar son intercambiadores líquido-líquido, y se pueden clasificar de la siguiente manera:

•Según su posición en la instalación: » Interiores » Exteriores •Según su construcción: » De serpentín helicoidal » De haz tubular » De doble envolvente » De placas

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2.5. Bombas de circulación

Las bombas de circulación o electrocirculadores son aparatos accionados por un motor eléctrico, capaces de suministrar al fluido una cantidad de energía suficiente para trans-portar el fluido a través de un circuito, venciendo las pérdidas de carga existentes en el mismo.

Foto 2.5: Bomba de circulación

2.6. Aislamiento

El aislamiento es fundamentalen una instalación de energía solar térmica para evitar pér-didas caloríficas hacia el exterior.

Se emplea aislamiento en cuatro lugares:

•En el captador, parte posterior y lateral del mismo.

•En el acumulador.

•En las tuberías.

•En el intercambiador.

Serpentín helicoidal Haz tubular Doble envolvente Placas

(21)

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA 21 Foto 2.6: Aislante Foto 2.7: Vaso de expansión cerrado

2.7. Vaso de expansión

Su función es absorber las dilataciones del fluido contenido en un circuito cerrado, y pro-ducidas por aumentos de temperatura. Pueden ser abiertos o cerrados. Así, los vasos de expansión se colocarán siempre en los circuitos cerrados.

2.8. Tuberías

Las tuberías que se utilizarán en sistemas solares no difieren en ningún aspecto de las que se encuentran en sistemas convencionales, por lo que se aplicarán los conocimien-tos tradicionales de fontanería y calefacción, y los materiales que se especifiquen en el proyecto.

Hay que tener en cuenta que las conducciones en el circuito del captador tienen que soportar una temperatura máxima de 120 ºC.

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2.9. Válvulas y accesorios

Las válvulas son elementos intercalados en la red hidráulica capaces de regular e inte-rrumpir el paso del agua por la instalación.

La elección de las válvulas en una instalación de energía solar, se realiza de acuerdo con la función que desempeñan y las condiciones de funcionamiento (presión y temperatura) siguiendo los siguientes criterios:

• Para aislamiento:válvulas de esfera.

• Para llenado:válvulas de esfera.

• Para vaciado:válvulas de esfera o de macho.

• Para equilibrado de circuitos:válvulas de asiento.

• Para seguridad:válvula de resorte.

• Para retención:válvulas de disco, de doble compuerta o de clapeta.

» Válvulas de esfera o bola.Permiten interrumpir el paso de fluido por las tuberías, total (separando una parte de la instalación) o parcialmente (introduciendo mayor pérdida de carga para regular el caudal y equilibrar la instalación).

Foto 2.8: Válvula de bola

» Válvulas de asiento.El cierre se produce por asentamiento de un pistón elástico sobre el asiento del paso de la válvula. Su accionamiento puede ser manual, neumático o ser-vomotor.

Figura 2.9: Válvula de asiento

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» Válvulas de resorte.Permiten limitar la presión y proteger los componentes de la ins-talación. La legislación exige la colocación de válvulas de seguridad en todos los cir-cuitos sometidos a presión y a variaciones de temperatura.

» Válvulas de clapeta.Son válvulas antiretorno que impiden el paso del fluido en el sen-tido contrario al normal de circulación, produciéndose el cierre de forma automática por la propia presión del agua sobre el elemento de cierre.

Foto 2.10: Válvula de resorte Foto 2.11: Válvula de clapeta

Otro tipo de válvulas y accesorios presentes en las instalaciones son:

» Válvulas de 3 y 4 vías.Permiten la circulación del fluido por vías alternativas de forma automática (generalmente por la acción de un motor accionado por las consignas del sistema de regulación).

» Grifos de vaciado.En la parte baja de la instalación es necesario colocar una llave de paso que permita vaciar el circuito. Se denominan también válvulas de cuadradillo, ya que para evitar su apertura accidental se les cambia el volante por una tuerca cuadrada. » Embudo de desagüe.El embudo de desagüe se coloca para saber cuando actúa una

(24)

DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS 24 Figura 2.12:

Embudo de desagüe

2.10. Purgadores y desaireadores

Los purgadores son los elementos encargados de evacuar los gases, generalmente aire, contenidos en el fluido caloportador, facilitando así el correcto funcionamiento de la ins-talación.

Los desaireadores aseguran que los gases disueltos en el fluido sean separados del mismo, de forma que se facilite su evacuación del circuito hidráulico hacia el exterior mediante el purgador.

Ambos se colocan en los puntos más altos de la instalación.

Foto 2.13: Purgador

Foto 2.14: Desaireador

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2.11. Termómetros

Son instrumentos que miden la temperatura de un objeto o fluido. Hay que colocarlos de forma que el punto sensible del termómetro, esté en contacto con el fluido, pero sin estar bañado por éste.

Tipos:termómetros de contactoy de inmersión. En instalaciones de energía solar se uti-lizarán los termómetros de inmersión cuyo bulbo se aloja dentro de una vaina.

Foto 2.15: Termómetros

2.12. Termostatos

Los termostatos transforman una lectura de temperatura, previamente determinada en su escala, en una señal eléctrica que pone en marcha o detiene un determinado mecanismo, según la función que se le haya encomendado.

Tipos de termómetros: de contactoy de inmersión, analógicosy digitales.

Foto 2.16: Termostato

2.13. Termostato diferencial

Es el elemento fundamental de regulación y control de la instalación. Permite que sólo circule el fluido caloportador cuando haya un aporte real de energía del sol.

Mide la temperatura a la salida del captador y en la parte inferior del acumulador median-te sondas. El median-termostato diferencial compara ambas lecturas, de forma que cuando exista una diferencia de temperatura mayor que la fijada, pone en marcha el electrocirculador.

(26)

DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS 26 Foto 2.17: Termostato diferencial Foto 2.18: Manómetro

2.14. Manómetro e hidrómetro

Aparatos que miden el valor de la presión del fluido en un conducto o depósito. El manó-metro mide la presión en kg/cm2_{, y el hidrómetro en metros de columna de agua (m.c.a.).}

El manómetro se utiliza cuando el circuito está presurizado y el hidrómetro cuando no lo está.

Nota:

La presión relativao manométricaes aquella que tiene lugar en el interior de un reci-piente o canalización. Su valor indica la presión que existe en el punto de medida por encima de la presión atmosférica (kg/cm2_).

La presión absolutaes la suma de la presión relativa y la presión atmosférica (aproxima-damente 1 kg/cm2_).

(27)

3 Configuración de

instalaciones de energía

solar térmica

(28)

CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 28

Configuración de instalaciones

de energía solar térmica

3 3.1. Generalidades

Normalmente se tiene la idea de que los sistemas de aprovechamiento de la energía solar térmica han de ser siempre simples, esto suele venir motivado por la consideración de que, como la energía solar es gratis, abundante y natural,se adaptará fácilmente a cual-quier sistema.

Ciertamente tanto los principios de funcionamiento como las configuraciones de insta-laciones básicas son sencillos,pero esto no quiere decir que la labor del diseñador y del instalador sea fácil y no necesite de verdaderos profesionales para llevarla a cabo.

En algunos casos se han realizado instalaciones por aficionados sin apenas conocimien-tos del tema e incluso con captadores fabricados artesanalmente, que aunque en principio funcionen correctamente, inevitablemente conducen en un breve periodo de tiempo al fra-caso de la misma.

Según normativa (RITE – ITE 11):

•La ejecución de las instalaciones sujetas a este reglamento solamente puede ser realizada por empresas que estén registradas como empresas instaladoras en la especialidad adecuada a la instalación de que se trate.

3.2. Tipos básicos de instalaciones

Hay dos clasificaciones de los diferentes tipos básicos de instalaciones de baja tempera-tura, atendiendo a la configuración del:

• Circuito:directo o indirecto.

• Circulación:termosifón o forzada.

Respecto a la configuración del circuito, se hace referencia a sí el fluido que circula por los colectores es el mismo que se utiliza en el consumo (circuitos directos), o se divide en dos circuitos independientes (circuitos indirectos).

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Indicar que en Castilla y León, el sistema predominante es el indirecto, a fin de utilizar fluidos anticongelantes en el circuito de los colectores (ubicados a la intemperie) e impe-dir su mezcla con el agua de consumo.

No obstante, sistemas de transferencia térmica directoson utilizados en la climatización de piscinas al aire libre, mediante el empleo de captadores fabricados en materiales plás-ticos o caucho, resistentes a los productos químicos de tratamiento de piscinas.

Figura 3.1: Instalación sin intercambiador de calor, sistema de transferencia térmica directo

En dichas instalaciones ha de tenerse en cuenta el vaciado del agua de los colectores durante la temporada invernal a fin de evitar roturas por el efecto de su congelación. Cuando la clasificación atiende al tipo de circulación, éstos se diferencian por el princi-pio que produce el movimiento del agua en el circuito captador:

» Instalaciones con circulación por termosifón:Se basa en el aprovechamiento de la variación de densidad de un fluido al modificar su temperatura. En el captador, la entra-da del fluido caloportador está en la parte inferior, al calentarse por efecto del sol, el fluido aumenta su temperatura y disminuye su densidad, por lo que tiende a subir. Este efecto es continuo en todo el captador, por lo que el fluido adquiere suficiente inercia como para salir por la parte superior del captador, hasta el serpentín situado en el acu-mulador, donde cede el calor al agua contenida en el depósito. Al disminuir la tempe-ratura del fluido, su densidad aumenta y tiende a bajar, con lo que se cierra el circuito de circulación.

Con este sistema, la velocidad de circulación del fluido caloportador será proporcional a la diferencia de temperatura entre él y el agua acumulada.

(30)

» Instalaciones con circulación forzada:Una bomba en el circuito produce la circula-ción del fluido. Se utilizan en instalaciones con una cierta entidad.

Dentro de las instalaciones con circulación forzada se puede distinguir entre:

•Instalación con intercambiador de calor incorporado al depósito(tipo ser-pentín o doble envolvente). Son adecuados para instalaciones pequeñas.

Figura 3.2: Instalación por termosifón

Figura 3.3: Instalación con intercambiador de calor incorporado al depósito

•Instalación con intercambiador de calor externotipo placas o tubular. Su uso es aconsejable en grandes instalaciones.

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3.3. Elementos de las instalaciones solares

Una instalación de energía solar térmica está compuesta por:

•El conjunto de elementos de captación de la energía solar para su conversión en energía térmica, Subsistema captador.

•Los elementos de transmisión de esta energía térmica al agua destinada a satisfacer la demanda energética, Subsistema intercambiador.

•Los elementos de acumulación del agua calentada para su envío a la demanda ener-gética, Subsistema acumulador.

•Los elementos de control de la instalación, con sus componentes y accesorios,

Subsistema de control.

•El aislamientocon el fin de evitar pérdidas y obtener el máximo rendimiento.

•Energía auxiliar para cubrir el total de las necesidades energéticas y garantizar la continuidad del suministro de la misma, Subsistema de energía auxiliar.

3.4. Circuitos para Agua Caliente Sanitaria

Los sistemas más comunes para la producción de agua caliente sanitaria con energía solar son:

•Sistemas no compactos: intercambiador de calor interno o externo

•Sistemas compactos

3.4.1. Sistemas no Compactos

Este sistema incorpora un intercambiador entre los captadores y el acumulador con la finalidad de separar la instalación en dos circuitos y evitar que haya contacto entre el flui-do que circula por los captaflui-dores solares (normalmente con anticongelante) y el agua de consumo. Los dos circuitos son el circuito primario, aquel que contiene el conjunto de captadores, y el circuito secundario, el del agua de consumo (Agua Sanitaria).

En la figura 3.15. se representa el circuito típico para una instalación solar de A.C.S. con intercambiador de calor interno, en el cual el intercambiador se encuentra dentro del depósito de acumulación.

En la figura 3.16. se representa una instalación solar de A.C.S. con intercambiador de calor externo, en la que el intercambiador se encuentra fuera del acumulador.

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CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 32 F ig u ra 3 .5 : In st al ac ió n s o la r d e A .C .S . co n i n tr ca m b ia d o r d e ca lo r in te rn o

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA 33 F ig u ra 3 .6 : In st al ac ió n s o la r d e A .C .S . co n i n tr ca m b ia d o r d e ca lo r ex te rn o

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3.4.2. Sistemas Compactos

Un equipo compacto integra uno o varios captadores, un acumulador y otros accesorios en un reducido espacio.

Figura 3.7: Sistema compacto

Se utilizan en viviendas unifamiliares y, en general, en pequeñas instalaciones donde se requiere una superficie captadora muy pequeña (8 m2_{como máximo).}

Por norma general, los equipos termosifónicos utilizan sistema de calentamiento indirec-to a fin de evitar la congelación del agua contenida en los colecindirec-tores, si bien en estas ins-talaciones y dadas las latitudes de Castilla y León, se deberá prestar especial atención a la posible congelación del circuito secundario.

Algunas marcas ofrecen equipos compactos preparados para un montaje sencillo, con ins-trucciones detalladas para poder ser montados por los propios usuarios. Se recomienda que salvo que el usuario tenga experiencia en fontanería, se recurra a un instalador pro-fesional.

Las dificultades a la hora de instalar un sistema compacto pueden presentarse a la hora de la interconexión con el sistema convencional, distancias elevadas, anclaje a cubierta, ausencia de acumulador del sistema convencional, etc.

3.4.3. Sistema de energía auxiliar

El nivel de temperatura que se consigue con el sistema solar es, en algunos meses, infe-rior al deseado, siendo necesario un sistema convencional de apoyo o auxiliar, de

(35)

mane-ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA 35

ra que el diseño del sistema de aprovechamiento favorezca el uso prioritario de la ener-gía solar frente a la auxiliar y nunca al revés.

Según normativa (RITE – ITE 10):

•El sistema convencional de apoyo o auxiliar tendrá una potencia térmica sufi-ciente para que pueda proporcionar la energía necesaria para la producción

totalde agua caliente.

•El sistema convencional de apoyo o auxiliar deberá estar colocado en serie con el acumulador.

La complementariedad ideal en este tipo de instalaciones consiste en calentar todo lo posible el agua con el aporte solar, y añadir después la cantidad de energía auxiliar estric-tamente precisa para conseguir la temperatura mínima aceptable para el uso. Los sistemas utilizados para este fin son mediante producción instantánea de la energía de apoyo o pro-ducción de energía de apoyo en un acumulador independiente.

• Producción instantánea de la energía de apoyo

En este sistema de producción, se sitúa a la salida del acumulador solar un generador de energía de apoyo que debe aportar la potencia necesaria, variable en función de la tem-peratura obtenida en el calentamiento solar.

Figura 3.8: Instalación con sistema auxiliar de apoyo instantáneo

Es un sistema práctico y recomendable para viviendas que usen calentadores instantáneos de gas tipo doméstico con la condición de que la llama de gas se regule automáticamente en función de la temperatura de entrada.

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• Producción de energía de apoyo en un acumulador independiente

Se utilizan dos acumuladores en la instalación, el solar que acumula el agua calentada por el intercambio del agua caliente de los captadores, y el auxiliar, generalmente más peque-ño que el solar, situado entre éste y los puntos de consumo.

Figura 3.9: Producción de energía de apoyo en un acumulador independiente

Figura 3.10: Acumulador independiente utilizando válvula de tres vías

Es muy importante que cada sistema generador de calor (solar o auxiliar) caliente, exclusivamente, el agua contenida en el acumulador (solar o auxiliar) asociado a cada sistema, evitando la mezcla de aguas, a fin de aprovechar al máximo la energía solar.

Otra solución alternativa es la de la figura 3.10. La válvula de 3 vías actúa de forma que, cuando la temperatura del acumulador solar no sea suficiente para el consumo, desvía la corriente hacia el acumulador auxiliar.

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3.5. Circuitos para calentamiento de piscinas

El calentamiento de piscinas con energía solar es una utilización muy interesante. En pis-cinas al aire libre se puede conseguir una temperatura estable y placentera para el baño, que permite prolongar su uso algunos meses más de los estivales, incluso adelantar o atra-sar el baño en horas frescas del día, sobre todo en climas más extremos. En piscinas cubiertas se justifica su uso como ahorro de energía convencional.

Se debe tener en cuenta que en este tipo de instalaciones, no se hace precisa la incorpo-ración de un sistema acumulador de calor, al actuar la propia masa de agua de la piscina como elemento de inercia para absorber el desfase entre la producción solar y la deman-da energética.

Los sistemas que se pueden encontrar para el calentamiento del agua de piscinas son:

•Sistema sin intercambiador de calor, para piscinas a la intemperie (sin aporte de energía auxiliar).

•Sistema con intercambiador de calor, para piscinas cubiertas (con aporte de energía auxiliar).

3.5.1. Sistema sin intercambiador de calor. Piscinas al aire libre

En la instalación para piscinas al aire librela temperatura de uso será menor de 27 ºC. El agua fría sale de la piscina hacia la bomba de circulación, que se debe colocar antes del filtro de la piscina. De allí irá a la batería de captadores, para volver a la piscina. El sistema de control actúa sobre una válvula de 3 vías impidiendo el paso de agua por los captadores cuando la temperatura sea mayor que la de consigna.

Según normativa (RITE – ITE 10.2):

•En piscinas al aire libre sólo podrán utilizarse para el calentamiento del agua fuentes de energía residuales o de libre disposición.

En la figura 3.11. se representa un esquema de una instalación solar para el calenta-miento de piscinas al aire libre.

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CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 38 F ig u ra 3 .1 1 : C al en ta m ie n to d e p is ci n a al a ir e li b re c o n c ap ta d o re s d e ca u ch o o d e p lá st ic o , si n i n te rc am b ia d o r

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3.5.2. Sistema con intercambiador de calor. Piscinas cubiertas

Para el calentamiento de piscinas cubiertas, además del aporte solar, es necesario el apor-te de energía auxiliar que calentará el agua a través de un sisapor-tema de inapor-tercambio de forma posterior al solar.

Figura 3.12: Instalación solar para calentamiento de piscina cubierta

Según normativa (RITE – ITE 10.2):

•El consumo de energías convencionales para el calentamiento de piscinas está permitido solamente cuando estén situadas en locales cubiertos.

•Se prohibe el calentamiento directo del agua de la piscina por medio de una caldera, es necesario un sistema de intercambio.

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3.6. Circuitos para calefacción por suelo radiante

En un sistema de calefacción no se consume líquido, sino que se extrae energía del mismo, que pasa en forma de calor al recinto que se desea calefactar. No obstante, se hace preciso diseñar un sistema de almacenamiento de energía a fin de hacer frente al desfase entre producción y demanda.

La superficie captadora necesaria para asegurar un porcentaje de calefacción solar razo-nable, es mucho mayor que para el caso de A.C.S., y también se exige siempre un siste-ma convencional auxiliar, que se instalará en serie con el solar y siempre situado después de éste.

Se utilizan captadores solares planos, trabajando a temperaturas entre 30 y 50 ºC, rango idóneo para que los captadores funcionen con un buen rendimiento.

3.7. Circuitos para varias aplicaciones

Una instalación de energía solar térmica, no tiene por que proporcionar cobertura a una aplicación exclusivamente, el mismo campo de captadores puede servir para varias apli-caciones, que podrán ser conjuntas o de temporada.

Un ejemplo de dos aplicaciones conjuntas es una instalación de A.C.S. y calentamiento del agua de una piscina cubierta.

Un ejemplo de dos aplicaciones de temporada es una instalación de calefacción en Invierno y calentamiento de una piscina al aire libre en Verano.

Un ejemplo de varias aplicaciones a la vez conjuntas y de temporada es una instalación de A.C.S., calefacción y calentamiento de una piscina al aire libre.

En un futuro bastante próximo, en las instalaciones para varias aplicaciones de tempora-da se encontrará la de calefacción en Invierno y refrigeración en Verano.

Debe tenerse especial cuidado en el dimensionado del volumen de acumulación y el dise-ño de la aplicación conjunta, así como el sistema de regulación implementado que defina las prioridades de abastecimiento de las diferentes demandas, generalmente mediante el uso de válvulas de tres vías, y los diferentes sistemas auxiliares de cada circuito.

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA 41 F ig u ra 3 .1 3 : In st al ac ió n s o la r p ar a A .C .S . y c al en ta m ie n to d e p is ci n a al a ir e li b re

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CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 42 F ig u ra 3 .1 4 : In st al ac ió n s o la r p ra A .C .S . y c al en ta m ie n to d e p is ci n a cu b ie rt a

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA 43 F ig u ra 3 .1 5 : In st al ac ió n s o la r p ar a A .C .S ., c al en ta m ie n to d e p is ci n a al a ir e li b re y s u el o r ad ia n te

(44)

3.8. Conexión del sistema auxiliar

El proyectista debe tener presente que no se permite el aporte de energía auxiliar ni dentro del acumulador solar, ni en el circuito primario.

Al igual que las demás partes del sistema, la conexión del sistema solar al sistema auxi-liar, el instalador debe ejecutarla tal y como se describe en la memoria del proyecto.

•La conexión del sistema auxiliar, salvo las excepciones que se indican, siem-pre será en serie con la instalación solar (acumulador solar o intercambiador) y se ubicará siempre después de ésta.

•Se permitirá la conexión del sistema de energía auxiliar en paralelo con la ins-talación solar cuando se cumplan los siguientes requisitos:

» El sistema de energía auxiliar sea del tipo en línea, esté constituido por uno o varios calentadores instantáneos no modulantes o no sea posible regular la temperatura de salida del agua.

» Exista una preinstalación solar que impida o dificulte el conexionado en serie.

» Cuando el recorrido de tuberías de agua caliente desde el acumulador solar hasta el punto de consumo más lejano sea superior a 15 metros lineales a través del sistema auxiliar.

•En todos estos casos, la conmutación de sistemas será fácilmente accesible y será obligatorio disponer un indicador de la temperatura del acumulador solar, ubicado en su parte alta, fácilmente visible y accesible por el usuario.

El proyectista deberá prever un by-pass del agua de red al sistema auxiliar para garan-tizar el abastecimiento de A.C.S.en caso de paro de la instalación solar por avería, repa-ración o mantenimiento.

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Residencia Juvenil Doña Urraca (Zamora)

4 Datos para el dimensionado

(46)

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN 46

Datos para el

dimensionado de una instalación

4 4.1. Generalidades

Antes de realizar el dimensionado de una instalación de energía solar, es necesario cono-cer una serie de datos:

•Condiciones de uso de la instalación: A.C.S., Piscina y Calefacción.

•Datos climatológicos: radiación sobre los captadores, temperatura exterior, tempe-ratura del agua de red.

•Datos geográficos: latitud del lugar de ubicación de los captadores. Según el Plan Solar de Castilla y León:

La memoria de diseño o proyecto especificará las necesidades de consumo, con indi-cación del volumen diario medio mensual, correspondiente a la temperatura de refe-rencia característica de la demanda, definiendo:

•Criterio de consumo adoptado.

•Consumo unitario máximo.

•Ocupación máxima.

•Variación de la ocupación.

4.2. Condiciones de uso

4.2.1. Consumo de A.C.S.

El consumo de A.C.S. es un dato que se puede obtener:

• Directamente: mediante los datos de consumo medidos en años anteriores proporciona-dos por el usuario (medida directa del contador de agua caliente). Deben ser justificaproporciona-dos.

• Con estimaciones, cuando no se conocen datos de la instalación, existen varias formas de poder estimarlos:

» A partir de los consumos unitarios(tabla 4.1.) y del porcentaje de ocupación (ver siguiente punto), se puede estimar la demanda mensual de A.C.S.

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En aplicaciones de Agua Caliente Sanitaria (A.C.S.) para las que no se disponga de datos, se utilizarán para el diseño los consumos unitarios máximos expresados en la tabla 4.1.

Viviendas unifamiliares 40 por persona

Viviendas multifamiliares 30 por persona

Hospitales 80 por cama

Hotel **** 100 por cama

Hotel *** 80 por cama

Hotel/Hostal ** 60 por cama

Hostal/Pensión * 50 por cama

Residencia (ancianos, estudiantes, etc.) 80 por cama

Vestuarios / Duchas colectivas 20 por servicio

Tipología de usuario litros/día

Tabla 4.1: Consumos unitarios estimados de A.C.S.

» Con facturas de combustible. Cuando se conoce el consumo de combustible utiliza-do en cada mes para calentar el A.C.S., se puede calcular el consumo diario de A.C.S. en ese mes como:

Litros / día de A.C.S.=

Consumo mensual de combustible (l, kg o m3₎

PCI = Poder calorífico inferior del combustible (kcal/l, kg o m3_).

η= Rendimiento del generador de calor existente.

T_uso= Temperatura a la que se desea calentar el agua para su utilización.

Normalmente, el combustible se utiliza para calentar el A.C.S. y para calefacción, siendo conjunta la facturación. Para estimar el consumo de A.C.S. se considerará la facturación del consumo de combustible del período estival (junio, julio y agosto), libre de impuestos y gravámenes por suministro.

» Con el consumo de agua fría, estimando que el consumo de A.C.S. está comprendi-do entre un 25 y un 35% del consumo total de agua fría de red.

» Por utilización de aparatos. Ver tabla 4.2.

Consumo mensual de combustible x PCI x η (Tuso– Tagua fría de red) x días/mes

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Elemento Consumo(l) Caudal(l/s)

Lavabo 3 a 6 0,1 a 0,2 Bidé 5 a 7 0,1 a 0,15 Bañera 100 a 130 0,3 a 0,4 Ducha 30 a 50 0,2 a 0,3 Lavadora 20 a 40 0,2 a 0,3 Lavavajillas 20 a 40 0,2 a 0,3

Tabla 4.2: Consumos y caudales aproximados de diversos aparatos de consumo

4.2.2. Piscinas

En esta utilización se pretende calentar el agua de la piscina con energía solar, la cual se ve favorecida por el bajo nivel térmico precisado en la misma.

En el caso de piscinas exteriores se pueden conseguir condiciones aptas para el baño en meses menos favorables, como puede ser septiembre, mes en el que generalmente con-cluye la temporada de piscina en muchos lugares.

El cálculo de la demanda energética precisada por una piscina se realiza en el apartado 5.8 del presente Manual.

4.2.2.1. Piscinas al aire libre

Los datos necesarios para calcular una piscina al aire libre son las pérdidas energéticas por metro cuadrado (P)que tiene la piscina y la ganancia (H)que recibe la superficie horizontal de la piscina al estar expuesta a la radiación solar.

Las pérdidas totales serán el resultado de la suma de pérdidas por radiación a la atmósfe-ra en el periodo nocturno, pérdidas por convección, pérdidas por evapoatmósfe-ración y pérdidas por arrastre y salpicaduras.

La ganancia de la piscina será el producto de la irradiación sobre la superficie horizontal (tabla 4.3) multiplicada por un coeficiente de reducción de ésta, como consecuencia de las pérdidas por reflexión en la superficie del agua, sombras parciales y otras pérdidas de menor cuantía.

4.2.2.2. Piscinas Cubiertas

En este caso, la ganancia solar directa es nula, por lo que únicamente será preciso calcu-lar las pérdidas de calor de la piscina (P)para obtener su demanda energética. Así, las condiciones ambientales, temperatura y humedad, serán las del recinto, variables que son controladas por el equipo de climatización y por ello conocidas.

(49)

4.2.3. Calefacción

Las aplicaciones de calefacción son compatibles con los colectores solares térmicos pla-nos habituales siempre y cuando sean de baja temperatura (suelo radiante), uniéndose además los beneficios de un mejor confort térmico y una mayor eficiencia energética de la propia instalación de calefacción.

Como en el caso de un sistema de calefacción convencional el sistema de calefacción por suelo radiante debe compensar las pérdidas térmicas del edificio.

Para evaluar dichas pérdidas es necesario conocer:

•Composición y superficie de los cerramientos de las dependencias a calefactar, para calcular el coeficiente global de pérdidas del edificio (Kg).

•Temperatura exterior.

•Temperatura ambiente interior que se desea mantener.

El cálculo de las necesidades energéticas de calefacción se realiza en el apartado 5.9 del presente Manual.

4.2.4. Nivel de ocupación

Es necesario conocer el nivel de ocupación y la temporada de mayor uso de la instalación, para poder considerar en los cálculos las variaciones que se pueden producir en el consu-mo de A.C.S., en el uso de las piscinas o en el de calefacción, en los distintos meses del año.

•Este valor, es especialmente importante en hoteles y otros alojamientos turísticos, donde la mayor afluencia de clientes se produce en la temporada estival o en los periodos vacacionales.

•Para viviendas, que no sean de uso vacacional, en las que se han de considerar los meses en los que las familias se ausentan de su residencia habitual (normalmente julio y/o agosto).

•Para instalaciones deportivas, igualmente es necesario conocer el número de per-sonas que hacen uso de las mismas, entrenamientos diarios, competiciones, cur-sos, etc.

Como valores de ocupación máxima y variación ocupacional anual se utilizarán los datos facilitados por los usuarios o por los responsables de la utilización de las dependencias.

4.3. Condiciones climáticas

Asimismo, el dimensionado de la instalación solar precisa, para cada mes, el conoci-miento de las condiciones climáticas del lugar donde se encuentra ubicada la instalación:

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DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN 50 •Horas útiles que incide la radiación solar.

•Temperatura ambiente.

•Temperatura del agua de red.

Dichos datos se obtendrán de bases estadísticas de Centros Meteorológicos.

4.3.1. Radiación sobre superficie horizontal (H)

En la tabla 4.3. se muestra la radiación sobre superficie horizontal (en kWh/ m2_día),

según el Plan Solar de Castilla y León. Notar que 1 kWh = 3,6 MJ.

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

Avila 1,67 2,53 3,75 4,92 5,39 6,20 7,31 7,03 5,22 3,11 1,92 1,45 Burgos 1,42 2,20 3,45 4,45 5,20 5,98 6,39 5,75 4,64 2,81 1,81 1,25 León 1,61 2,42 3,84 4,78 5,42 6,14 6,73 5,81 4,78 2,89 1,95 1,33 Palencia 1,47 2,50 3,67 4,86 5,47 6,06 6,70 6,00 4,75 3,03 1,83 1,28 Salamanca 1,70 2,64 3,75 4,75 5,47 6,34 6,84 6,28 4,86 3,14 2,06 1,45 Segovia 1,58 2,45 3,72 5,11 5,67 6,28 7,14 6,92 5,22 3,17 1,89 1,42 Soria 1,64 2,42 3,56 4,75 5,47 6,06 6,70 6,20 4,86 3,08 2,11 1,56 Valladolid 1,53 2,45 3,86 4,78 5,53 6,28 6,98 6,39 5,09 3,11 1,92 1,17 Zamora 1,50 2,47 3,67 4,81 6,17 6,00 6,53 6,11 4,78 3,08 1,86 1,28

Tabla 4.3: Radiación sobre superficie horizontal (en kWh/ m2_día)

4.3.2. Radiación sobre superficie horizontal modificada

En algunos casos se puede tomar la radiación sobre superficie horizontal modificada por un factor en función de la situación de la instalación solar:

•0,95 si la instalación está dentro de un casco urbano.

•1,05 si está en atmósfera limpia o está en zona de montaña.

•Coeficientes de corrección más severos en el caso de prever importantes sombras en invierno.

4.3.3. Radiación sobre superficie inclinada

La radiación incidente sobre la superficie inclinada del plano de los captadores, es la ener-gía total teórica que se puede esperar que incida en un día medio del mes considerado, por cada metro cuadrado de captador.

(51)

Para conocerla se multiplica la radiación sobre superficie horizontal H por el coeficiente correspondiente a la inclinación elegida k, dado por la tabla 4.4, según el Plan Solar de Castilla y León.

El coeficiente krepresenta el cociente entre la energía total incidente en un día sobre una superficie orientada hacia el Ecuador e inclinada un determinado ángulo y otra horizontal, y su valor difiere para cada uno de los meses del año.

E = H xk

0 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 10 1,15 1,12 1,09 1,06 1,04 1,03 1,04 1,06 1,11 1,15 1,18 1,17 20 1,27 1,21 1,15 1,09 1,04 1,03 1,05 1,10 1,18 1,28 1,34 1,32 30 1,36 1,28 1,19 1,09 1,02 1,00 1,02 1,10 1,23 1,37 1,46 1,44 40 1,42 1,31 1,19 1,06 0,97 0,94 0,97 1,08 1,24 1,42 1,54 1,52 50 1,44 1,31 1,16 1,00 0,89 0,86 0,90 1,02 1,21 1,44 1,59 1,56 60 1,43 1,28 1,10 0,92 0,79 0,75 0,80 0,93 1,15 1,41 1,59 1,57 70 1,38 1,21 1,01 0,81 0,67 0,62 0,67 0,82 1,07 1,35 1,55 1,53 80 1,30 1,12 0,90 0,68 0,53 0,48 0,53 0,69 0,95 1,25 1,47 1,46 90 1,19 1,00 0,76 0,54 0,38 0,32 0,38 0,54 0,81 1,12 1,36 1,35

Tabla 4.4: Factor de corrección k para superficies inclinadas (para una latitud de 42º) para cada mes

4.3.4. Horas útiles de sol

Las horas útiles del sol corresponden al tiempo que el sol está en el horizonte, descon-tando las horas iniciales y finales del día.

Este valor permite calcular la intensidad radiante por unidad de superficie y tiempo.

Latitud Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic

De 25º a 45º 8 9 9 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9 9 8 7,5

Tabla 4.5: Horas útiles diarias de sol para captadores prácticamente orientados hacia el Ecuador e inclinados un ángulo igual a la latitud (± 15º)

4.3.5. Temperatura ambiente media

Según el Plan Solar de Castilla y León pueden utilizarse los datos publicados por el Instituto Nacional de Meteorología, reseñados en la siguiente tabla.

Inclinación (Grados)

(52)

Avila 3,5 4,4 7,5 10,1 13,7 18,1 21,9 21,6 17,9 11,9 7,2 4,1 Burgos 3,3 4,7 8,4 10,6 13,7 17,9 20,9 20,5 17,7 12,5 7,3 4,1 León 3,9 5,5 9,1 11,5 14,2 19,2 22,0 21,6 18,5 13,3 8,3 4,6 Palencia 4,2 5,8 9,6 12,1 15,2 20,0 23,2 22,8 19,4 13,7 8,3 4,7 Salamanca 4,2 6,4 9,8 12,3 15,4 20,4 23,7 23,6 20,1 14,1 8,9 5,4 Segovia 3,2 5,0 8,9 11,6 14,7 20,1 23,8 23,3 19,2 13,1 7,6 4,0 Soria 3,4 4,8 7,9 10,5 13,5 18,4 21,7 21,6 18,2 12,5 7,5 4,2 Valladolid 4,5 6,3 10,1 12,5 15,5 20,4 23,4 22,8 19,6 14,2 8,9 5,2 Zamora 4,3 6,2 10,2 12,7 15,4 20,6 23,7 22,4 19,3 14,1 9,1 5,0

Tabla 4.6: Temperatura ambiente media diaria (ºC)

4.3.6. Temperatura del agua de red

Para los valores de temperatura de agua fría (ºC), necesarios para el calculo de la carga de consumo, se tomarán los que indica el Plan Solar de Castilla y León en la tabla 4.7.

Avila 8 8 10 12 14 16 18 18 16 14 12 10 Burgos 8 9 10 11 13 15 17 17 15 13 11 10 León 8 8 10 12 14 16 18 18 16 14 12 10 Palencia 9 9 11 13 15 17 19 19 17 15 13 11 Salamanca 9 9 11 13 15 17 19 19 17 15 13 11 Segovia 8 8 10 12 14 16 18 18 16 14 12 10 Soria 8 8 10 12 14 16 18 18 16 14 12 10 Valladolid 9 9 11 13 15 17 19 19 17 15 13 11 Zamora 9 9 11 13 15 17 19 19 17 15 13 11

Tabla 4.7: Temperaturas medias del agua fría de red (ºC)

La utilización de otros datos de temperaturas de agua fría deberá ser justificada, indican-do la procedencia y proceso de obtención de los mismos.

4.4. Datos geográficos

El principal dato geográfico de interés es la latitud del lugar, ya que de acuerdo con la misma se determinará la inclinación de los captadores.

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Altitud sobre el nivel del mar (m) Latitud (Grados)

Avila 1.126 40.7 Burgos 929 42.3 León 908 42.6 Palencia 734 42.0 Salamanca 803 41.0 Segovia 1.002 41.0 Soria 1.063 41.8 Valladolid 694 41.5 Zamora 649 41.5

Tabla 4.8: Altitud sobre el nivel del mar y latitud de las capitales de las provincias de Castilla y León

4.5. Tablas para facilitar la recogida de datos

Para facilitar la recogida de datos se puede partir de tablas como las siguientes:

Mes Nº H H` K E = k x H T ambiente

de días Radiación Radiación Factor Radiación (ºC) del mes horizontal modificada corrección inclinada

(kWh/m2₎ _(kWh/m2₎ _(kWh/m2₎ Ene 31 Feb 28 Mar 31 Abr 30 May 31 Jun 30 Jul 31 Ago 31 Sep 30 Oct 31 Nov 30 Dic 31 Año 365

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• Datos adicionales para Agua Caliente Sanitaria:

Mes Ta _Consumo _Consumo _Ocupación _{Consumo real}

fría de A.C.S. A.C.S. (% mes) de A.C.S.

red (ºC) (litros/día) (litros/mes) (litros/mes)

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

• Datos adicionales para Piscinas:

• Datos adicionales para Calefacción: PISCINA CUBIERTA

Profundidad Largo Ancho

Temperatura del agua de la piscina Temperatura del recinto

Humedad relativa del recinto

PISCINA EXTERIOR Profundidad Largo Ancho

Temperatura del agua de la piscina Humedad relativa de la localidad Velocidad media del viento en la localidad

CALEFACCIÓN

Coeficiente global de transmisión de calor Superficie exterior de los cerramientos Temperatura interior requerida

(55)

5 Dimensionado de la

superficie de captación y del

volumen de acumulación

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DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 56

Dimensionado de la superficie de

captación y del volumen de acumulación

5 5.1. Especificaciones del Plan Solar de Castilla y León

El dimensionamiento básico de una instalación de energía solar térmica se refiere a la selección de la superficie de captadores solares y del volumen de acumulación solar. Para el dimensionado básico podrá utilizarse cualquiera de los métodos de cálculo acep-tados por proyectistas, fabricantes e instaladores, con preferencia, fundamentalmente, de uso del método F-CHART (Anexo VI).

El método de cálculo especificará, para cada mes, los valores medios diarios de:

•La demanda energética.

•La aportación del sistema solar.

•El rendimiento de la instalación.

También se deben especificar las prestaciones globales anuales definidas por:

•La demanda de energía térmica total anual.

•La energía solar térmica aportada total anual.

•La aportación media anual (%).

De acuerdo con las especificaciones del Plan Solar de Castilla y León, los parámetros de diseño de la instalación solar deben cumplir los siguientes criterios:

•El área total de captación A, en m2_{, cumplirá:} 50 ≤ M/A ≤ 80 •El volumen de acumulación solar V, en litros, cumplirá:

0,8 ≤ V/M ≤ 1

•Cuando por razones justificadas no se instale la superficie de captación inicialmen-te diseñada, el volumen de acumulación solar cumplirá:

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Siendo:

A: Superficie total de captación instalada (m2_).

M: Carga de consumo diario medio anual de agua caliente sanitaria (l/día). V: Volumen de acumulación solar (litros).

En todos los casos, la carga de consumo diario medio anual de agua caliente sanitaria (M) está referida al valor medio diario anual cuando el consumo sea prácticamente constante a lo largo del año o a la media del período estival, en los demás casos.

Preferentemente, el volumen de acumulación (V) será igual, aproximadamente, a la carga de consumo diaria (M).

Este conjunto de parámetros, hacen referencia únicamente a instalaciones de producción de agua caliente sanitaria.

Para otros usos (industriales, calefacción por suelo radiante, climatización de piscinas, etc.) se debe justificar y detallar la solución y los criterios adoptados respecto a estos parámetros de diseño, si bien el volumen de acumulación solar deberá cumplir los siguientes requisitos:

DESFASE VOLUMEN DE ACUMULACIÓN SOLAR

PRODUCCIÓN / CONSUMO (litros por m2 _{de superficie captadora)}

No existe desfase Entre 30 y 50

Desfases, habituales o periódicos,

no superiores a 1 día Entre 50 y 80

Desfases, habituales o periódicos

superiores a 1 día Mayor de 80

En instalaciones solares térmicas que proporcionen cobertura, de manera conjunta, a más de una aplicación, suministro de agua caliente sanitaria o asimilados, climatización de piscinas, instalaciones para calefacción y climatización, para procesos industriales o asimilados, así como el sector agrícola, ganadero, forestal y extractivo (minería), se debe considerar la parte proporcional de la superficie colectora total destinada a cada apli-cación, para calcular el volumen de acumulación solar que debe instalarse para cada una de ellas.

El volumen del acumulador solar será el normalizado inmediatamente superior al resul-tante del cálculo anterior.

El dimensionado de las instalaciones solares deberá cumplir,de manera obligatoria, las siguientes prestaciones mínimas, en Termias producidas por la instalación solar por uni-dad de superficie de captación solar instalada y año, en función de la aplicación a la cual la instalación solar va a proporcionar cobertura.

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DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 58

APLICACIÓN APORTE SOLAR MÍNIMO

(Termias/m2 _año)

Calefacción por suelo radiante o de baja temperatura 300

Agua caliente sanitaria 450

Climatización de piscinas 600

Aplicaciones conjuntas que incluyan calefacción por suelo radiante o de baja temperatura

400

Aplicaciones conjuntas o no contempladas anteriormente 500

5.2. Esquema a seguir en el dimensionado de una instalación

solar térmica

Atendiendo a la aplicación de la instalación de energía solar (A.C.S., calefacción o cli-matización de piscina), se particularizará la demanda energética concreta de la instalación y la temperatura a la cual se requiere.

5.3. Criterios de selección del captador solar

De acuerdo con lo descrito en los apartados 5.4, 5.7, 5.8 y 5.9 se pueden calcular:

•Las necesidades energéticas de consumo y la temperatura a la que se demandan.

•La energía que se dispone del sol.

DATOS CÁLCULOS

Demanda energética Temperatura de la red Temperatura demandada

Carga calorífica necesaria por mes

Radiación Horas útiles de sol

Intensidad radiante por mes

Intensidad radiante Temp. ambiente media Temp. de uso necesaria Rendimiento del captador

Calor útil medio que se obtiene con el captador por mes

Superficie captadora necesaria Volumen de acumulación solar