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T u t o r : P e d r o V i c a r i o D e l g a d o1 4 d e E n e r o d e 2 0 1 2

Este trabajo tiene la presente intención de poner en práctica los conocimientos adquiridos a través de la asignatura Principios Básicos y Componentes de un Sistemas hasta la fecha de hoy. Se intentará acreditar la asimilación del contenido de la materia correspondiente al módulo.

PEC 2: Principios Básicos y Componentes de un Sistema Enrique Marín Gallego

0.- Proyecto de una instalación de ACS (agua caliente sanitaria):

- Datos de proyecto: Localidad: Denia (Alicante). Consumo: Todo el año. Tipo de vivienda: Nueva construcción. Tª media del agua de red: 10oC todo el año. Ocupación media: 4 miembros, dos adultos y dos niños. Altura entre placa solar y sala de bombas: 10 metros. Sistema auxiliar: caldera de gas propano. Longitud: 0° 6' 31'' O. Latitud: 38° 50' 25'' N.

1.- Tipología de sistema requerido y esquema de principio de funcionamiento:

Se elegirá una instalación con circulación forzada ya que aunque no sea la mejor opción para viviendas unifamiliares, al responder a las necesidades del arquitecto el acumulador estará en el sótano y existe una distancia de 10 metros hasta el captador. Para poder utilizar un sistema de circulación natural el acumulador debería estar encima del sistema captador. Al ser un requerimiento del arquitecto que el acumulador esté en el sótano, elegiremos una instalación con circulación forzada. Otro dato que hace ver que la instalación elegida estará dotada de circulación forzada es la lectura del enunciado en el que se nos indica que la sala de bombas estará en el sótano junto al acumulador.

Después de estudiar los datos climatológicos para la localidad de Denia (Alicante) mediante la página www.aemet.es éstos son los valores extremos anuales recogidos1:

Temperatura (oC)Temperatura absoluta máxima 41,4Temperatura absoluta mínima -4,62

Temperatura media de las máximas, más altas 33,9Temperatura media de las mínimas, más bajas 2,4

Temperatura media más alta 27,8Temperatura media más baja 7.8

Tabla 1.- Valores extremos climatológicos para la localidad de Barbastro (Huesca).

Se comprueba que el sistema diseñado no tendrá que soportar heladas por lo que en primera instancia podríamos pensar en elegir la tipología de sistema abierto ya que el mantenimiento será menor que en un sistema cerrado. El enunciado nos indica que se instalará una caldera de gas propano como sistema auxiliar por lo que podríamos seleccionar un acumulador con uno o dos serpentines. Esto nos obliga a pensar en un sistema indirecto forzosamente (suponemos que solamente habrá un acumulador).

1 Se han buscado datos climatológicos de Denia pero no se han encontrado. Se han utilizado los datos de la Localidad más cercana a Denia proporcionados por AEMET.2 Éste dato se registró el 12 de febrero de 1956

Barcelona, 08 de diciembre de 2011 Página 2

http://www.aemet.es/


Figura 1.-Esquema básico instalación sistema indirecto con circulación forzada3.

El principio de funcionamiento del anterior sistema indirecto con circulación forzada es simple: El diseño permite que el sistema acumulador esté por debajo del colector/es ya que la bomba es la que se encarga de hacer fluir el fluido caloportador por el circuito primario. Este fluido transmite el calor absorbido por su paso por el absorvedor al agua fría de red mediante su paso por el acumulador. Su paso por el acumulador se realiza mediante un serpentín (intercambiador). La bomba está regulada por la centralita o termostato que se activa, a su vez, por sondas colocadas en el colector y en el depósito acumulador (a la entrada y a la salida). La bomba eléctrica funciona según la sonda que mide la temperatura en el colector solar. La sonda a la salida del acumulador nos servirá para medir la temperatura de consumo y no dejar que sea demasiado elevada ya que podríamos quemarnos. La sonda a la entrada del acumulador nos servirá para que en caso de que la temperatura en el acumulador sea superior a la medida en el colector solar, la instalación se pare. En el intercambiador se produce la absorción de calor del agua sanitaria que irá a consumo y por consiguiente el cese de calor del fluido calo portador que fluye del colector. El vaso de expansión es un elemento de seguridad que nos garantizará la ausencia de sobrepresión en el circuito, encargándose de recoger las dilataciones de volumen del fluido caloportador. En el esquema representado el acumulador consta de dos serpentines pero también se podría optar por un acumulador con un solo serpentín y que después de pasar por el acumulador el agua pasara por la caldera de propano sin necesidad de pasar por un serpentín dentro del acumulador.

Legislación estatal vigente:

Los dos reglamentos que constituyen la legislación estatal para instalaciones solares térmicas son:

Documento básico HE (ahorro de energía) del Código Técnico de la Edificación.

Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE).

3 Fuente: Tecnología Energética 08/09. Universidad de Vigo.



El Código Técnico de la Edificación, en concreto el Documento básico de energía, establece las exigencias en eficiencia energética y energías renovables que deben cumplir los nuevos edificios. Referente a la energía solar térmica hay que tener en cuenta que:

Se fija una contribución o aporte solar mínimo anual entre 30% y 70% en función de la zona climática 4 .

Las instalaciones de energía solar térmica han de cumplir con lo que estipula el RITE5.

Una vez conocida la legislación aplicable para nuestro proyecto debemos conocer cuál es la zona climática donde nos encontramos. Para ello se utiliza la tabla de zonas climáticas o el mapa de zonas climáticas que proporciona el Documento Básico HE Ahorro de Energía 6 .

Tal y como dice el reglamento:

En la figura 3.1 y en la tabla 3.2 se marcan los límites de zonas homogéneas a efectos de la exigencia. Las zonas se han definido teniendo en cuenta la Radiación Solar Global media diaria anual sobre superficie horizontal (H), tomando los intervalos que se relacionan para cada una de las zonas.

Figura 3.-Zonas Climáticas

4 HE4: Contribución solar mínima de agua caliente. Fuente: Curso de formación superior. Principios básicos y componentes de un sistema. Módulo 1. Capítulo 3.2.5 HE2: Rendimiento de las instalaciones térmicas.6 DB - HE4. Punto 3.



Así pues Denia (Alicante) está en la zona climática IV.

Consumo de agua caliente sanitaria necesaria:

Para poder diseñar cualquier instalación solar térmica es fundamental conocer el consumo diario que debe abastecer dicha instalación. Para ello se ha consultado el documento básico HE (Ahorro de Energía). Según los datos proporcionados por la tabla 3.1. (Demanda de referencia a 60 oC el consumo para viviendas unifamiliares la demanda diaria de ACS por persona es de 30 litros.

Aplicando la fórmula 3.2 del mismo documento obtenemos para una temperatura del agua de red de 10oC:

Demanda diaria por persona7 = 30 (60oC) · (60 – 10) / (45 – 10) = 42,86 litros/persona y día

Demanda diaria de la vivienda unifamiliar: 42,86 · 4 = 171,44 litros/día.

Para un consumo diario de la vivienda unifamiliar de 171,44 litros/día, una zona climática IV y conociendo que la instalación auxiliar es una caldera de gas propano, obtenemos la siguiente contribución solar mínima según la DB-HE4:

- General: 60 %.

Legislación vigente a nivel local:

Consultando con el ayuntamiento de Valencia se nos ha facilitado la siguiente información a nivel autonómico en cuanto a normativa vigente se refiere:

- Ordenanza Municipal de Captación Solar para usos Térmicos. - Fecha de Aprobación definitiva: 25.02.2005- Publicación BOP: 19.03.2005- Esta Ordenanza entró en vigor con carácter de obligado cumplimiento el día 11/04/2006.- Modificada por acuerdo de fecha: 29.05.2009- Publicación BOP: 31.10.2009

Referente a la contribución solar mínima de dicha ordenanza se recoge lo siguiente:

7 Para calcular el consumo mínimo diario por persona aplicaríamos la norma que marca la HE (Ahorro de Energía) tal y como se ha hecho en el proyecto a modo de comprobación de datos así como para poner en práctica los conocimientos adquiridos.


“Artículo 8. Reducción al cumplimiento de la ordenanza.

Las instalaciones solares deberán proporcionar la contribución solar mínima para satisfacer la demanda de agua caliente sanitaria.1. La contribución solar mínima determinada en aplicación de esta Ordenanza, podrá disminuirse justificadamente en los siguientes casos:a) Cuando se cubra ese aporte energético de agua caliente sanitaria mediante el aprovechamiento de energías renovables, procesos de

cogeneración o fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de recuperadores de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio.

b) Cuando el cumplimiento de este nivel de producción suponga sobrepasar los criterios de cálculo que marca la legislación de carácter básico aplicable.

c) Cuando el emplazamiento del edificio no cuente con suficiente acceso al sol por barreras externas al mismo.d) En rehabilitación de edificios, cuando existan limitaciones no subsanables derivadas de la configuración previa del edificio existente o de la

normativa urbanística aplicable.e) En edificios de nueva planta, cuando existan limitaciones no subsanables, derivadas de la Normativa Urbanística aplicable, que

imposibiliten de forma evidente la disposición de la superficie de captación necesaria.f) Cuando así lo determine el órgano competente que deba dictaminar en materia de protección histórico-artística.2. En edificios que se encuentren en los casos b), c), d) y e) del apartado anterior, en el proyecto se justificará la inclusión alternativa de

medidas o elementos que produzcan un ahorro energético térmico o reducción de emisiones de dióxido de carbono, equivalentes a las que se obtendrían mediante la correspondiente instalación solar, respecto a los requisitos básicos que fije la normativa vigente, realizando mejoras en el aislamiento térmico y rendimiento energético de los equipos.”


Una vez contactado con el Ayuntamiento de Denia y Alicante, no se ha encontrado ninguna ordenanza aplicable a la contribución solar mínima en edificaciones de obra nueva.

2. Elección del colector.

El primer colector es Vitosol 200T8. Sus principales características son:

Figura 4.- Características Vitosol 200T.

Colector de tubos de vacío Heatpipe para calentamiento de A.C.S., de agua de calefacción y de piscinas mediante un intercambiador de calor y para suministro de calor a procesos industriales.

Con el colector de tubos de vacío Vitosol 200-T, Viessmann aumenta la seguridad de funcionamiento de los colectores solares para todo tipo de montajes. La unión “seca” de los tubos Heatpipe en el colector y su escaso contenido en líquido en el colector aumentan la fiabilidad. El colector está disponible con 20 tubos (= 2 m2) o 30 tubos (= 3 m2).

Los colectores solares Viessmann han sido diseñados para alcanzar una vida útil superior a la media. Para ello, se recurre al uso de materiales de primera calidad resistentes a la corrosión, tales como vidrio, aluminio, cobre y acero inoxidable. El absolvedor está integrado en el tubo de vacío, lo que lo protege de los agentes meteorológicos y de la suciedad, y a la vez, garantiza un elevado aprovechamiento de la energía durante mucho tiempo.Ventajas:

Diseño universal que se puede montar en cualquier posición, tanto vertical como horizontal, en cubiertas, en fachadas o sobre una estructura de apoyo.

Superficies de absorción integradas en los tubos de vacío con recubrimiento de SolTitan y resistentes a la suciedad. Los tubos se pueden girar para lograr una orientación óptima hacia el sol y aprovechar al máximo la energía. Unión seca que permite montar o sustituir tubos incluso cuando la instalación está llena. El aislamiento térmico altamente eficaz de la caja de conexiones reduce al mínimo las pérdidas de calor.

El segundo captador solar propuesto es el modelo FKT-1 S de Junkers de instalación vertical. Sus principales características se muestran a continuación9:

8 La información se ha obtenido del catálogo Viessmann consultado por internet.9 Datos obtenidos del catálogo Sistemas Solares Térmicos Junkers.



Figura 5.- Características FKT-1 S.

Después de ver en los catálogos las características de cada captador se llega a la conclusión de que si elegimos la opción del arquitecto de situar el colector en posición horizontal sobre una terraza, elegiremos el colector solar Vitosol 200T ya que puede montarse en cualquier posición mientras que el colector solar FKT-1 S sólo puede instalarse en posición vertical. Si elegimos la opción de instalar el colector con una inclinación de 40o sobre la cubierta con un impacto ambiental mayor, cualquiera de los dos captadores podría ser una buena elección. Habrá que ver si los captadores están preparados para el sistema de instalación elegido para la vivienda.

El colector Vitosol 200T está capacitado para funcionar correctamente en sistemas forzados con circulación directa. De forma contraria, el colector FKT-1 S está capacitado para ser instalado en sistemas indirectos con circulación forzada por lo que sería una buena elección siempre y cuando el impacto ambiental mayor no sea un problema.

Otras opciones podrían ser captadores solares de placa plana siempre y cuando estén diseñados para sistemas indirectos con circulación forzada ya que son más económicos que los colectores de vacío. Un ejemplo de éste tipo de captadores solares lo encontramos en el catálogo de ESCOSOL. Habrá que ver si el modelo elegido satisface las necesidades de captación solar suficientes.

Cálculo aproximado de la superficie de captación necesaria:

Mínimo: 0,7 · 4 = 2,8 m2.

Máximo: 1,0 · 4 = 4 m2.

En primera instancia podríamos decantarnos por instalar 2 colectores SOL 2000 que supondrá 3,6 m2, aunque habría que profundizar más para saber concretamente cual es la superficie de captación necesaria. No se entrará más al detalle puesto que no se requiere en el enunciado.

A continuación se muestras las características extraídas del catalogo Salvador Escoda S.A.



Figura 6.- Características SOL 2000.

3. Elección de un acumulador.

Primeramente tenemos que conocer el consumo diario de ACS. Este valor ya se ha calculado anteriormente y es de 171,44 litros.

- Comprobación del cumplimiento de la normativa más restrictiva:El volumen mínimo y máximo generalmente utilizado para ACS en viviendas unifamiliares es de: 50/300 l.El CTE obliga a que: “en aplicaciones de ACS, el área total de los captadores tendrá un valor tal que se cumpla la condición:

50 < V/A < 180Donde:A es la suma de áreas de los captadores.V es el volumen del depósito de acumulación solar”.10

Para instalaciones pequeñas (unifamiliares) y para optimizar el rendimiento se intenta que la relación V/A esté alrededor de 75l/m2.

50 · A < V < 180 · ASuponemos que el colector elegido es el colector solar plano SOL2000 el cual tiene una superficie de captación de 3,60 m2. De ésta forma:

Vmin. = 180 litros.Vmáx. = 648litros.

Según el método orientativo (70 litros por m2 de captación), podemos afinar el resultado:V = 70 · 3,6 = 252 litros.

Comprobamos que cumple la normativa: 50 < 256/3,6 = 70 < 180

Se podrá elegir el acumulador de A.C.S. el modelo SK-1 S Solar de Junkers. Tiene una capacidad de 286 litros, con lo que quedarán cubiertas las necesidades diarias de consumo por encima de lo calculado, para situaciones excepcionales en las que la demanda de A.C.S. exceda el mínimo exigido. Comprobamos que cumple la normativa de CTE.

50 < 286/3,6 = 79,4 < 180

10 CTE. Sección DB-HE4



Figura 7.- Características SK-1 S Solar.

Otra elección podría ser el acumulador S-ZB SOLAR 300. Tiene una capacidad útil de 294 litros. Vemos que cumple con la normativa vigente.

50 < 394/3,6 = 81,7 < 180

Sus principales características son:

Figura 8.- Características S-ZB Solar.



Se aconseja que la superficie del intercambiador se sitúe entre 1/4 y 1/3 de la relativa a los colectores. Teniendo en cuenta que la superficie de captadores es de 3,6 m 2, la superficie de intercambio deberá situarse entre 0,9 y 1,2 m2. Éste requisito sólo lo cumple el acumulador S-ZB Solar 300 lo que nos hace descartar el acumulador con doble serpentín y elegir el acumulador con un solo serpentín.

Éste hecho nos hará necesitar otro acumulador para el sistema auxiliar. El funcionamiento será tal y como sigue: el agua calentada mediante los captadores solares será almacenada en el acumulador solar elegido. Cuando la temperatura de éste agua no sea suficiente, esta pasará al acumulador que irá conectado a la caldera de propano para aplicar la energía auxiliar para alcanzar la temperatura deseada. Habrá pues que elegir un acumulador para la caldera si la vivienda no dispone ya de uno. Habría que estudiar la situación para poder decidir éste punto. Las especificaciones que deberá cumplir son las siguientes:

- A nivel de montaje: regulación, evacuación de humos, seguridad y funcionamiento. Deberá cumplir con la normativa vigente.

- Deberá tener una potencia suficiente para cubrir el total del servicio.- Deberá estar conectado en serie al acumulador solar.

Figura 9.- Conexión sistema auxiliar al sistema solar11.

11 Fuente: Guía técnica. Instalaciones solares térmicas. Gas Natural.



4. Subsistema hidráulico:

Pestática = P0 + ϱ · h = 101,325 (kPa) + 1000 (kg/m3) · 10 (m) = 101,325 (kPa) + 10000 (kg/m2) · (m2/ 10000 cm2) · 98,1 (kPa/(1kg/cm2)) =101,325 kPa + 98,1 kPa ≈ 199.425 kPa = 1,99 bar =19,9 m.c.a.

El material de las tuberías será el cobre. Estas tuberías deberán cumplir con los requisitos de la UNE-EN-1057.

- Caudal 12 : Se tomará el valor nominal de 50 litros/m2/h. Por lo que el caudal para el diseño será de:

Q = 50 · 3,6 = 180 litros/hora = 0,05 l/s = 180 dm3/h =0,18 m3/h.Comprobamos que cumple con la normativa vigente. Se cumple:

1,2 l/s < Q (cada 100 m2) < 2,0 l/s0,0432 l/s < Q (3,6 m2) < 0,072 l/s0,0432 l/s < Q =0,05 l/s < 0,072 l/s

- Diámetro de la tubería: D (cm )=k ·Q0,35

Para tuberías de cobre k = 2,2. Para un caudal de 0,18 m3/h necesitamos un diámetro de:

D (cm )=2,2 ·0,180,35=1,2cm

- Área de la sección:

A=π·∅2

4=π·1,2

2

4=1,13 cm2

- Velocidad del fluido:

v=QA

=0,18m

3

h1,13 ·10−4m2

=1593m /h=0,44m / s

12 El caudal que recomienda el fabricante a 25ºC en funcionamiento continuo es de 19,4 l/h. No se ha utilizado este caudal para el dimensionado ya que no cumple la normativa. Otra opción podría ser elegir otro acumulador de algún otro catálogo existente en el mercado.



Figura 10.- Ábaco pérdidas de carga en tuberías de hierro y cobre.

Del ábaco obtenemos unas pérdidas de carga primarias de 30 mm columna de agua / metro de longitud. También se obtiene que el diámetro interior ha de ser de 1,2 cm, el cual concuerda con el diámetro interior calculado a partir de la fórmula utilizada.



Figura 11.- Pérdidas de carga en tuberías de cobre de pared lisa.

Utilizando la anterior gráfica se obtienen unas pérdidas de carga de 28-29 mm columna de agua/metro de tubería y un diámetro interior de 1,22 cm. Se comprueba que los datos son prácticamente los mismos que los hallados anteriormente.

- Volumen de agua en la parte vertical de la tubería:V = Área · altura = 1,13 cm2 · (1m2/10000 cm2) · 10 m2 = 0,00113 m3 = 1,13 dm3 = 1,13 litros.



Para un diámetro interior de 1,2 cm, vemos en la siguiente tabla para tuberías de cobre, el diámetro exterior y el espesor correspondiente:

Figura 12.- Relación de diámetros en tuberías de cobre.

Comprobando las tablas de contenido de agua por metro de longitud de tubería, se comprueba que para un diámetro exterior de 14 mm, el contenido de agua por metro de longitud de tubería es de 0,113 litros. Para nuestro diseño en concreto, el contenido de agua en la tubería de 10 metros es de 1,13 litros, que coincide exactamente con el volumen calculado matemáticamente.

- Aislamiento de las tuberías.

El tirado de tuberías en nuestro diseño estará en el interior de la vivienda, por lo que se usará la tabla de espesores de aislamiento para tuberías instaladas en el interior de la vivienda. Si por lo contrario el arquitecto viera oportuno que el tirado de tuberías debe efectuarse por el exterior, este dato deberá ser modificado.

Figura 13.- Espesores mínimos aislamiento de tuberías que transportan fluidos calientes por el interior de la edificación.



- Pérdidas de carga:

Una vez elegido el diámetro debemos comprobar que cumplen las siguientes condiciones:

o La pérdida de carga por metro lineal de tubo no debe superar los 40mmcda. o La velocidad de circulación no debe superar los 1,5 m/s.o La pérdida de carga total del circuito no ha de superar los 7mcda.

Del ábaco obtenemos una pérdida de carga lineal de 30mmcda/m. Vemos que este dato es inferior al valor máximo de 40mmcda. La velocidad obtenida es de 0,44m/s que también es inferior al valor máximo permitido. La pérdida de carga total de las tuberías lineales la obtenemos multiplicando el valor de las pérdidas por metro de longitud por los metros de tubería lineales totales de la instalación:

30 · 10 = 300mmcda = 0,3mcda.

A continuación procedemos al cálculo de las pérdidas totales de la instalación, que es el resultado de la suma de la pérdida de carga lineal ya calculada más las pérdidas secundarias.

Figura 14.- Esquema instalación para el cálculo de pérdidas secundarias.

Para los codos de 90º la longitud asociada es 0,5. Por lo que las pérdidas de carga de los 2 codos es de:

Pérdidas de carga secundarias = 2 · 0,5 · 30 = 30mmcda = 0,030mcda.

Habría también que incluir las válvulas antiretorno y demás elementos instalados. El enunciado sólo nos pide las pérdidas de carga de la tubería con lo que no se tendrán en cuenta los demás elementos en este proyecto.

Pérdidas totales = 0,030 + 0,300 = 0,33 mcda. Vemos que las pérdidas de carga cumplen la normativa.


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