UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
Proyecto de diseño de un sistema de aerotermia para climatización y ACS
en una residencia universitaria
TRABAJO FIN DE MÁSTER
ENERGÍAS RENOVABLES
Autor: John Jairo Paillacho Calupiña Director: Ana María Nieto Morote
Cartagena, 13 de junio 2022
ÍNDICE GENERAL
1. Memoria descriptiva ... 7
1.1 Objetivo del Proyecto ... 7
1.2 Antecedentes ... 7
1.3 Análisis de un sistema referencia de ACS mediante CHEQ4 ... 9
1.3.1 Análisis de la zona climática de la instalación de referencia de ACS ... 9
1.3.2 Análisis de resultados de la instalación de referencia de ACS ... 10
1.4 Descripción del edificio ... 12
1.4.1. Localización del edificio ... 12
1.4.2. Distribución de los apartamentos ... 13
1.5 Normativa ... 14
1.6 Introducción a la Aerotermia... 15
1.5.1. Descripción de la instalación de la Aerotermia ... 16
1.5.2. Descripción técnica de los elementos de la instalación de aerotermia. ... 16
1.5.2.1. Equipo Bomba de calor Aerotermia ... 17
1.5.2.2. Acumulación de ACS ... 19
1.5.2.3. Sistema de energía Auxiliar (Caldera de condensación) ... 21
1.5.2.4. Instalación Hidráulica de la QTON ... 22
1.7 Descripción de la instalación de climatización. ... 23
1.6.1 Ventilador ... 23
1.6.2 Conductos ... 24
1.6.3 Rejillas de Impulsión ... 25
1.6.4 Rejillas de Retorno ... 25
2. Memoria de Cálculo ... 26
2.1. Introducción ... 26
2.2. Datos de Partida ... 26
2.2.1. Parámetros generales del Edificio ... 26
2.2.2. Parámetros climáticos ... 27
2.3. Cálculo de la producción de ACS ... 27
2.3.1. Caudal mínimo para cada aparato ... 27
2.3.2. Caudales Instantáneos ... 28
2.3.3. Demanda de Energía ... 31
2.3.4. Contribución mínima renovable para la producción de ACS. ... 34
2.4. Equipo de Aerotermia ... 35
2.4.1 Acumulador de ACS del equipo de Aerotermia ... 35
2.4.2 Bomba de calor de Aerotermia ... 37
2.5. Sistema Back – up ... 39
2.5.1. Acumulador del equipo secundario ... 39
2.5.2. Sistema Back – up de energía ... 39
2.6. Cálculo de la instalación hidráulica del sistema de aerotermia ... 41
2.7. Cálculo de cargas térmicas ... 42
2.7.1. Cálculo de cargas térmicas de verano ... 43
2.7.1.1. Cargas externas ... 43
2.7.1.1.1. Radiación ... 43
2.7.1.1.2. Trasmisión ... 44
2.7.1.2. Cargas internas ... 45
2.7.1.2.1. Cargas sensibles ... 45
2.7.1.2.2. Cargas latentes... 46
2.7.2. Cargas totales de verano ... 46
2.7.3. Cargas térmicas en invierno ... 47
2.8. Cálculo del sistema de climatización ... 49
2.8.1. Cálculo del caudal las rejillas de impulsión y retorno ... 49
2.8.2. Cálculo de las redes de conductos ... 49
2.8.1.1. Nudos ... 49
2.8.1.2. Pérdida de carga ... 50
2.8.3. Cálculo del caudal ... 51
2.8.4. Dimensionamiento a pérdida constante ... 52
2.8.5. Presión en la bomba y camino más desfavorable ... 52
2.8.6. Cálculo de los desequilibrios de las pérdidas de carga ... 52
2.8.7. Equilibrado de las pérdidas de carga ... 52
2.8.8. Equilibrado con ventilador de impulsión y retorno ... 53
2.8.9. Resultados de los conductos de la red de impulsión y retorno ... 54
Bibliografía ... 57
3. Planos ... 59
Anexo de Cálculos ... 60
Anexo de Catálogos ... 61
4. Pliego de condiciones ... 62
4.1. Objetivo ... 62
4.2. Normativa aplicable ... 62
4.3. Generalidades ... 63
4.4. Condiciones de cumplimiento de materiales y equipos. ... 67
4.4.1. Bombas de calor ... 68
4.4.2. Conductos de aire ... 69
4.4.3. Elementos de difusión ... 72
4.4.4. Tuberías del circuito hidráulico ... 73
4.4.5. Válvulas ... 75
5. Presupuesto... 77
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Ubicación de la instalación ... 10
Figura 2. Instalación de referencia ... 11
Figura 3. Emplazamiento de la Residencia de Burjassot... 12
Figura 4. Localización de la instalación de la Residencia de Burjassot ... 13
Figura 5. Principio de Funcionamiento de un Sistema de Aerotermia ... 15
Figura 6. Vista Frontal – Lateral ... 18
Figura 7. Vista Trasera – Lateral ... 18
Figura 8. Área de instalación de la QTON ... 18
Figura 9. Perfil de demanda diaria de ACS ... 19
Figura 10. Medida del depósito de acumulación ... 20
Figura 11. Acumulador (Fuente: Catálogo Lapesa). ... 20
Figura 12. Acumulador (Fuente: Catálogo Lapesa). ... 20
Figura 13. Sistema Auxiliar Caldera de condensación. ... 21
Figura 14. Vista Frontal - Lateral de la caldera de condensación. ... 22
Figura 15. Diagrama de la instalación Hidráulica de la bomba QTON. ... 22
Figura 16. Dimensiones del Ventilador ... 24
Figura 17. Resumen de la Demanda Energética ... 33
Figura 18. Perfil de consumo diario ACS de enero ... 37
Figura 19. Presión vs Caudal ... 54
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Dimensiones del área de instalación de la QTON ... 19
Tabla 2. Elementos de la instalación hidráulica de la bomba QTON ... 22
Tabla 3. Dimensiones del Ventilador ... 24
Tabla 4. Datos de la Residencia ... 26
Tabla 5. Parámetros Climáticos CHEQ4 ... 27
Tabla 6. Caudal mínimo para cada tipo de aparato establecido por el CTE ... 28
Tabla 7. Distribución de habitaciones en la Residencia Universitaria de Burjassot ... 29
Tabla 8. Caudal simultáneo por plantas de la Residencia Universitaria de Burjassot ... 30
Tabla 9. Demanda de ACS de la Residencia Universitaria de Burjassot ... 31
Tabla 10. Demanda de Energía Mensual de la Residencia Universitaria de Burjassot ... 32
Tabla 11. Resumen de la demanda anual cubierta por la bomba de calor QTON ... 33
Tabla 12. Fracción renovable de la de la demanda de ACS ... 34
Tabla 13. Perfil de consumo diario de ACS ... 36
Tabla 14. Longitud máxima en función del diámetro de tubería ... 42
Tabla 15. Resumen cargas térmicas de verano Residencia Burjassot ... 47
Tabla 16. Resumen cargas térmicas de invierno Residencia Burjassot ... 48
Tabla 17. Resultados de los conductos de la red de impulsión ... 55
Tabla 18. Resultados de los conductos de la red de retorno ... 56
1. Memoria descriptiva
1.1 Objetivo del Proyecto
El presente trabajo tiene como objetivo principal proyectar una instalación de aerotermia para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) y climatización en la Residencia Universitaria de Burjassot, ubicada en la ciudad de Valencia. La actuación proyectada queda justificada por la integración de la misma como medida específica de mejora ambiental en el Plan Integral de Transición Ecológica del SMS 2021 - 2030 (PITECO SMS 2021 - 2030), tanto en lo que respecta a la mejora en la eficiencia energética y reducción de emisiones directas de CO2 asociadas a la instalación de producción de ACS, como en lo que respecta a la mejora en la eficiencia hídrica, capacidad de control y monitorización de consumos. Para el dimensionamiento de la instalación, se hace un estudio de las condiciones climatológicas de Burjassot, incluyendo la radiación solar que recibe la zona. Asimismo, se analiza la demanda diaria de ACS, considerando el código técnico de edificación actual CTE-HE4 [1], para establecer el dimensionamiento correcto de la instalación.
1.2 Antecedentes
El cambio climático es uno de los problemas más importantes a los que actualmente los seres humanos se enfrentan, ya que las consecuencias de esta afectación climática se sienten más en algunos lugares del mundo. Es ilógico tratar de eliminar el uso de los combustibles fósiles, especialmente si no hay recursos para reemplazar la energía requerida. Sin embargo, es posible reducir de este tipo de combustibles, utilizando tecnologías renovables que estén disponibles con el fin de reducir el impacto de las fuentes de energía no renovables en la Tierra.
España, es un país que en los últimos años ha apostado por las energías limpias, porque antes debía importar combustibles fósiles de otros sitios por la falta de yacimientos adentro de sus fronteras. Estas son las llamadas energías renovables, porque no solo no contribuyen al cambio climático, sino que además son inagotables. Al día de hoy,
más de un 80% [2] de la energía primaria empleada en España es producida al emplear recursos de origen fósil (gas natural y Petróleo) y las energías renovables se utilizan en determinados ámbitos, como la generación de energía mediante aerogeneradores, paneles fotovoltaicos o la producción de ACS mediante colectores solares.
La Directiva 2012/27/UE [3] establece que para la eficiencia energética los edificios suponen el 40% del consumo final de energía de la Unión Europea. Por lo tanto, es de suma importancia reducir la demanda de energía y utilizar fuentes de energía renovables en el sector de la construcción para disminuir la dependencia energética del país.
Una instalación de ACS utiliza un sistema de Aerotermia, que está formado por una bomba de calor que puede absorber la energía térmica contenida en el aire. La Aerotermia se considera como una tecnología limpia porque aprovecha la energía contenida en el aire que nos rodea, energía que se puede emplear para la producción ACS para uso doméstico. Esto se debe al hecho de que la energía naturalmente contenida en el aire en forma de temperatura está siempre disponible y es prácticamente inagotable. Se puede regenerar naturalmente por medio de la energía solar.
Los sistemas de climatización consisten en crear los requisitos de temperatura, humedad y pureza del aire necesarios para garantizar el confort y la calidad del aire en las viviendas.
Los sistemas de generación de energía renovables, ofrecen muchos beneficios a gran escala como en [4]:
• Mejoran la eficiencia energética de los edificios nuevos y existentes.
• A nivel nacional, reducir la dependencia de los combustibles fósiles y aumentar la autonomía energética.
• A nivel de usuario, ahorrar en la factura de gas, gasóleo o electricidad para la producción de agua caliente para uso doméstico.
• Representan una reducción significativa de las emisiones contaminantes.
Además, dados los objetivos fijados por la Unión Europea para los países de la comunidad en el contexto del clima y la energía para 2030, los beneficios de estas instalaciones son fundamentales [5].
• Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 55% (respecto a 1990) [6].
• Al menos 27% de participación de fuentes de energía renovables [7].
• Incrementa la eficiencia energética en al menos un 27% [7].
1.3 Análisis de un sistema referencia de ACS mediante CHEQ4
Si bien en este proyecto no se pretende diseñar una instalación solar térmica, es necesario realizar un análisis de una instalación de referencia, para obtener la contribución energética que un grupo de captadores solares podrían abastecer, extrapolando ese valor a una instalación de aerotermia. Para esto se utiliza la herramienta CHEQ4, que fue implementado por la empresa Aguaisol para el Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía (IDEA) [8]. Se utiliza con el fin de obtener la validación de la contribución solar mínima de ACS que exige ser cumplida por el CTE en la sección HE4. Además, se obtiene la demanda energética que debe abastecer la instalación de referencia mediante el uso de captadores solares, esta demanda obtenida se compara con la instalación de aerotermia que se encuentra en la memoria de cálculos.
1.3.1 Análisis de la zona climática de la instalación de referencia de ACS
Se introduce en el programa CHEQ4 la ubicación de la instalación que se encuentra en la Provincia de Valencia, en el municipio de Valencia correspondiente a la zona climática IV, como se observa en la Figura 1. La ubicación de la instalación permite obtener los datos de la irradiancia media mensual, la temperatura de la red y la temperatura ambiente para posteriormente calcular la demanda energética en la memoria de cálculos.
Figura 1. Ubicación de la instalación
1.3.2 Análisis de resultados de la instalación de referencia de ACS
En la Figura 2 se visualiza los resultados obtenidos de la instalación de referencia, que comprueba que la instalación cumple con la fracción solar mínima exigida por el CTE para la zona climática IV. En el análisis de la instalación se obtiene la demanda bruta que considera las pérdidas que existen en el depósito de acumulación y en la distribución de ACS. Otro análisis importante en el sistema de referencia es el consumo de energía primaria auxiliar, el cual es el valor de energía que aporta el sistema auxiliar para cubrir la demanda total de la instalación.
Figura 2. Instalación de referencia
Además del programa CHEQ4, se emplea el software DMELECT que se utiliza para realizar el cálculo de cargas térmicas previamente para el diseño de un sistema de climatización.
Para el cálculo de cargas térmicas, los parámetros más importantes a considerar son los siguientes [9]:
• Las condiciones exteriores de los distintos lugares según UNE 100-001 [10] y la zona climática según el CTE-HE1 [11].
• Las condiciones de verano e inverno con un nivel de percentil según la UNE 100- 014 [12].
• Un análisis de condensaciones de los cerramientos exteriores del proyecto y según la zona climática una comprobación de la transmitancia térmica.
• Lista de los locales del proyecto con los parámetros por defecto: tipo de recinto (ocupable o no), carga interior (elevada o mínima), ventilación requerida según RITE [13], nivel de actividad, infiltraciones, ocupación, iluminación y tiempo de actividad.
1.4 Descripción del edificio
1.4.1. Localización del edificio
La residencia universitaria de Burjassot se encuentra situada en la ciudad de Valencia, en el municipio de Burjassot en la Calle Canaleta 46100, el cual está situado al noroeste de la ciudad de Valencia a una latitud de 39°30'. La ubicación de la residencia se indica en la Figura 3 y Figura 4.
Figura 3. Emplazamiento de la Residencia de Burjassot
Figura 4. Localización de la instalación de la Residencia de Burjassot
1.4.2. Distribución de los apartamentos
La residencia de Burjassot se encuentra formada por 13 plantas:
• En la planta sótano PS3 y PS2, se encuentra la zona de aparcamiento de coches.
• En la planta sótano PS1 se encuentra los vestíbulos, almacenes, cuartos eléctricos, una sala de estar y un cuarto de máquinas en donde se ubica la instalación de aerotermia.
• En la planta baja PB se tiene comedores, oficinas y la recepción.
• Las plantas P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7 y P8 son dormitorios simples y dobles para los estudiantes.
• En la planta cubierta se tiene una instalación fotovoltaica.
La distribución de las plantas de la residencia de Burjassot se adjunta en el Anexo Planos.
1.5 Normativa
Para el dimensionamiento de la producción de ACS y el sistema de climatización en la Residencia Universitaria de Burjassot, se debe cumplir con la normativa establecida para este tipo de instalaciones, en base a los siguientes documentos:
• Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y sus Instrucciones Técnicas IT (Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio).
• Código Técnico de Edificación. (Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo y Orden FOM/1635/2013) y en especial:
➢ Sección HE 4. Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria.
➢ Sección HS 3. Calidad del aire interior
• UNE-EN 1507:2007, Ventilación de edificios. Conductos de aire de chapa metálica de sección rectangular. Requisitos de resistencia y estanquidad.
• Instrucción Técnica Complementaria MIE-AP1 del Reglamento de Aparatos a Presión, según orden del Ministerio de Industria y Energía, de fecha 17 de marzo de 1981 (BOE 8 abril de 1981).
• Instrucción Técnica Complementaria MIE-AP1 del Reglamento de Aparatos a Presión, según orden del Ministerio de Industria y Energía, de fecha 17 de marzo de 1981 (BOE 8 abril de 1981).
• Ley de Protección del ambiente atmosférico según decreto 833/1975 del Ministerio de Planificación del Desarrollo de fecha 6 de febrero de 1975, y modificaciones.
• Reglamento de actividades molestas, insalubres, nocivas y peligrosas según decreto 2414/1961 de la Presidencia del Gobierno de fecha 30 de noviembre de 196.
• Normas básicas para las instalaciones interiores de suministro de agua del Ministerio de Industria. BOE 13 de enero de 1976 (Incluida corrección del 12 febrero de 976).
• Norma Básica de la Edificación NBE-CPI-96.
• Normas Tecnológicas de la edificación (NTEs).
• Norma UNE 100030 IN Guía para la prevención y control de la proliferación y diseminación de Legionella en instalaciones.
• Reglamento de Seguridad para plantas e Instalaciones Frigoríficas.
1.6 Introducción a la Aerotermia
El principio de funcionamiento de un sistema de Aerotermia consiste en utilizar una bomba de calor para extraer energía ambiental contenida en la temperatura del aire y convertir esta energía en calor para transferirla a un circuito de agua caliente sanitaria o de calefacción del edificio.
El mecanismo empleado es opuesto al mecanismo utilizado en los frigoríficos. Al cambiar de estado, el refrigerante líquido absorbe el calor contenido en el aire frío y lo transfiere al agua caliente para convertir el flujo de calor natural.
En concreto, el sistema de aerotermia combina una bomba de calor con un módulo hidráulico y un acumulador como se observa en la Figura 5.
Figura 5. Principio de Funcionamiento de un Sistema de Aerotermia
Funcionamiento del sistema de Aerotermia:
1. La unidad exterior captura la energía térmica del aire exterior (fuente de calor) y aumenta su temperatura que pasa a través del compresor mediante un proceso de compresión.
2. El refrigerante caliente se dirige al condensador.
3. El refrigerante libera la energía térmica en el agua para su distribución 4. El refrigerante se redirige al evaporador y el proceso comienza de nuevo.
1.5.1. Descripción de la instalación de la Aerotermia
Se describe las principales ventajas de los sistemas de aerotermia:
• Los sistemas de aerotermia emplean una bomba de calor que no contamina.
• Son fuentes de energías renovables e ilimitadas.
• Presentan una gran rentabilidad con un ahorro energético en la factura eléctrica de hasta un 75%.
• Son equipos que se pueden adaptar a distintas zonas climáticas en el mundo.
Un sistema único de aerotermia es capaz de ser empleado para la producción de ACS, calefacción y refrigeración.
La instalación principal está formada por dos bombas de aerotermia QTON y dos acumuladores LUMELCO de 2000 y 7000 litros que se encuentran ubicados en la planta sótano 1 (PS1). El equipo tiene un circuito primario cerrado y un sistema de intercambio de calor entre el circuito primario (bomba de calor de aire) y el depósito de ACS. Este dispositivo almacena agua a una temperatura de 60ºC. Además, la instalación de aerotermia dispondrá de un sistema de respaldo que es una caldera de condensación, que sólo calentará el depósito de acumulación del sistema QTON en caso de una avería de este mismo.
La instalación de aerotermia también dispone de un sistema de control que controlará la entrega de calor dependiendo de la temperatura establecida. Se mide la temperatura en los acumuladores y el sistema de control opera sobre la bomba de calor y la caldera de condensación. Además, también se miden las temperaturas de impulsión y retorno del circuito primario para verificar el correcto funcionamiento del equipo.
El plano del sistema hidráulico de la Instalación de Aerotermia se adjunta en la sección de Planos.
1.5.2. Descripción técnica de los elementos de la instalación de aerotermia.
Una instalación de aerotermia consta de los siguientes elementos.
1.5.2.1. Equipo Bomba de calor Aerotermia
Se selecciona una bomba de calor de aerotermia que pueda cubrir la demanda de ACS de la residencia universitaria. Entonces, se opta por utilizar dos bombas de aerotermia modelo Q-TON ESA30EH-25 condensada por aire, que es un equipo que contiene una carga de gas refrigerante R44 (CO2) de 8.5 Kg. Además, el fabricante recomienda que para la instalación de equipos QTON en lugares cerrados como en nuestra instalación se deben tomar precauciones, ya que una fuga de refrigerante podría causar el riesgo de asfixia en el caso que esta sobrepase el límite de concentración. A continuación, se describe las características principales de la bomba de calor QTON.
• Marca: Mitsubishi
• Modelo: Q-TON ESA30EH-25
• Alimentación: 111-380 V ± 5%/400 ± 5%, 415 ± 5% 50 Hz
• Operación en máximo Rendimiento (Región Templada) - Capacidad calorífica: 30 kW
- Caudal de agua: 8.97 l/min - Consumo eléctrico 6.96 kW - COP: 4.3
• Operación en máximo Rendimiento (Región Fría) - Capacidad calorífica: 30 kW
- Caudal de agua: 5.06 l/min - Consumo eléctrico 10.73 kW - COP: 2.8
Figura 6. Vista Frontal – Lateral
Figura 7. Vista Trasera – Lateral
La instalación de la bomba QTON exige tener un espacio adecuado para que la entrada de aire sea la suficiente y se pueda realizar las funciones de mantenimiento. En la Figura 8 y en la Tabla 1 se indica esta área.
Figura 8. Área de instalación de la QTON
Dimensiones 1 2
L1 800 800
L2 10 10
L3 800 800
L4 100 500
H1 500 1500
H2 Sin límite Sin límite
H3 1000 1000
H4 Sin límite Sin límite
Tabla 1. Dimensiones del área de instalación de la QTON
1.5.2.2. Acumulación de ACS
En el sistema QTON, se instala un acumulador estratificador de diseño especial de la marca Lumelco y este tanque debe estar lo más cercano posible a la bomba QTON. Estos depósitos son diseñados en base a acero inoxidable, decapado químicamente y pasivado después de ensamblar. Según los datos de la demanda diaria ACS se tiene un pico de demanda entre las 7 y 8 de la mañana como se muestra en la Figura 9 y se tendrá un caudal de acumulación de 7000 litros que las bombas QTON calientan. Entonces para nuestro proyecto, se escoge dos acumuladores de 2000 y 5000 litros de la marca Lumelco.
Figura 9. Perfil de demanda diaria de ACS
0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 3000.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Litros
horas
A= 1360 mm B= 1830 mm C= 175 mm D= 670 mm E= 685 mm F= 330 mm G = 1115 mm M= 210 mm
Figura 10. Medida del depósito de acumulación
MXV2000RB
Figura 11. Acumulador (Fuente: Catálogo Lapesa).
Capacidad (litros) 2000 Temperatura máxima
(ºC)
90
Presión máxima (bar) 8
Diámetro (mm) 1360
Longitud (mm) 2280
MXV5000RB
Figura 12. Acumulador (Fuente: Catálogo Lapesa).
Capacidad (litros) 5000 Temperatura máxima
(ºC)
90
Presión máxima (bar) 8
Diámetro (mm) 1910
Longitud (mm) 2710
1.5.2.3. Sistema de energía Auxiliar (Caldera de condensación)
El sistema auxiliar de energía será capaz de satisfacer la demanda de ACS en caso que el sistema principal tenga un fallo. Esté sistema se encargará de incrementar la temperatura de agua de 57º a 60 º y será una caldera de condensación que será alimentada mediante gas natural con pérdidas de cargas reducidas y una elevada transferencia térmica. La caldera de condensación como sistema back-up, cubrirá la demanda de los siguientes tanques:
• Tanque de 1500 litros que cubrirá las pérdidas del anillo.
• Tanque de 5000 litros en caso de avería del sistema QTON.
• Marca: SAUNIER DUVAL familia THERMOSYSTEN CONDENS
• Modelo: F160/3
• Combustible: Gas Natural
• Potencia: 160 kW
• Categoría del gas: l2H
• Rango de Potencia Calorífica: 28,4- 168,2 (40/30 º C) – 26,2 -156.5(80/60 º C)
• Caudal de gas a máxima potencia: 8.60 m3/h
• Filtro de aire integrado
• Intercambiador Aislado
• Homologaciones B23, B23p, C33, C43, C53, C83, C93
• Alta eficiencia: 108 %
• Eficiencia energética: A
Figura 13. Sistema Auxiliar Caldera de condensación.
Figura 14. Vista Frontal - Lateral de la caldera de condensación.
1.5.2.4. Instalación Hidráulica de la QTON
Para la instalación del sistema hidráulico de la bomba QTON, la conexión de agua fría y agua caliente empleará los elementos que se indican en la Tabla 2 y en la Figura 15, además para el acceso al intercambiador se debe considerar una longitud de tubería mínima de 500 mm.
Item Elemento Item Elemento
1 Junta unión 7 Filtro
2 Termómetro 8 Válvula de purgado
3 Manómetro 9 Tubería de agua
4 Llave de servicio 10 Válvula de vaciado 5 Unión flexible 11 Válvula anti-retorno 6 Tubería drenaje
Tabla 2. Elementos de la instalación hidráulica de la bomba QTON
Figura 15. Diagrama de la instalación Hidráulica de la bomba QTON.
1.7 Descripción de la instalación de climatización.
En la instalación del sistema de climatización, previamente, se ha realizado una estimación sobre las necesidades térmicas del lugar a climatizar. Para esto se considera el caudal de volumen de aire y la presión estática del ventilador de la bomba QTON que pasarán por medio de un ventilador, que es dimensionado para soportar el caudal de la bomba y equilibrar las pérdidas de carga del sistema de impulsión y retorno. Los conductos de impulsión y retorno se utilizan para llevar a cabo la ventilación y la extracción del aire de la sala a climatizar.
1.6.1 Ventilador
El ventilador escogido para este proyecto es el BOX HB 63 T4 1 de 1,5 kW que cuenta con un caudal máximo de 18620𝑚3/ℎ de la marca CASALS, que tiene una caja fabricada en chapa de acero galvanizada con un aislamiento acústico y térmico, tiene un ventilador interno que es de forma helicoidal con un marco circular robustecido con un nervio intermedio para tamaños entre el 45 y 80 cm. Además, cuenta un motor jaula de ardilla con una protección IP-55 y una clase F de aislamiento. Estos ventiladores se diseñan para montarlos sobre la pared o en conductos, en la interperie o en el interior y son indicados para realizar actividades como:
• Renovar el aire.
• Absorción del humo.
• Aspiración de aire fresco a todo tipo de local, edificaciones y almacenes.
La Figura 16 y la Tabla 3, indican las dimensiones del ventilador a instalar en la residencia.
Figura 16. Dimensiones del Ventilador
A 781.5 H 30
B 781.5 J 665
C 542 K 610
D 630 L 11
E 76 M 715
F 630 N 35
G 76 O 60
Tabla 3. Dimensiones del Ventilador
1.6.2 Conductos
El cálculo de las tuberías se realiza considerando que las pérdidas de cargas en los tramos que sean rectos tienen que estar por debajo de los 40 mmca/m y la velocidad no supere los 2 m/s en tramos de paso por zonas habitadas y los 3 m/s en las tuberías que estén soterradas o estén en galerías.
El dimensionamiento y disposición de las tuberías debe hacerse de manera que la diferencia entre los valores máximos de la presión diferencial en el punto de conexión de diferentes equipos alimentados por la misma bomba sea insignificante y no supere el 15% del valor medio de los mismos. Para garantizar una buena circulación del fluido térmico en todo el sistema, con la velocidad y caudal correctos, las tuberías de fluido térmico se miden en función del caudal (potencia) a transportar y la velocidad a la que se desplaza, establecido en la normativa del Reglamento de las instalaciones Térmicas, haciendo el uso de software de cálculo para ello.
Los conductos de impulsión y retorno para este proyecto se utilizarán para ejecutar la ventilación y la extracción de aire, conforme la normativa en vigor. Consecuentemente, los conductos irán desde el ventilador en donde se impulsará el aire pasando por las distintas rejillas de impulsión y el retorno se realiza substrayendo el caudal de extracción mediante las rejillas de retorno. Para el dimensionamiento de la sección de los conductos se debe considerar la velocidad máxima admisible y las pérdidas de carga para no perturbar de manera negativa el confort de los ocupantes.
Para nuestro proyecto se han escogido conductos rectangulares de chapa metálica galvanizada de espesor de 0.8 mm, Clase B, Brida MTU 40mm y aislamiento exterior CLIMCOVER LAMELA MAT (e=50 mm), ejecutado según la UNE-EN 1507:2007.
1.6.3 Rejillas de Impulsión
Las rejillas de impulsión son uno de los elementos principales para un sistema de instalación de aire. La función principal de las rejillas de impulsión es detener el caudal de aire que pasa a través de los conductos de impulsión, ya que, si el aire fuera directamente impulsado al espacio a climatizar, este chorro de aire podría impactar directamente sobre un habitante, causando una sensación de inconfort.
Para nuestro proyecto se utilizarán rejillas de impulsión de la serie AT modelo AT – AG 425x325 de la marca TROX o similar idóneo por la D.F.
1.6.4 Rejillas de Retorno
Al igual que las rejillas de impulsión, las rejillas de retorno podrían causar sensaciones de disconformidad térmica en el espacio climatizado, si no son debidamente dimensionadas y seleccionadas. Además, estos elementos de retorno son muy importantes para complementar el circuito de renovación de aire. Para un óptimo funcionamiento de nuestro sistema de climatización se han escogido las rejillas de retorno AT – AG – 425x325 de la marca TROX. Las características de las rejillas de impulsión y retorno se adjuntan en el Anexo de Catálogos.
2. Memoria de Cálculo 2.1. Introducción
En esta memoria se desarrollan los cálculos realizados para el dimensionamiento de la instalación de ACS y para el diseño del sistema de climatización de la Residencia Universitaria ubicada en Valencia, siguiendo en cada momento la normativa establecida por el CTE [1] para los apartados de producción de ACS y climatización en edificaciones.
En la memoria descriptiva se realizó un análisis de un sistema de referencia, obteniendo la demanda energética que debe abastecer una instalación de ACS de energía solar. Este valor que se tiene se compara con la demanda calculada en nuestra instalación de aerotermia.
Por tanto, necesitamos diseñar una planta de producción de ACS que pueda cubrir las necesidades térmicas de la residencia.
2.2. Datos de Partida
2.2.1. Parámetros generales del Edificio
Las actividades de la edificación están destinada al uso de una residencia universitaria para estudiantes. En Tabla 4 se indica los datos específicos de la ubicación del edificio:
Provincia Valencia
Localidad Burjassot
Ubicación Calle Canaleta 46100
Latitud 39º 30′ 23
Altura (m) 13
Orientación Noroeste
Zona Climática Zona IV Tabla 4. Datos de la Residencia
CTE [14], distingue hasta cinco tipos diferentes de zonas climáticas en todo el país, divididas según la cantidad de radiación solar. Como la ubicación de la residencia está situada en Valencia, entonces se encuentra en la zona climática IV.
2.2.2. Parámetros climáticos
El uso de la herramienta de CHEQ4 permite obtener algunos parámetros climáticos para el dimensionamiento de la producción de ACS, estos parámetros que se obtienen son: el valor mensual medio de la irradiancia solar, la temperatura de la red y la temperatura ambiente como se muestra en la Tabla 5.
Rad(MJ/m2) T.Red(ºc) T. Amb(ºc)
Enero 9.1 10 10.4
Febrero 12.2 11 11.4
Marzo 16.8 12 12.6
Abril 21.9 13 14.5
Mayo 24.4 15 17.4
Junio 26.9 17 21.1
Julio 27.6 19 24
Agosto 23.8 20 24.5
Septiembre 19 18 22.3
Octubre 13.6 16 18.3
Noviembre 9.6 13 13.7
Diciembre 7.7 11 10.9
Promedio 17.7 14.6 16.8
Tabla 5. Parámetros Climáticos CHEQ4
2.3. Cálculo de la producción de ACS
2.3.1. Caudal mínimo para cada aparato
Los caudales de cada elemento de ACS se encuentran establecidoos en el CTE en el apartado HS4 “Contribución mínima de energía renovable para cubrir la demanda de Agua Caliente Sanitaria” [15]. Los valores de los caudales de cada aparato se muestran en la Tabla 6:
Tipo de aparato
Caudal mínimo de agua fría
Caudal mínimo de ACS
[l/s] [l/s]
Lavamanos 0.05 0.03
Lavabo 0.10 0.065
Ducha 0.20 0.10
Bañera de 1,40 m o más 0.30 0.20
Bañera de menos de 1,40 m 0.20 0.15
Bidé 0.10 0.065
Urinarios con cisterna (c/u) 0.04 -
Fregadero doméstico 0.20 0.10
Fregadero no doméstico 0.30 0.20
Lavavajillas doméstico 0.15 0.10
Lavavajillas industrial (20 servicios) 0.25 0.20
Lavadero 0.20 0.10
Lavadora doméstica 0.20 0.15
Lavadora industrial (8 kg) 0.60 0.40
Tabla 6. Caudal mínimo para cada tipo de aparato establecido por el CTE
2.3.2. Caudales Instantáneos
En la residencia universitaria se van a tener lavabos y duchas de dos tipos:
• El tipo 1 corresponde a las habitaciones simples.
• El tipo 2 pertenece a las habitaciones de uso compartido.
En la Tabla 7 se muestra la distribución de las habitaciones del edificio:
lavabo lavabo tipo 1
lavabo
tipo 2 duchas duchas tipo 1
duchas tipo 2
Habitaciones Simples
Habitaciones Dobles
Total, de habitaciones
P1 4 0 0 0 0 0 0 0 0
P2 70 48 22 35 24 11 24 11 35
P3 70 48 22 35 24 11 24 11 35
P4 70 48 22 35 24 11 24 11 35
P5 59 15 44 29 7 22 7 22 29
P6 59 15 44 29 7 22 7 22 29
P7 59 15 44 29 7 22 7 22 29
P8 59 15 44 29 7 22 7 22 29
PC 0 0 0 0 0 0 0 22 29
TOTAL 464 204 242 223 100 121 100 143 243
Tabla 7. Distribución de habitaciones en la Residencia Universitaria de Burjassot
Los caudales instantáneos se pueden obtienen sumando todos los caudales de todos los aparatos del edificio, utilizando un coeficiente de simultaneidad de uso, al considerar que no todos los aparatos se están utilizando al mismo tiempo en la residencia.
Sin embargo, no existe una norma que sea obligatoria en la que se muestren los coeficientes de simultaneidad, por lo tanto, se usan los datos publicados por la Norma UNE 149201/2017 [16], en donde se tiene la siguiente expresión para los caudales instantáneos:
𝑄𝑐 = 𝑄𝑇. 𝑡. 𝑇𝑟𝑒𝑑 (1)
En donde:
𝑄𝑐=Caudal simultáneo de cálculo (l/s)
𝑄𝑇=Caudal Total, suma de todos los aparatos del edificio (l/s) 𝑡=tiempo de uso estimado en el día en minutos.
𝑇𝑟𝑒𝑑=Temperatura de la red
En base a la clasificación de lavabos y duchas por habitaciones simples y habitaciones dobles de la Tabla 7, aplicamos la ecuación (1) y obtenemos los caudales simultáneos que se visualizan en la Tabla 8.
PLANTA 2
lavabo tipo 1 Caudal Unitario l/s Uso al día (min) l/día a 60ºC
48 0.065 3.12 10 1872
lavabo tipo 2 Caudal Unitario l/s Uso al día (min) l/día a 60ºC
22 0.065 1.43 15 1287
ducha tipo 1 Caudal Unitario l/s Uso al día (min) l/día a 60ºC
22 0.1 2.2 5 660
ducha tipo 2 Caudal Unitario l/s Uso al día (min) l/día a 60ºC
11 0.1 1.1 8 528
Total por planta 4347 PLANTA 5
lavabo tipo 1 Caudal Unitario l/s Uso al día (min) l/día a 60ºC
15 0.065 0.975 10 585
lavabo tipo 2 Caudal Unitario l/s Uso al día (min) l/día a 60ºC
44 0.065 2.86 15 2574
ducha tipo 1 Caudal Unitario l/s Uso al día (min) l/día a 60ºC
7 0.1 0.7 5 210
ducha tipo 2 Caudal Unitario l/s Uso al día (min) l/día a 60ºC
22 0.1 2.2 8 1056
Total por planta 4425 Tabla 8. Caudal simultáneo por plantas de la Residencia Universitaria de Burjassot
Hay que tener en cuenta que en el diseño de arquitectura de la residencia las plantas P2, P3 y P4 tienen el mismo diseño y las plantas P5, P6, P7 y P8 también tienen la misma arquitectura. Para obtener la demanda total de ACS de la residencia, se hará uso del caudal simultáneo Qc calculado anteriormente y se considera un factor de simultaneidad en todas las plantas del edificio. Este factor de simultaneidad se considera como un criterio de porcentaje de uso, ya que, en todas las plantas de la residencia, el tiempo de uso de los lavabos y las duchas no son iguales, por esta razón el consumo de la demanda de ACS en cada planta varía. En el Anexo de Resultados se adjunta el estudio completo realizado a la residencia universitaria. A partir de los cálculos realizados considerando el factor de
simultaneidad, se obtiene el consumo total de ACS en litros/ día del edificio como se observa en la Tabla 9.
Plantas Coeficiente de simultaneidad
Consumo de ACS por planta (l/d)
Consumo de ACS por planta
(l/año)
Consumo de ACS por planta
(m3/año)
P1 0% 0 0 0
P2 50% 2173.5 793327.5 793.33
P3 35% 1521.45 555329.25 555.33
P4 35% 1521.45 555329.25 555.33
P5 45% 1991.25 726806.25 726.81
P6 45% 1991.25 726806.25 726.81
P7 45% 1991.25 726806.25 726.81
P8 45% 1991.25 726806.25 726.81
TOTAL 13181.4 4811211 4811.21
Tabla 9. Demanda de ACS de la Residencia Universitaria de Burjassot
2.3.3. Demanda de Energía
La demanda de energía, se calcula para conocer la energía que se requiere para calentar un caudal de agua por día a partir de la temperatura de la red hasta 60º C. A partir de los datos térmicos obtenidos de la herramienta CHEQ4, se utiliza la temperatura de la red, la temperatura de ACS, el caudal diario de ACS para calcular la demanda energética como se muestra en la ecuación (2):
𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆 = 𝑄𝐴𝐶𝑆∗ 𝜌 ∗ 𝐶𝑝∗ (𝑇𝐴𝐶𝑆− 𝑇𝑟𝑒𝑑) ∗ 𝑡 (2)
En donde:
𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆= Demanda de Energía (J/mes).
𝑄𝐴𝐶𝑆= caudal diario de ACS (l/d).
𝜌= densidad del agua (1 kg/l).
𝐶𝑝=Calor especifico del agua (4190 J/kg K)
𝑇𝐴𝐶𝑆= Temperatura del ACS (según el CTE HE-4, 60 ºC).
𝑇𝑟𝑒𝑑= Temperatura del agua de la red, tabulado mensualmente.
𝑡= número de días del mes correspondiente.
Para realizar una estimación de las pérdidas de energía en los acumuladores, el fabricante recomienda un 9 % de la demanda total de la energía de ACS como pérdidas en los tanques.
Días Mes Qacs
l/d T.Red(ºc) T.
Amb(ºc)
Demanda QACS (MWh)
Pérdidas (MWh)
Demanda total ACS (MWh) 31 Enero 13181.4 10 10.1 23779.6 2140.2 25919.8 28 Febrero 13181.4 11 11.1 21048.8 1894.4 22943.2 31 Marzo 13181.4 12 12.3 22828.4 2054.6 24883.0 30 Abril 13181.4 13 14.2 21631.8 1946.9 23578.6
31 Mayo 13181.4 15 17.1 21401.7 1926.1 23327.8
30 Junio 13181.4 17 20.8 19790.8 1781.2 21571.9 31 Julio 13181.4 19 23.7 19499.3 1754.9 21254.2 31 Agosto 13181.4 20 24.2 19023.7 1712.1 20735.8 30 Septiembre 13181.4 18 22 19330.5 1739.7 21070.3 31 Octubre 13181.4 16 18 20926.1 1883.3 22809.4 30 Noviembre 13181.4 13 13.4 21631.8 1946.9 23578.6 31 Diciembre 13181.4 11 10.6 23304.0 2097.4 25401.4 254196.4 22877.7 277074.1 Tabla 10. Demanda de Energía Mensual de la Residencia Universitaria de Burjassot
Al aplicar la ecuación (2) obtenemos el valor de la de demanda de ACS de la instalación de aerotermia, que tiene un valor de 254.196 kWh y procedemos a comparar con el valor de instalación solar térmica de referencia que tiene una demanda de 253.6601 kWh. De lo cual se concluye que la instalación de referencia sirvió como base para obtener el valor real de la potencia demandada de nuestra instalación
A continuación, se indica la Tabla 11 y la Figura 17, en donde se resume la demanda anual que debe ser cubierta por la bomba QTON para nuestra instalación.
Energía demandada de ACS (kWh) 254.196
Pérdidas en el tanque (kWh) 22.878
Total demanda de energía anual cubierta por las bombas QTON (kWh)
277.074
Tabla 11. Resumen de la demanda anual cubierta por la bomba de calor QTON
Figura 17. Resumen de la Demanda Energética
En base a los cálculos realizados se obtienen los siguientes resultados:
• Las pérdidas del anillo de recirculación serán cubiertas por la caldera de gas: 94.593 kWh.
• Es muy importante asegurar un caudal idóneo para el anillo de recirculación, ya que un caudal que sea excesivo incrementará sin necesidad las pérdidas del sistema y perjudicará el rendimiento de la instalación.
0.0 5000.0 10000.0 15000.0 20000.0 25000.0 30000.0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
DEMANDA DE ENERGÍA (kWh)
2.3.4. Contribución mínima renovable para la producción de ACS.
Según la última actualización del CTE en la sección HE4 [1], se define el requerimiento de satisfacer una parte de la demanda de ACS o de climatización utilizando fuentes de energía renovable.
Con respecto a la versión antigua, que definía la exigencia en términos de producción solar térmica y esta versión se establece de forma más neutra en términos de la tecnología utilizada, estableciendo estándares para satisfacer las necesidades de la demanda, rendimiento mínimo bajo criterios renovables.
Esta sección es aplicable a nuevos edificios y a edificios existentes en los que se cambie el uso característico o en los que se aumente la demanda de manera significativa.
DACS < 5000 l/d 60 % contribución renovable DACS > 5000 l/d 70 % contribución renovable
Tabla 12. Fracción renovable de la de la demanda de ACS
La Tabla 12, indica que si una instalación tiene una demanda menor a 5000 l/d esta deberá aportar energía renovable mínima del 60 % y si es mayor a 5000 l/d, la instalación deberá aportar con una contribución del 70 % de energía renovable.
Además, hay que considerar que para la producción de ACS y/o climatización por medio de bombas de calor, estas deberán de tener rendimientos mínimos para considerar su aportación renovable:
Funcionamiento eléctrico 𝑆𝐶𝑂𝑃𝑑ℎ𝑤 = 2.5 Funcionamiento térmico 𝑆𝐶𝑂𝑃𝑑ℎ𝑤 = 1.15
Para este proyecto al tener una demanda de producción de ACS de 13181.4 l/d, la contribución de energía renovable en este proyecto será del 70 %.
La demanda mínima que debe cubrir la instalación por medio del equipo de aerotermia es:
𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆,𝐴𝐸 = 𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆∗ 70% (3)
𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆 = 277.074 ∗ 0.7
𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆 = 193.95 kWh/año
Donde:
𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆=Demanda anual aportada por las bombas de calor de la instalación de aerotermia.
Si la instalación de aerotermia cubre el 70 % de la demanda energética, el sistema auxiliar cubrirá con el 30 % restante de la demanda.
𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆,𝑎𝑢𝑥 = 𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆 ∗ 30% (4)
𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆 = 277.074 ∗ 0.3 𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆 = 83.12 kWh/año
Donde:
𝐷𝐸𝐴𝐶𝑆=Demanda anual aportada por la caldera de condensación de gas back up.
2.4. Equipo de Aerotermia
Al conocer la potencia que debe aportar la instalación de aerotermia, se dimensiona la bomba de calor, el acumulador y circuito primario.
Aplicando el método de cálculo del apartado 6.4 de la Guía Técnica para Instalaciones de ACS de IDEA [8], desarrollamos a continuación el dimensionamiento de los acumuladores, la bomba de ACS y de la caldera de condensación.
2.4.1 Acumulador de ACS del equipo de Aerotermia
Esta acumulación está dimensionada en base a un perfil de consumo diario entre las 7:00 y 8:00 am obteniendo un consumo de 5272 l/d como se muestra Tabla 13 y en la Figura 18.
Por lo cual se ha estimado una acumulación de 7000 litros para el sistema de aerotermia.
h ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC
0 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
3 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
5 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
6 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
7 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 8 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 2636.2 9 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 10 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 11 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 12 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 13 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 14 1977.2 1977.2 1977.2 1977.2 1977.2 1977.2 1977.2 1977.2 1977.2 1977.2 1977.2 1977.2 15 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 16 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6 263.6
17 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
18 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 19 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 659.1 20 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 1318.1 21 395.4 395.4 395.4 395.4 395.4 395.4 395.4 395.4 395.4 395.4 395.4 395.4
22 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
23 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
13182.0 13182.0 13182.0 13182.0 13182.0 13182.0 13182.0 13182.0 13182.0 13182.0 13182.0 13182.0 Tabla 13. Perfil de consumo diario de ACS
Figura 18. Perfil de consumo diario ACS de enero
2.4.2 Bomba de calor de Aerotermia
Para el dimensionamiento de este equipo, la condición más importante a considerar es que la bomba de aerotermia tiene que ser capaz de cubrir las necesidades de ACS en la demanda bruta al día.
En la Figura 18 se tiene el perfil de consumo diario de ACS para el mes enero de nuestra instalación [17]. Se puede observar que en la figura el mayor pico de demanda se tiene entre las 8:00 y las 9:00 con un volumen de 5272 litros a 60º C, con este volumen y el tiempo de calentamiento/ recuperación del acumulador, se tiene la siguiente ecuación:
𝑃𝐵𝐴 =𝑉𝐴𝐶𝑈 ∗ (𝑇𝐴𝑐𝑢− 𝑇𝑟𝑒𝑑) ∗ 1.16 ƞ𝑝∗ 𝑡𝑟
(5)
Donde:
𝑷𝑩𝑨=Potencia abastecida por la bomba de calor (kW).
𝑽𝑨𝑪𝑼= Volumen de acumulación en la demanda punta 60 º C (5272 l).
𝑻𝑨𝑪𝑼= Temperatura del agua en el acumulador (60 º C).
0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 3000.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Litros
horas
𝑻𝒓𝒆𝒅= Temperatura de la red, según la IDEA (12 º C).
ƞ𝒑= Rendimiento del sistema de producción, estimado en el 75% según la IDEA.
𝒕𝒓= tiempo de recuperación (6.7 h).
Al aplicar la ecuación (5) obtenemos que la potencia que debe suministrar la bomba de calor es:
𝑃𝐵𝐴 = 58.421 kW
Con los cálculos realizados, se procede a seleccionar dos bombas de aerotermia que puedan suministrar esa potencia, se selecciona la siguiente:
• Marca: Mitsubishi
• Modelo: Q-TON ESA30EH-25
• Potencia (Timp. 60º / T.ext 5º): 30 kW
• COP (Timp. 60º / T.ext 5º): 2.8
• Rango de presión del agua: 500 o menos.
Para calcular el caudal del circuito primario se tiene una temperatura de impulsión de 60 º C y una temperatura de retorno de 57º C. Conociendo estos valores se calcula este caudal mediante la siguiente expresión:
𝑃𝐵𝐴 = 𝑄𝑝𝑟𝑖 ∗ (𝑇𝑖𝑚𝑝 − 𝑇𝑟𝑒𝑡) ∗ 4.18 (6)
En donde:
𝑃𝐵𝐴=Potencia abastecida por la bomba de calor (60 kW).
𝑄𝑝𝑟𝑖= Caudal del circuito primario (l/s).
𝑇𝑖𝑚𝑝= Temperatura de impulsión (60 º C).
𝑇𝑟𝑒𝑡= Temperatura de retorno (57 º C).
4.18= Calor específico del fluido caloportador (kJ/ kg k).
Mediante la expresión anterior obtenemos un caudal del circuito primario de:
𝑸𝒑𝒓𝒊= 𝟒. 𝟕𝟖𝟓 l/s
2.5. Sistema Back – up
El equipo back up o sistema de respaldo será el encargado de funcionar en caso exista un fallo o una avería en la bomba del sistema QTON.
2.5.1. Acumulador del equipo secundario
Para cubrir la demanda punta se tiene un volumen de acumulación de 7000 litros y por dicha razón se tiene dos acumuladores de 2000 litros suministrados por la bomba QTON y 5000 litros suministrados por el cliente. Este sistema dispondrá de una caldera de gas como sistema de respaldo y tendrá un depósito de acumulación como se describe a continuación:
• Tanque de 1500 litros que atenderá la CALDERA.
• Tanque de 5000 litros del sistema QTON. La caldera sólo calentará este tanque en caso de avería del sistema.
2.5.2. Sistema Back – up de energía
Como se mencionó anteriormente este sistema sólo funcionará en caso de una avería del sistema principal y para ello se debe calcular la potencia necesaria para abastecer las necesidades de ACS del edificio en el período de la demanda punta. Al igual que el cálculo de potencia de la bomba de aerotermia se toma como referencia la Figura 18 en donde en las horas de máximo consumo se tiene un volumen de acumulación de 5274 litros. Este volumen se utilizará para calcular potencia del sistema de respaldo como se describe a continuación en la ecuación (7):
𝑃𝑆𝑅 =𝑉𝐴𝐶𝑈∗ (𝑇𝐴𝑐𝑢 − 𝑇𝑟𝑒𝑐𝑖) ∗ 1.16 ƞ𝑝∗ 𝑡𝑟
(7)
Donde:
𝑃𝑆𝑅=Potencia abastecida por el sistema de respaldo (kW).
𝑉𝐴𝐶𝑈= Volumen de acumulación en la demanda punta 60 º C (5272 l).
𝑇𝐴𝐶𝑈= Temperatura del agua en el acumulador (60 º C).
𝑇𝑟𝑒𝑑= Temperatura de retorno de recirculación de agua (57º).
ƞ𝑝= Rendimiento del sistema de producción, estimado en el 75% según la IDEA.
𝑡𝑟= tiempo de recuperación (0.2 h).
Aplicando la ecuación anterior obtenemos la potencia del sistema de respaldo:
𝑃𝐵𝐶𝐴= 122.319 kW
Al obtener este valor procedemos a seleccionar la caldera de gas con las siguientes características:
• Caldera de condensación.
• Marca: SAUNIER DUVAL familia THERMOSYSTEN CONDENS
• Modelo: F160/3
• Potencia: 160 KW
• Temperatura máxima de impulsión: 80 º C.
Al tener una temperatura de impulsión de 80 º C en la caldera y una temperatura de retorno de 60 en el acumulador, procedemos a calcular el caudal primario del circuito.
𝑃𝑆𝑅 = 𝑄𝑝𝑟𝑒𝑠∗ (𝑇𝑖𝑚𝑝− 𝑇𝑟𝑒𝑡) ∗ 4.18 (8)
En donde:
𝑃𝑆𝑅=Potencia abastecida por el sistema de respaldo (160 kW).
𝑄𝑝𝑟𝑒𝑠= Caudal del circuito primario del sistema auxiliar (l/s).
𝑇𝑖𝑚𝑝= Temperatura de impulsión (80 º C).
𝑇𝑟𝑒𝑡= Temperatura de retorno (60 º C).
4.18= Calor específico del fluido caloportador (kJ/ kg k) Obtenemos el caudal del circuito primario del sistema de respaldo:
𝑄𝑝𝑟𝑒𝑠 = 1.794 l/s
2.6. Cálculo de la instalación hidráulica del sistema de aerotermia
Para el cálculo de la instalación hidráulica se dimensionan las tuberías que se encuentran conectadas entre el sistema QTON y los depósitos de acumulación.
La bomba de agua que incorpora el equipo QTON pueden vencer una pérdida de carga máxima en la tubería (tramo de ida + tramo de retorno) de 4500 mmca o 45kPa.
Para el cálculo de las de las pérdidas de carga lineal en mmca/m de las tuberías se utiliza la siguiente expresión:
∆𝑝 = 378𝑄1,75 𝐷1,75
(9)
Para el cálculo de la velocidad se emplea la siguiente ecuación:
𝑣 = 𝑄 𝐷2
(10)
Recordando que en el CTE se menciona que la velocidad debe estar en el rango 0.5<v<2 m/s [15].
Las longitudes de las tuberías de ida y vuelta se miden en el diagrama del principio de funcionamiento de la bomba QTON mostrado en el Anexo de Planos.
Para encontrar la pérdida de carga total en mmca, se calcula de la siguiente manera:
∆𝑝𝑡 = ∆𝑝. 𝐿 (11)
