Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Francisco de Asís Casado López Tutor: José Julio Guerra Macho Sevilla, 2020 Índice de Tablas Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia Autor: Francisco de Asís Casado López Tutor: D.José Julio Guerra Macho Catedrático de Universidad Dpto. de Ingeniería Energática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Índice de Tablas Trabajo Fin de Grado: Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia Autor: Francisco de Asís Casado López Tutor: José Julio Guerra Macho El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal Índice de Tablas Agradecimientos A mi familia, a mis amigos, a mi tio Michael. A todos aquellos que me han hecho crecer como persona y a todos aquellos que en estos momentos duros han usado sus fuerzas en ayudar a otras. Gracias. Francisco de Asís Casado López Sevilla, 2020 Índice de Tablas Resumen Este trabajo estudia el diseño de un sistema de captación solar de baja temperatura para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) en una residencia de cuidados multidisciplinar al servicio de personas con problemas mentales, situado en la Línea de la Concepción, provincia de Cádiz. Para ello se hará un análisis de las condiciones climatológicas y de la radiación solar incidente del lugar además de un estudio sobre la demanda de consumo diario de ACS del edificio. Además, se ha realizado el análisis y dimensionado de un tipo de configuración, y de cada uno de los componentes que lo forman, captación, distribución, acumulación y control. Para la realización del proyecto, se ha utilizado el programa CHEQ4 para simular los parámetros de la instalación y para el cumplimiento y evaluación de la sección HE4 del Código Técnico de la Edificación (CTE). Por último, se ha detallado el presupuesto de los elementos necesarios para esta instalación. Índice de Figuras ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1: Datos climáticos y localización. 2 Figura 1.2: Configuración del sistema solar térmico. 3 Figura 1.3: Instalación con sistema prefabricado 3 Figura 1.4: Instalación con interacumulador. 4 Figura 1.5: Instalación con intercambiador independiente. 4 Figura 1.6: Instalación con intercambiador y piscina cubierta. 4 Figura 1.7: Instalación con todo centralizado 4 Figura 1.8: Instalación con acumulación centralizada y apoyo distribuido. 5 Figura 1.9: Instalación con acumulación distribuida. 5 Figura 1.10: Instalación con intercambio distribuido. 5 Figura 1.11: Demanda ACS 6 Figura 1.12: Pestaña Solar/Apoyo 7 Figura 1.13: Pestaña Otros parámetros. 7 Figura 1.14: Resultados CHEQ4 8 Figura 1.15: Cubierta del edificio 9 Figura 1.16: Edificio Ocean`s View 9 Figura 1.17: Subsistemas de la instalación solar. 10 Figura 1.18: Esquema de principio. 11 Figura 1.19: Captador solar plano. 12 Figura 1.20: Componentes del captador solar 13 Figura 1.21: Diagrama de pérdidas 14 Figura 1.22: Distribución en paralelo. 15 Figura 1.23: Distribución en serie. 15 Figura 1.24: Distribución serie-paralelo. 15 Figura 1.25: Captador solar TERMICOL P21 19 Figura 1.26: Acumulador DSCE 1500 ACU. 20 Figura 1.27: Vista frontal 20 Figura 1.28: Intercambiadores marca TERMICOL 21 Figura 1.29: Potencia del intercambiador según el área de captación. 21 Figura 1.30: Bomba de recirculación SB-100XL 22 Figura 1.31: Dimensiones del vaso de expansión 5 SMF 23 Figura 1.32: Centralita solar ExBW. 23 Figura 1.33: Dimensiones centralita solar ExBW. 24 Figura 1.34: Válvula de esfera BAXI 24 Figura 1.35: Válvula de seguridad BAXI 25 Figura 1.36: Dimensiones de la válvula de seguridad BAXI 25 Figura 1.37: Purgador de aire BAXI 26 Figura 1.38: Dimensiones purgador de aire BAXI 26 Figura 1.39: Manguito antivibratorio Codinor 26 Figura 1.40: Termómetro BAXI 27 Figura 1.41: Manómetro 27 Figura 1.42: Espesores mínimos de aislamiento. 29 Figura 1.43: Espesores mínimo de aislamiento. 29 Figura 1.44: Espesores mínimos de aislamiento. 29 Figura 2.1: Zonas climáticas en España 33 Figura 2.2: Esquema para el cálculo de Hi. 35 Figura 2.3: Curvas de congelación de dos preparados de etilenglicol y propilenglicol. 42 Figura 2.4: Calor específico de una disolución de propilenglicol, en función de la temperatura. 42 Figura 2.5: Densidad de una disolución de propilenglicol, en función de la temperatura. 43 Figura 2.6: Viscosidad de una disolución de propilenglicol, en función de la temperatura. 43 Figura 2.7: Pérdida de carga en el captador 45 Figura 2.8: Distribución de captadores 46 Figura 2.9: Diámetro para tuberías de cobre. 46 Figura 2.10: Selección de bomba de circulación 49 Figura 2.11: Espesores mínimos de aislamiento en tuberías en el interior de edificios. 51 Figura 2.12: Espesores mínimos de aislamiento en tuberías en el exterior de edificios. 51 Figura 2.13: Espesores mínimos de aislamiento en tuberías en el exterior de edificios. 51 Figura 4.1: Descomposición del presupuesto total 75 1 1 MEMORIA DESCRIPTIVA 1.1 Objeto del Proyecto Este trabajo tiene como objetivo diseñar un sistema de captación solar de baja temperatura para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) en una residencia de cuidados multidisciplinar al servicio de personas con problemas mentales, situado en la Línea de la Concepción, provincia de Cádiz. Para ello se hará un análisis de las condiciones climatológicas y de la radiación solar incidente del lugar además de un estudio sobre la demanda de consumo diario de ACS del edificio. Dicho estudio, a través del HE4 del Código Técnico, definirá el porcentaje de aportación mínimo del consumo total de ACS que la energía solar deberá cubrir. Cabe señalar que el desarrollo del presente proyecto es con fines puramente académicos, sirviendo como Trabajo de Fin de Grado de la titulación Grado en Ingeniería de la Energía. 1.2 Antecedentes Dado el marco energético actual donde nos encontramos buscamos soluciones y mejoras futuras para conseguir reducir el consumo de combustibles fósiles, aumentar la eficiencia energética y fomentar la producción de energías renovables. Ya comenzado el 2020, y con ello finalizando la primera tanda de objetivos, la Unión Europea, así como España, tienen que planificar los siguientes objetivos fijados para el 2030; al menos un 40% de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (respecto a 1990), un 32 % de producción de fuentes renovables y mejorar la eficiencia energética en un 32,5%. En España la producción de combustibles fósiles es insignificante, basando su producción fundamentalmente en energías nuclear y renovables. Aún así la energía final consumida es su mayoría derivada mayormente parte de los fósiles, siendo todos estos importados, lo que conlleva a una gran dependencia energética exterior sobre otros países. Para evitar esta dependencia, España tendrá que apostar más por sus recursos que en este caso son limpios, e inagotables, las energías renovables. Bien es sabido que España produce gran parte de su electricidad vía energía hidraúlica, abundantes recursos de viento y sol y que todo esto puede ser aprovechado a su favor y que incluso en un futuro pueda exporter energía límpia a otros países. Con ello, este proyecto se centrará en una de las partes de estos aspectos, la producción mediante nuestro recurso solar de agua caliente sanitaria. Hoy en día, el sector de la edificación, considerando el mismo como el conjunto de edificaciones residenciales, comerciales e industriales, es el consumidor principal de energía en nuestro país, cifrándose el consumo en un 40%. Dentro del consumo de energía de un edificio destacan la climatización, con un 45% del consumo, y la producción de agua corriente sanitaria, alrededor del 35%. Siendo el consumo de ACS alrededor del 5.4% de la energía final. De ahí la importancia de diseñar instalaciones energéticas eficientes y de producción de energía limpia que sustituyan las fuentes de energía convencionales derivada de la quema de combustibles fósiles. Este Proyecto explicará así las medidas adoptadas para la implantación de la instalación, que ayudará a dos objetivos fundamentals marcados para el 2030: Implementación de energías renovables y reducción del uso de combustibles fósiles. Junto a estos dos objetivos, otro nada desdeñable como el ahorro en la factura del usuario. Todo esto cobra aún más sentido si analizamos la localización del destino de la implantación. En la provincia de Cádiz, Andalucía, donde hay una gran irradiación solar a lo largo del año de aproximadamente 5.3 kWh/𝑚2*día. 1.3 Método de cálculo Para el desarrollo de este Proyecto hemos utilizado el software CHEQ4. creado por el IDAE (Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía) y la ASIT (Asociación Solar de la Industria Térmica). Las mencionadas instituciones han desarrollado este programa informático para facilitar en el sector de la energía solar térmica de baja temperatura la aplicación, cumplimiento y evaluación de la sección HE4 incluida en la MEMORIA DESCRIPTIVA exigencia básica HE Ahorro de energía del Código Técnico de la Edificación (CTE). Los equipos se desarrollarán utilizando las pertinentes normas impuestas para cada uno. Se calculará el fluido del circuito primario, aislantes, intercambiadores y bombas utilizando el RITE, se dimensionarán las tuberías con el IDAE mientras que los vasos de expansión se dimensionan utilizando la norma UNE. Tras introducir un mínimo de variables en el programa y definir la configuración del sistema, CHEQ4 dará la cobertura solar proporcionada por el sistema para la demanda de energía para ACS y piscina del edificio. Los ámbitos de utilización del HE4 según el Código Técnico de la Edificación son los siguientes: • Edificios de nueva construcción. • Edificios existentes en los que se lleve a cabo una reforma integral del propio edificio o se reforme la instalación térmica, que cuenten con una demanda de agua caliente sanitaria superior a 50 l/día. • Edificios existentes en los que se produzca un cambio de uso característico, que cuenten también con una demanda de agua caliente sanitaria superior a 50 l/día. • En ampliaciones o intervenciones en edificios existentes, que no coincidan con los casos anteriores, con una demanda inicial de ACS superior a 5000 l/día, que supongan un incremento superior al 50% de la demanda inicial. • En climatizaciones de piscinas: piscinas cubiertas nuevas, piscinas cubiertas existentes en las que se renueve la instalación térmica o piscinas descubiertas existentes que pasen a ser cubiertas. La aplicación informática CHEQ4 genera dos tipos de informe. El informe favorable acredita el cumplimiento, desde el punto de vista energético, de los requisitos establecidos en la sección HE4. El informe desfavorable hace necesario demostrar el cumplimiento de la contribución solar mínima utilizando otros métodos. 1.3.1 Localización Al entrar en el programa, nos aparecerá la ventana de localización del CHEQ, figura 1.1, los primeros datos que tendremos que meter serán la provincia y el municipio. CHEQ4 dará entonces información acerca de la radiación solar incidente horizontal mensual, así como la temperatura de red del municipio y la temperatura ambiente de la localización por mes. Figura 1.1: Datos climáticos y localización. 3 3 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla 1.3.2 Configuración En la segunda pestaña nos encontramos con la configuración para nuestro sistema solar térmico, como vemos en la figura 1.2, donde nos permite elegir entre 8 modos distintos, 4 para consumo único y 4 para consumo múltiple. De consumo único estarían las Instalaciones con sistema fabricado, figura 1.3, que son sistemas de termodifón, se debe colocar el acumulador muy próximo al captador al no tener ningún sistema para bombear ya que se mueven por convección natural. Las instalaciones con interacumulador, figura 1.4, son sistemas donde el intercambiador está situado dentro del depósito, por otro lado, los sistemas de intercambiador independiente son en los que se sitúa fuera de este, figura 1.5. El último de los sistemas de consumo único es la instalación con intercambiador y piscina cubierta, figura 1.6. En consumo múltiple también contamos con otras 4 distribuciones, la instalación con todo centralizado está compuesta por un intercambiador, un acumulador y un sistema de apoyo para toda la distribución, figura 1.7. Las instalaciones con apoyo distribuidos son iguales al anterior con la diferencia de que cuentan con múltiples apoyos distribuidos de menor potencia y de más de un intercambiador como vemos en la figura 1.8. Las instalaciones con acumulación distribuida tendrán varios interacumuladores o acumuladores con intercambiadores, figura 1.9. Por último, las instalaciones con intercambio distribuido tendrán un solo depósito y varios intercambiadores, figura 1.10. Figura 1.2: Configuración del sistema solar térmico. - Consumo único: Figura 1.3: Instalación con sistema prefabricado MEMORIA DESCRIPTIVA Figura 1.4: Instalación con interacumulador. Figura 1.5: Instalación con intercambiador independiente. Figura 1.6: Instalación con intercambiador y piscina cubierta. - Consumo múltiple: Figura 1.7: Instalación con todo centralizado 5 5 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla Figura 1.8: Instalación con acumulación centralizada y apoyo distribuido. Figura 1.9: Instalación con acumulación distribuida. Figura 1.10: Instalación con intercambio distribuido. 1.3.3 Demanda En este apartado se calculará el consumo, veáse la figura 1.11, dependiendo de si es único o múltiple. Calcularemos aquí la demanda de ACS en unidades de “litros/día” a una temperatura de 60 ªC como dicta el código técnico. En nuestro caso se hará en cálculo en base al número de personas, si fuera consumo múltiple, rellenarámos los datos según el número de viviendas y de dormitorios por vivienda. Finalmente, este epígrafe nos exigirá el factor solar mínimo a cumplir para que el sistema pueda en principio estar correcto. MEMORIA DESCRIPTIVA Figura 1.11: Demanda ACS 1.3.4 Solar/Apoyo Se precisan a continuación aquellos parámetros del captador solar, así como del sistema como se muestra en la figura 1.12. 1.3.4.1 Captadores • Marca y modelo de los captadores ofrecidos por diferentes empresas. Además de las características de los captadores que podemos encontrar en los cátalogos como los parámetros de la curva de rendimiento, el rendimiento, el área bruta entre otros. 1.3.4.2 Campo de captadores • Número de captadores totales. • Número de captadores en serie. • Pérdidas por sombra por obstáculos. • Orientación • Inclinación de captadores. • Área total. 1.3.4.3 Circuito primario/secundario • Caudal primario. • Porcentaje de anticongelante. • Longitud del circuito. • Diámetro de tuberías. • Espesor y tipo de aislante. 7 7 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla 1.3.4.4 Sistema de apoyo • Tipo de sistema de apoyo y combustible del mismo. Figura 1.12: Pestaña Solar/Apoyo 1.3.5 Otros parámetros En el siguiente epígrafe hay que rellenar los datos para el volumen de acumulación que nuestro sistema tendrá y los parámetros del sistema de distribución, figura 1.13. Figura 1.13: Pestaña Otros parámetros. MEMORIA DESCRIPTIVA c) Cámara de aire Es necesario para crear una estanqueidad. Está demostrado que a mayor estanqueidad en la cámara mayor eficiencia del captador debido a la disminución de pérdidas convectivas. d) Tubos Sus funciones son la de transportar el fluido caloportador por su interior y la de facilitar la transmisión de calor a través de ellos. Tienen un recubrimiento exterior para aumentar la absortancia, este recubrimiento suele ser superficies negras o selectivas. Los tubos suelen estar distribuidos en parrilla, así la pérdida de carga es homogénea a lo largo del captador. De este modo, el fluido entraría por un lado y saldría por su lado opuesto. Los materiales de estos conductos serán metales que faciliten la transmitancia y por lo tanto que sean buenos conductores. e) Aislamiento Cumple la función de minimizar las pérdidas de calor por el interior del captador hacia el medio ambiente. Formado por planchas de espumas sintéticas (poliuretano, fibras de vidrio, etc). f) Carcasa Contiene todos los elementos del captador, su función es principalmente de protección y sujeción. g) Juntas de estanqueidad Hechos de un material elástico, su función es mantener la estanqueidad e impedir la entrada de agua en el captador. También evita fallos mecánicos debido a incrementos de temperatura de los elementos. h) Pérdidas Podemos ver como en la figura 1.21 la distribución de pérdidas en el captador. La podemos dividir en dos grupos: Pérdidas ópticas: Pérdidas por reflectividad en la cubierta, sobre el 4-6 %, dependiendo del tipo de material. Pérdidas térmicas: Aproximadamente el 80 % de las pérdidas térmicas se producen en la parte anterior de la cubierta, la cara del vidrio expuesta al ambiente, el resto en la cara posterior por los laterales y el aislamiento. De toda la radiación recibida, aprovechamos sobre el 60%. Figura 1.21: Diagrama de pérdidas 15 15 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla 1.5.2.4 Agrupación de captadores Los captadores se pueden distribuir de tres maneras diferentes. En paralelo, en serie o en sere-paralelo. Siempre que se pueda se distribuirán en filas con el mismo número de captadores y se asegurarán distribuyendo vávulas al inicio y final de cada captador y de las bombas por condiciones de mantenimiento y seguridad. Cuando se distribuyan en serie tendremos menor caudal y una temperatura de fluido a la salida del grupo de captadores mucho mayor, esta segunda condición perjudica el rendimiento de los sucesivos captadores ya que la temperatura a cada captador es mayor que la anterior. Por esto, no estará permitido instalar más de 10 𝑚2 de captadores en serie, a no ser, que se justifique para el proceso en cuestión y siguiendo siempre las condiciones descritas en el HE4 del Codigo de la Edificación. En la distribución en paralelo el rendimiento de cada captador se mantiene casi constante, las temperaturas de entrada y salida apenas varían de un captador a otro, pero necesitaremos bombas de mayor potencia para mover el agua. Finalmente, la conexión mixta (serie-paralelo) que permite buenos rendimientos a la vez que uniformiza el caudal necesario. Figura 1.22: Distribución en paralelo. Figura 1.23: Distribución en serie. Figura 1.24: Distribución serie-paralelo. MEMORIA DESCRIPTIVA 1.5.3 Orientación La orientación e inclinación del sistema de captación y las posibles sombras sobre el mismo serán tales que las pérdidas respecto al óptimo no superarán ciertos límites. Se considerarán tres casos: general, superposición e integración arquitectónica. Se tendrá que cumplir por lo tanto las especificaciones de orientación, inclinación y pérdidas por sombreado para los casos en cuestión. Tomando como orientación óptima la dirección Sur, mientras que la inclinación óptima dependerá del periodo de utilización. -Si el consumo es anual utilizaremos la latitud geográfica. -Si el consumo preferente es invierno: latitud + 10º. -Si el consumo preferente es invierno: latitud - 10º. 1.5.4 Acumulación Cuando estudiamos conjuntamente la demanda de agua caliente junto con la irradiación, observamos que las curvas no se asemejan, sino que más bien, suelen ser muy distintas. Este problema hace que no tengamos la energía demandada cuando se requiera y como resultado, no la podemos aprovechar. De ahí que tengamos un sistema de almacenamiento para poder satisfacer la demanda en sus picos y poder acumular la energía solar cuando no se demanda. Los depósitos podrán ser interacumuladores o acumuladores dependiendo de si contienen el intercambiador en su interior o no. Preferentemente su configuración será vertical y se ubicarán en zonas interiores. No se deberán de situar debajo de los captadores ya que afectaría al rendimiento del sistema. Cuando dimensionamos el depósito, a más 𝑚3 de acumulador menos temperatura de fluido a la entrada del captador tendremos y mayor rendimiento de captación. Esto puede suponer que no lleguemos a la temperatura requerida. Y, por el contrario, si disponemos de un depósito pequeño, puede ser que desperdiciemos parte de la energía captada. Por ello, tenemos que hacer un buen dimensionado de la relación entre el volumen del acumulador y el área de captación. Esta relación variará según la localización de la región. Hay ciertos requerimientos al elegir un tipo de acumulador u otro. Los acumuladores deberán venir con protecciones, recubrimiento de aislante, protecciones catódicas y anticorrosivas, etc. Ante todas estas especificaciones encontramos una serie de depósitos que cumplen con dichas características (acero vitrificado, aceros con tratamiento epoxidico, aceros inoxidables, cobre, etc). 1.5.5 Equipos 1.5.5.1 Intercambiador de calor Un intercambiador de calor es un aparato cuyo objetivo es transferir calor de un medio a otro. Es un elemento esencial en los sistemas ACS ya que tenemos dos circuitos separados, el circuito primario y el secundario. El circuito primario es aquel conectado con el captador solar. Es un circuito cerrado para impedir la entrada de la cal y del oxígeno, un elemento corrosivo que empeoraría la vida útil de nuestro captador. El fluido que circula dentro de esta parte del sistema es mayormente agua a la que se le añade un líquido anticongelante. Por el contrario, el circuito secundario si es un sistema abierto y es por donde entra el agua fría de red hacia el intercambiador para posteriormente, este fluido ya calentado, dirigirse desde el intercambiador al depósito. Para sistemas ACS encontramos diversos tipos de intercambiadores: • Tubulares: Constan de un haz tubular por el que pasa el agua caliente del primario, está dentro de una carcasa que contiene el agua del secundario para ser calentada. Este equipo que también es conocido como “de serpentín”, se pueden colocar dentro del depósito de acumulación. Generalmente el material utilizado para estos equipos es acero inoxidable. • Placas: Son lo más comunes para las aplicaciones ACS. Compuesto por un conjunto de placas y juntas. Los fluidos son conducidos mediante las juntas hacia las placas, donde sucede el intercambio de calor entre los circuitos primario y secundario. 17 17 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla • De haz de tubos y carcasa: Se le denominan comúnmente como intercambiadores de tubo. Constan de dos flujos, uno flujo que circula por el interior de los tubos y otro exterior a los tubos por dentro de la carcasa. El fluido que circula a través de los tubos está a presiones mayores gracias a que los tubos muestran mayor resistencia para soportar presiones que la carcasa. Además, para beneficiar la transmisión de calor, la carcasa consta de unos deflectores para desviar el flujo. • Interacumulador de doble envolvente: Formado por dos depósitos, el fluido del circuito primario circula por el depósito exterior calentando al fluido que atraviesa el depósito interior. 1.5.6 Sistema auxiliar Para evitar situaciones de desabastecimiento en la demanda, en momentos en los que no hay radiación solar y el sistema de acumulación no puede aportar la energía requerida para calentar el agua, se dispone de un sistema auxiliar. Un sistema cuyo aporte viene de energías puramente convencionales. El Código Técnico HE4 dice que tiene que existir siempre y que la potencia calculada debe abastecer la demanda como si no existiría la instalación solar. En nuestro caso, el sistema de apoyo es una caldera de gas natural. 1.5.7 Sistema hidraúlico El sistema hidraúlico está formado por el conjunto de tuberías, bombas de circulación del fluido, los vasos de expansión y las purgas de aire. Las tuberías estarán hechas de cobre o de acero inoxidable. El fluido que pasa por el circuito primario es una mezcla de agua más refrigerante. 1.5.7.1 Tuberías En la selección de las tuberías habrá que tener en cuenta que el material no produzca reaaciones con el fluido que afecten al rendimiento del sistema. Los materiales de los que estarán hechas serán cobre o aceros inoxidables. Las tuberías tienen que ser capaces de soportar las condiciones de presión y temperatura. Para evitar pérdidas, las longitudes de tuberías tienen que ser las más cortas posibles evitando cuando se pueda los codos y las pérdidas de cargas. 1.5.7.2 Vasos de expansión Los vasos de expansión son un elemento de seguridad imprescindible en instalaciones de ACS de circuito cerrado. Su función es absorber los aumentos de presión del agua que se generan cuando la temperatura del agua aumenta compensando las variaciones de volumen. Cuando el sistema se calienta, una parte del fluido entra en el vaso de expansión. Al enfriarse, retorno al circuito. Regulando así la presió en el circuito e impidiendo de este modo la entrada de aire en el enfriamiento del circuito. Los vasos de expansión estarán hechos de un material que aguante las características fluido caloportador. Los vasos de expansión se colocarán preferentemente en la aspiración de la bomba. Son necesarias para absorber dilataciones que son alrededor del 4-6 % del volumen de la instalación. Hay que colocarlas en todos los circuitos cerrados. 1.5.7.3 Bombas de circulación En las instalaciones de ACS se emplean bombas en el circuito primario para transferir el calor desde el circuito de calderas hasta el de agua de consumo; bombas de secundario cuando la producción se realiza por acumulación con intercambiadores externos, y bombas de recirculación para la circulación del agua por todo el edificio. El circuito primario es un circuito cerrado en el cual el agua tiene muy poca agresividad, ya que tras las primeras purgas se le elimina el oxígeno disuelto y habitualmente es un circuito que solo recibe agua nueva en las reparaciones o reposiciones de fugas. Sin embargo, los circuitos secundarios y de recirculación son circuitos abiertos, en los que se está recibiendo de manera continua agua de consumo, la cual es mucho más agresiva con los materiales constitutivos de las MEMORIA DESCRIPTIVA instalaciones, además los materiales en contacto con esa agua no deben modificar su potabilidad. Siempre que sea posible, las bombas en línea se mantendrán en las zonas más frías del circuito, teniendo en cuenta que no se produzca ningún tipo de cavitación. 1.5.7.4 Purga de aire Es un equipo cuya función es la eliminación del aire de las tuberías, normalmente a la salida del grupo de captación y en los puntos donde pueda quedar aire acumulado. Esta eliminación del aire se hace para evitar ensuciamientos, pérdidas de carga, etc. Los sistemas que contegan purga de aire se colocarán de manera que estos no se puedan helar. 1.5.7.5 Sistema de control Nuestro sistema de control se encarga del correcto funcionamiento de la instalación. Consta de unas serie de termostatos y manómetros para ello. Los termostatos que envían las sañales a nuestro sistema de control están ubicados uno a la salida del captador en el circuito primario y otro a la salida del depósito mas cercano al circuito primario. Dependiendo de la diferencia de temperatura de estos puntos, la bomba funcionará o no. Los manómetros se colocarán con las bombas de recirculación midiendo las presiones a la entrada y salida, enviando señales para su correcto funcionamiento. Al ser bombas en paralelo, el sistema de control alternará su uso y además, en caso de fallo, podrá inutilizar aquella para su mantenimiento o por caso de avería. 1.6 Características técnicas 1.6.1 Captador solar Los captadores empleados para el presente proyecto son de la empresa TERMICOL y el modelo es el P21 en Vertical, un captador ultraselectivo con absorbedor de parrilla. Características del captador: − Longitud (mm): 2100 − Anchura (mm): 1095 − Espesor (mm): 100 − Área bruta (Área de marco más vidrio) (𝑚2): 2.29 − Área útil (Área del vidrio) (𝑚2): 2.01 − Peso en vacío (kg): 38 − Capacidad de fluido (litros): 1.2 − Potencia pico (Wp): 1569 − Marco: Aluminio − Cubierta (mm): Vídria templado de 3.2 − Aislamiento (mm): Lana de vidrio de 50 − Presión máxima de funcionamiento (bar): 8 − Para un caudal de 0.025 kg/s tenemos una pérdida de carga de 288 Pa. 19 19 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla Figura 1.25: Captador solar TERMICOL P21 Parámetros de la curva característica: − Factor óptico: 0.685 (Según la temperatura media) − Caudal de ensayo: 0.02 (kg/S*𝑚2) − Coeficiente de pérdidas K1: 3.15 (W/𝑚2* 𝐾) − Coeficiente de pérdidas K2: 0.006 (W/𝑚2*𝐾2) − Modificador de ángulo de incidencia: 𝐾50: 0.92 1.6.2 Acumulador Los acumuladores elegidos son los depósitos DSCE 1500 ACU de la empresa Inerox. Características técnicas DSCE 1500 ACU: − Altura (mm): 2400 − Diámetro exterior (mm): 1100 − Peso en vacío (kg): 285 − Material: Acero al carbono S235JR − Capacidad (litros): 1500 − Número de unidades: 2 − Temperatura máxima de trabajo (ºC): 85 − Presión máxima de diseño (bar): 8 − Presión de circuito caliente (bar): 25 − Montaje: Vertical y en suelo. − Aislamiento: 80 mm de lana mineral. − Protector a la corrosión en ánodo: Magnesio MEMORIA DESCRIPTIVA − Recubrimiento: Recubrimiento sanitario con resinas inertes Blue tech. − Tratamiento exterior: Pintura antioxidante. Figura 1.26: Acumulador DSCE 1500 ACU. Figura 1.27: Vista frontal 1.6.3 Intercambiador de calor El intercambiador será de placas termosoldados LA34-20-3/4” para ACS de la marca TERMICOL. − Temperatura de entrada de fluido primario: 60 ºC − Temperatura de salida de fluido secundario: 50 ºC − Superficie de intercambio: 0.68 𝑚2 21 21 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla − Número de placas: 20 − Volumen de canal: 1.08 𝑑𝑚3 − Peso: 4.1 kg − Material de placas y conexiones: Acero inoxidable − Material de las uniones: Cobre − Fluido de trabajo de primario: propylenglicol 30 % − Fluido de trabajo de secundario: agua − Temperatura mínima: -195 ºC − Temperatura máxima: 230 ºC − Presión máxima: 3 MPa − Pérdida de carga máxima: 30 KPa − Caudal de diseño primario: 1920 l/h − Caudal de diseño secundario: 1920 l/h Figura 1.28: Intercambiadores marca TERMICOL Figura 1.29: Potencia del intercambiador según el área de captación. MEMORIA DESCRIPTIVA 1.6.4 Bomba de circulación Las bombas de circulación del circuito primario como del secundario son de la empresa BAXI, modelo SB- 100XL. Con motor de rotor sumergido y una conexión directa a las tuberías mediante racores. − Presión máxima de diseño (bar): 10 − Temperatura máxima de diseño (ºC): 65 − Caudal máximo (𝑚3/h): 3 − Peso (kg): 2 − Potencia absorbida (W): 167 − Tensión monofásica: 230 V − Para caudal de 2.5 𝑚3/ℎ a velocidad media, el gradiente de presión equivalente es 3.5 m.c.a. Figura 1.30: Bomba de recirculación SB-100XL 1.6.5 Vaso de expansion El vaso de epansión cerrado elegigo es de la empresa Ibaiondo, modelo 5 SMF. − Capacidad: 5 litros − Peso: 2 kg − Presión máxima: 10 bar − Dimensiones: Diámetro 200 mm y Altura 250 − Conexión agua (R): 3/4" − Aguanta picos de temperatura de 130 ºC durante una hora − Temperatura: Entre -10 ºC y 100 ºC − Aptos para usos de hasta 50 % de anticongelante − Pintura epoxi blanca − Precarga de aire: 2.5 bar 23 23 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla Figura 1.31: Dimensiones del vaso de expansión 5 SMF 1.6.6 Centralita de regulación Centralita solar de la empresa Roth, modelo ExBW. − Entradas: 4 sondas de temperatura Pt1000 y 1 sensor Grundfos Direct Sensor. − Salidas: 1 relé semiconductor y 1 salida PWM. − Frecuencia PWM: 512 Hz − Voltaje PWM: 10,5 V − Alimentación: 100-240 V (entre 50 y 60 Hz) − Tipo de conexión: Estrella − Consumo en modo espera: Inferior a 1 W − Funciones: control de funcionamiento, contador de horas para la bomba solar, control de velocidad y contador de energía. − Carcasa: de plástico, PC-ABS y PMMA. − Montaje: sobre pared o cuadro de conexiones. − Temperatura ambiente: 0-40 ºC − Índice de contaminación: 2 − Dimensiones: 172*110*46 mm Figura 1.32: Centralita solar ExBW. MEMORIA DESCRIPTIVA dimensionado de los sistemas de expansión seguirá los criterios indicados en la norma UNE 100155. − IT 1.3.4.4.3 Accesibilidad Para favorecer la limpieza, mantenimiento y reparación de los equipos y aparatos, se deberán de situar en espacios que faciliten su acceso. Los elementos de medida, control, protección y maniobra se deben instalar en lugares visibles y fácilmente accesibles. Para aquellos equipos o aparatos que deban quedar ocultos se preverá un acceso fácil. La situación exacta de estos elementos de acceso y de los mismos aparatos deberá quedar reflejada en los planos finales de la instalación. − IT 1.3.4.4.4 Señalización Se dispondrá un plano con el esquema de principio de la instalación que deberá estar situado en la sala de máquinas y enmarcado en un cuadro de protección. Todas las instrucciones de seguridad, de manejo y maniobra y de funcionamiento, según el «Manual de Uso y Mantenimiento», deben estar situadas en lugar visible, en sala de máquinas y locales técnicos. − IT 1.3.4.4.5 Medición Todas las instalaciones térmicas deben disponer de la instrumentación de medida suficiente para la supervisión de todas las magnitudes y valores de los parámetros que intervienen de forma fundamental en el funcionamiento de los mismos. Para favorecer su lectura y mantenimiento, los aparatos de medida se situarán en lugares visibles y fácilmente accesibles. La lectura debe de efectuarse sin esfuerzo. Antes y después de cada proceso que lleve implícita la variación de una magnitud física debe haber la posibilidad de efectuar su medición, situando instrumentos permanentes, de lectura continua, o mediante instrumentos portátiles. • IT 2.3: Ajuste y equilibrado − IT 2.3.3 Sistemas de distribución de agua La empresa instaladora será la encargada de realizar y documenta los procedimientos tanto de ajuste como los de equilibrado de los sistemas de distribución de agua. − IT 2.3.4 Control Se ajustarán los parámetros del sistema de control automático a los valores de diseño especificados en el proyecto o memoria técnica y se comprobará el funcionamiento de los componentes que configuran el sistema de control. 1.8 BIBLIOGRAFÍA [1] IDAE, "Pliego de condiciones técnicas de instalaciones de baja temperatura", Enero 2009. [2] IDAE, "Guía técnica de Agua caliente sanitaria central", 2010. [3] https://termicol.es [4] http://www.aemet.es [5] Inerox.com [6] baxi.es [7] ibaiondo.com 31 31 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla [8] roth.com [9] Norma UNE 94003: Datos climáticos para el dimensionado de las instalaciones solares térmicas. [10] Norma UNE 94002: Instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente sanitaria: cálculo de la demanda de la energía térmica. [11] AEONOR Norma UNE 100-155 “Diseño y cálculo de sistemas de expansión” 2004. [12] Apuntes de la asignatura "Energía solar en la Edificación". G.I.E Universidad de Sevilla 33 2 MEMORIA DE CÁLCULO 2.1 Introducción En este apartado, se explicarán los cálculos hechos a la hora de diseñar nuestro Sistema de agua caliente sanitaria para el edificio Ocean’s view situado en La linea de la Concepción. Para ello se han seguido los parámetros adoptados por la norma Española. 2.2 Datos de partida 2.2.1 Datos geográficos y climáticos Los parámetros iniacialmente obtenidos del complejo Ocean’s view se recogen en Tabla 2.1: Localidad La linea de la concepción (Cádiz) Altura sobre el nivel del mar (m) 10 Altitud 36.9 Longitud -5.35 Orientación Sur-Oeste Zona climática V Tabla 1: Datos geográficos y climáticos En España se diferencian hasta 5 tipos diferentes de regions climáticas como se aprecia en la figura 2.1, siendo la I en la que menos irradiación llega y la region V en la que más, como es en nuestro caso. En cada localidad habrá una irradiación diferente que, según esta y la demanda del edificio, se nos requerirá diseñar un Sistema con una menor o mayor fracción solar. La fracción solar (f) es el porcentaje de demanda cubierta, que deberá de ser mayor cuanto mayor es la demanda y cuanto mayor sea la radiación incidente. Figura 2.1: Zonas climáticas en España MEMORIA DE CÁLCULO 34 2.2.2 Cálculo de la radiación incidente Para poder calcular la fracción solar cubierta (f) necesitamos de algunos valores como la inclinación de nuestros paneles, en este caso β=35º y la radiación incidente sobre nuestros captadores. Para ello se precisa de la herramienta de cálculo CHEQ4, que está basada en los datos climáticos aportados por la normativa española. El software nos facilita los valores mensuales de radiación horizontal total, esta se divide en dos componentes, radiación directa y radiación difusa. MES IRRADIACIÓN GLOBAL HORIZONTAL MEDIA MENSUAL (MJ/ 𝑚2) Tº AMBIENTE (ºC) ENERO 10 12.7 FEBRERO 13.4 13.4 MARZO 18.1 14.6 ABRIL 22.9 16.1 MAYO 26.2 18.6 JUNIO 28.4 21.4 JULIO 28.7 23.9 AGOSTO 25.6 24.4 SEPTIEMBRE 20.9 23.4 OCTUBRE 14.9 20 NOVIEMBRE 10.7 16 DICIEMBRE 8.6 13.2 Tabla 2: Irradiación global horizontal media mensual La radiación directa es aquella componente de la radiación solar recibida sin modificar su dirección al atravesar la atmósfera terrestre. Su dirección varía en función de la localidad geográfica y de la época del año. Por el contrario, la radiación difusa corresponde a la componente de radiación que se recibe después de modificar su dirección al atravesar la atmósfera. Debido a que los valores que recibimos son valores para una superficie horizontal, estoes que β=0º. Tenemos que calcular el valor de la irradiancia que incide sobre nuestro captador, en este caso β=35º, dicho cálculo se realizará en el siguiente apartado. 35 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla 2.2.3 Descomposición de la radiación solar Para poder hacer nuestro cálculo vamos a seguir el esquema a continuación. Figura 2.2: Esquema para el cálculo de 𝐻𝑖. Donde: − H: Radiación solar global horizontal media mensual (MJ/𝑚2*día). − 𝐻𝐷: Radiación solar directa horizontal media mensual (MJ/𝑚2*día). − 𝐻𝑑: Radiación solar difusa horizontal media mensual (MJ/𝑚2*día). Para poder sacar las componentes directas y difusas necesitamos utilizar el índice de claridad mensual (𝐾𝑇), que será el cociente entre H y 𝐻𝑂. 𝐾𝑇=𝐻 𝐻𝑂 𝐻𝑂=24∗3600 𝜋∗𝐺𝐶𝑆 ∗(1+0.033∗cos(360∗𝑛 365 ))∗(𝜋∗𝜔𝑆 180 ∗𝑠𝑒𝑛𝛿∗𝑠𝑒𝑛∅+𝑐𝑜𝑠𝛿∗𝑐𝑜𝑠∅∗𝑠𝑖𝑛𝜔𝑆) Las variables de la ecuación que precede son: − 𝐻𝑂: Radiación solar extraterrestre horizontal media mensual (MJ/𝑚2*día). − 𝐺𝐶𝑆: Constante solar. − 𝑛: día del año. − 𝜔𝑆: Ángulo horario. Se calcula como: 𝜔𝑆=𝑐𝑜𝑠−1(−𝑡𝑎𝑛∅∗𝑡𝑎𝑛𝛿) − 𝛿: Declinación. Es el ángulo que forma la línea que une el centro de la Tierra y el centro del Sol con el plano del ecuador celeste. −23.45º < 𝛿 < 23.45º Se rige por la Ec. de Cooper: 𝛿 =23.45∗𝑠𝑒𝑛(360∗284+𝑛 365 ) MEMORIA DE CÁLCULO 36 − ∅: Latitud. Para esta aplicación será la del edificio. Una vez que hemos obtenido 𝐾𝑇 podemos calcular 𝐻𝑑 mediante las siguientes ecuaciones que dependerán del periodo del año en el que nos encontramos. - Para el caso de verano, primavera y otoño. 𝜔𝑆> 81.4º 𝐻𝑑 𝐻=1.311−3.022∗𝐾𝑇+3.427∗𝐾𝑇2−1.821∗𝐾𝑇3 - Para el caso de invierno. 𝜔𝑆< 81.4º 𝐻𝑑 𝐻=1.391−3.560∗𝐾𝑇+4.189∗𝐾𝑇2−2.137∗𝐾𝑇3 Con estos valores de radiación directa y difusa podemos ya finalizar con nuestro cálculo, de manera que: 𝐻𝐼=𝑅𝐷𝐻𝐷+1+𝑐𝑜𝑠𝛽 2𝐻𝑑+1−𝑐𝑜𝑠𝛽 2𝐻𝜌𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 Donde 𝑅𝐷 es: 𝑅𝐷=cos(∅−𝛽)cos(𝛿)𝑠𝑒𝑛(𝜔′𝑠)+𝜋∗𝜔′𝑠 180 ∗sin(∅−𝛽)sin(𝛿) cos(∅)cos(𝛿)sin(𝜔𝑠)+𝜋∗𝜔𝑠 180 ∗sin(∅)sin(𝛿) 𝜔′𝑠=min {𝑐𝑜𝑠−1(−𝑡𝑎𝑛∅∗𝑡𝑎𝑛𝛿),𝑐𝑜𝑠−1(−tan(∅−𝛽)∗𝑡𝑎𝑛𝛿)} MES IRRADIACIÓN GLOBAL INCLINADA MEDIA MENSUAL ( 𝑴𝑱/𝒎𝟐) ENERO 16.688 FEBRERO 19.277 MARZO 21.772 ABRIL 23.469 MAYO 23.881 JUNIO 24.517 JULIO 25.335 AGOSTO 24.967 SEPTIEMBRE 23.746 OCTUBRE 19.980 NOVIEMBRE 17.110 DICIEMBRE 14.730 Tabla 3: Irradiación global inclinada media mensual. 37 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla Supondremos un valor típico de reflectividad del suelo: 𝜌𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 =0.2 Resolviendo como es debido utilizando las ecuaciones previas, obtendremos para nuestro caso una tabla de datos como la tabla 3. 2.3 Cálculo de la demanda 2.3.1 Cálculo del consumo de agua Criterio de demanda Litros/día*unidad unidad Vivienda 28 Por persona Hospitales y clínicas 55 Por persona Ambulatorio y centro de salud 41 Por persona Hotel ***** 69 Por persona Hotel **** 55 Por persona Hotel *** 41 Por persona Hotel/hostal ** 34 Por persona Camping 21 Por persona Hostal/pensión * 28 Por persona Residencia 41 Por persona Centro penitenciario 28 Por persona Albergue 24 Por persona Vestuarios/Duchas colectivas 21 Por persona Escuela sin ducha 4 Por persona Escuela con ducha 21 Por persona Cuarteles 28 Por persona Fábricas y talleres 21 Por persona Oficinas 2 Por persona Gimnasios 21 Por persona Restaurantes 8 Por persona Cafeterías 1 Por persona Tabla 4: Demanda de referencia a 60 ºC MEMORIA DE CÁLCULO 38 Para el consumo de agua caliente diario, vienen dados unos valores en la sección HE4 del Código técnico de la Edificación y en la Norma UNE 94002:2005, dichos valores están asociados a una temperatura de referencia de agua caliente, que es de 60ºC para el CTE y 45º para la Norma UNE. Nosotros seguiremos las especificaciones del CTE. Los consumos unitarios de agua caliente según el HE4-CTE vienen recogidos en la tabla 4. Nos ofrece los valores de demanda en (Litros/día*persona) según el tipo de edificio. 𝑀𝐴𝐶𝑆 =𝐷𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 ∗𝑛𝑝𝑒𝑟𝑠 - 𝐷𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎: Demanda unitaria de referencia a 60ºC (Litros/día*persona). - 𝑛𝑝𝑒𝑟𝑠: Número de personas. 𝑀𝐴𝐶𝑆 =41 𝐿 𝑑í𝑎∗𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎∗52 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠=2132 𝐿 𝑑í𝑎 2.3.2 Demanda de ACS La demanda de agua caliente para higiene personal y otros usos como lavandería o cocina en (J/mes) viene dada: 𝐿𝐴𝐶𝑆 =𝑀𝐴𝐶𝑆 ∗𝜌∗𝐶𝑃∗(𝑇𝑎𝑐 −𝑇𝑎𝑓)∗𝑁 - 𝐿𝐴𝐶𝑆: Demanda ACS (J/mes) - 𝑀𝐴𝐶𝑆: Consumo de agua caliente (litros/día) - 𝜌: Densidad del agua - 𝐶𝑃: Calor específico del agua (4190 J/kg*ºC) - 𝑇𝑎𝑐: Temperatura agua caliente (ºC) - 𝑇𝑎𝑓: Temperatura agua fría (ºC) - 𝑁: Número de días del mes (día/mes) MES Demanda ACS (MJ/mes) Tº agua fría de red (ºC) ENERO 13.29 12 FEBRERO 12.01 12 MARZO 13.02 13 ABRIL 12.33 14 MAYO 12.18 16 JUNIO 11.26 18 JULIO 11.35 19 AGOSTO 11.08 20 SEPTIEMBRE 10.99 19 OCTUBRE 11.91 17 NOVIEMBRE 12.33 14 DICIEMBRE 13.29 12 Tabla 5: Demanda mensual ACS 39 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla 2.4 Cálculo de la superficie de captación 2.4.1 Determinación del porcentaje de demanda cubierta El primer parámetro a calcular para el diseño de nuestro sistema de captación es el la fracción de demanda cubierta anual de la instalación solar (f). Este parámetro viene definido por la siguiente relación: 𝑓 = 𝑄𝑇 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 Siendo: 𝑄𝑇: Energía solar útil captada (J/mes) Demanda: Demanda térmica (J/mes) Según el Código Técnico de la edificación en la sección HE-4, el porcentaje de demanda cubierta dependerá de dos parámetros; la zona climática en la que se encuentre y la demanda de ACS del edificio a la temperatura de 60 ºC. Demanda total de ACS del edificio (l/d) a 60ºC Zona climática I II III IV V 50-5.000 30 30 40 50 60 5.000-10.000 30 40 50 60 70 >10.000 30 50 60 70 70 Tabla 6: Fracción mínima de demanda cubierta anual Para saber en qué zona climática nos encontramos hacemos uso de la Norma UNE:94003:2007 que recoge que la ciudad de La Línea de la Concepción se situa en zona V. La demanda de nuestro edificio está entre 50 y 5000 litros/día y por lo tanto, debemos cumplir con una fracción de demanda anual del 60%. Mediante el uso del CHEQ4, obtenemos distintos valores de f que variará según el area de captación de nuestro sistema y que viene definido por diversos valores que se recogen en las pestañas de CHEQ4 de demanda y solar apoyo, figuras 1.11 y 1.12 respectivamente. Cubrimos la demanda con diverso número de captadores y obtenemos el valor de f para cada uno manteniendo una fila de captadores en serie, 𝑁𝑆=1, y el volumen en litros/𝑚2 constante. Con estos parámetros obtenemos los valores de la tabla 7. 𝐴=32.06 (𝑚) 𝑁𝑆=1 𝑉 =75 ( 𝑙 𝑚2) Número de captadores 12 13 14 15 16 f 0.57 0.61 0.65 0.69 0.73 Tabla 7: Porcentaje de demanda cubierta según el número de captadores Para poder cumplir con la fracción de demanda mínima impuesta de 60 % fijada anteriormente para nuestro edificio necesitamos de 14 captadores, siendo el área total de 32.06 metros. MEMORIA DE CÁLCULO 46 El caudal que circula por cada captador es conocido, con ello, elegimos el diámetro interior que circulará por las tuberías, en nuestro caso, el material elegido es el cobre. El dimensionado de las tuberías deberá de cumplir los requisitos anteriormente expuestos. En la figura 2.8 podemos ver los diferentes tramos que componen el circuito. El tramo 0-1 corresponde a la longitud de la tubería que empieza a la salida de la bomba hasta el principio del tramo 1, mientras que el tramo 3-4, corresponde al tramo que llega a la entrada de la bomba desde el tramo 4. Figura 2.8: Distribución de captadores Tramo Longitud (m) Caudal (l/h) Dint (mm) Velocidad (m/s) Punit (mmca/m) 1 7.1 1154.16 26 0.604 21.34 2 5.85 1154.16 26 0.604 21.34 3 1.6 1154.16 26 0.604 21.34 0-1 20.7 1154.16 26 0.604 21.34 3-4 23.3 1154.16 26 0.604 21.34 Tabla 11: Dimensionado de tuberías Comprobamos en la tabla 2.11 el correcto cumplimiento de los requerimientosde velocidad y de pérdida de carga. Para el cálculo de tuberías se ha utilizado la siguiente ecuación: 𝐷 =𝑗∗𝑄^0.35 Donde: − j = Constante que vale 2.2 para tuberías metálicas y 2.4 para tuberías plásticas. − Q = Caudal (m^3/h) 𝐷 =2.2∗1.1540.35 =2.31 𝑐𝑚=23.1 𝑚𝑚 Por lo tanto, las tuberías serán de cobre con diámetros interiores de 26 mm y diámetros exteriores de 28 mm, diámetros elegidos según la figura 2.9. Figura 2.9: Diámetro para tuberías de cobre. En cuanto a la pérdida de carga del circuito debido a las tuberías, es tal que: ℎ𝑇𝑈𝐵 =12.25 𝐾𝑃𝑎 47 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla 2.6.5 Pérdida de cargas en accesorios Se calculará a continuación las pérdidas de carga del circuito primario debido a los diversos accesorios que constituyen la instalación hidraúlica. Para ello contamos con la tabla 2.12, donde muestra las longitudes equivalentes de los diversos equipos. Diámetros de las tuberías (") 3/8 1/2 3/4 1 1+1/4 1+1/2 2 Diámetros de las tuberías (mm) 10 15 20 25 32 40 50 Manguito de unión 0 0 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Codo 90º 0.38 0.5 0.63 0.76 1.01 1.32 1.71 Curva 90º 0.18 0.33 0.45 0.6 0.84 0.96 1.27 Válvula de retención 0.2 0.3 0.55 0.75 1.15 1.5 1.9 Válvula esférica 4.05 4.95 6.25 8.25 10.8 13 17 Válvula de compuerta abierta 0.14 0.18 0.21 0.26 0.36 0.44 0.55 Tabla 12: Longitudes equivalentes de accesorios de tuberías de cobre De esta manera, se ha calculado en la tabla 2.13 las pérdidas de carga de los accesorios en cada tramo del circuito primario. Esta pérdida de carga se ha calculado en función de la velocidad, viscosidad del fluido, diámetro de la tubería y de las longitudes equivalentes de los accesorios. Tramos Accesorios f L (m) h (m.c.a) 1 1 Valv.esf, 3 codos 0.03 10.53 0.202 2 2 Valv.esf, 4 codos 0.03 19.54 0.376 3 1 Valv.esf, 3 codos 0.03 10.53 0.202 0-1 2 Valv.esf, 6 codos 0.03 21.06 0.405 3-4 2 Valv.esf, 6 codos 0.03 21.06 0.405 Tabla 13: Pérdida de carga de accesorios por tramos Finalmente, la pérdida de carga de los accesorios es ℎ𝑎𝑐𝑐 =1.59 𝑚.𝑐.𝑎 =15.59 𝐾𝑃𝑎. 2.7 Dimensionado del equipo de intercambio Para transmitir la energía térmica del circuito primario al secundario podemos disponer de interacumuladores (depósito más intercambiador) o de intercambiadores de calor. En nuestro caso utilizamos un intercambiador, podemos calculary la potencia minima de diseño en función del área de captación como: 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐 ≥500∗𝐴𝐶𝐴𝑃𝑇 − 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐: Potencia del intercambiador (W). − 𝐴𝐶𝐴𝑃𝑇: Área total de captación, 32.06 (𝑚2). 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐 ≥16 𝑘𝑊 El intercambiador se diseña para que transfiera cierto valor mínimo de temperature que deberá de cumplir los requisites escritos en el RITE. 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐 =𝑀𝑝𝑟𝑖𝑚 ∗𝐶𝑃∗∆𝑇 − 𝑀𝑝𝑟𝑖𝑚: Caudal másico que circula por el circuito primario (kg/s). − 𝐶𝑃: Calor específico del fluido que circula por el circuito primario. Siendo 𝐶𝑃=4.313 𝐾𝐽 𝐾∗𝑘𝑔 − 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐: Elegimos una potencia mayor a la necesaria según el modelo que elijamos. 24≥0.327∗4.313∗∆𝑇 MEMORIA DE CÁLCULO 48 ∆𝑇 ≤17.01 El intercambiador seleccionado es el 702PTACS020 de la marca TERMICOL, que trabaja entre 16 y 24 kW de potencia de transferencia y es apto hasta para áreas de captación de 48 𝑚2, en nuestro caso cumple ya que es, 32.01 𝑚2. Los caudales del primario y secundario se diseñan para que sean iguales. Para el salto máximo en el secundario, 15 ºC, el intercambiador seleccionado y el Cp del agua, nos da: 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐 (kW) 𝐺𝑝𝑟𝑖𝑚 (l/h) 𝐶𝑝𝑝𝑟𝑖𝑚 ∆𝑇𝑝𝑟𝑖𝑚 𝐺𝑠𝑒𝑐 (l/h) 𝐶𝑝𝑠𝑒𝑐 ∆𝑇𝑠𝑒𝑐 20.5 1154 4.313 14.53 1154 4.18 15 Tabla 14: Condiciones de operación del intercambiador El intercambiador tiene una potencia de 24 kW pero para el salto térmico máximo que necesitamos (15ºC), nos vale con que trabaje a 20.5 kW. Con estos datos procedemos a calcular la pérdida de carga del intercambiador. Para ello nos ayudamos de la siguiente ecuación: ℎ𝑖𝑛𝑡 =𝑘∗𝑄2 Donde: − ℎ𝑖𝑛𝑡: Pérdida de carga del intercambiador. − 𝑘: Constante de pérdidas. Se calcula con los datos del fabricante. − 𝑄: Caudal que atraviesa la tubería. Lo primero es hayar la constante de pérdidas. El fabricante nos informa de que ete intercambiador tiene como máximo una pérdida de carga de 30 KPa, o lo que es lo mismo, 3.06 m.c.a, para un caudal de 1920 l/h, dicho caudal es distinto al nuestro y por lo tanto, también lo será nuestra pérdida de carga. 𝑘 =ℎ𝑖𝑛𝑡 𝑄2=3.06 19202=8.3∗10−7 ℎ𝑖𝑛𝑡 =8.3∗10−7 ∗11542=1.1 𝑚.𝑐.𝑎 =10.784 𝐾𝑃𝑎 Nuestro intercambiador tendrá una pérdida de carga de 10.784 KPa para nuestro circuito. 2.8 Dimensionado del grupo de bombeo Según el RITE, para áreas de captación mayores a 50 𝑚2 se deben colocar dos bombas en paralelo, cada una deberá ser capaz de mover el caudal del circuito primario, dejando así una bomba siempre de reserve y otra funcionando. Nuestro sistema de captación es de 32.06 𝑚2, por lo que no estamos obligados a instalarlo, aún así se ha optado instalarlas por si hay algún caso de avería. Para el diseño de la pérdida de carga en bombas, nos ponemos en el caso más desfavorable, siendo la pérdida de carga superior a la suma de las pérdidas de carga del circuito debido tanto a la fricción entre el fluido y las tuberías como las pérdidas de carga en equipos como el intercambiados o los captadores. ∆𝑃𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 =∆𝑃𝐶𝑡𝑜 ∗𝑘 Siendo: − ∆𝑃𝐶𝑡𝑜: La pérdida de carga en el circuito más desfavorable. − 𝑘: Coeficiente de seguridad. Es un 5% adicional a su capacidad, se sobredimensiona por seguridad. Tenemos: 49 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla Pérdida de carga (kPa) Captadores 7.098 Tuberías 12.25 Accesorios 15.59 Intercambiador 10.784 Total 45.722 Tabla 15: Pérdida de carga total La pérdida de carga del circuito es 45.722 kPa, que es lo mismo que, 4.66 m.c.a. ∆𝑃𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 =4.66∗1.05=4.9 𝑚.𝑐.𝑎 La bomba que seleccionamos es de la marca BAXI, modelo SB-100XL. Este modelo tiene tres curvas de presión-caudal diferentes que varían según la velocidad de giro que se demande, en revoluciones por minuto. Siendo lo curva de abajo para 1700 r.p.m, la de en medio para 2200 r.p.m y la de arriba para 2500 r.p.m. Para el caudal de diseño, 1154 l/h, la bomba seleccionada nos proporciona una altura de 5.1 m.c.a, como vemos en la figura 2.11. La bomba SB-100XL se demuestra ser valida para nuestra aplicación. Figura 2.10: Selección de bomba de circulación 2.9 Dimensionado del vaso de expansion El vaso de expansion cerrado del sistema tiene que estar dimensionado para que pueda reestablecer el funcionamiento de la instalación automáticamente después de una interrupción del suministro de la bomba, cuando la radiación solar sea máxima (caso más desfavorable), sin necesidad de la intervención del personal de mantenimiento. Para ello es necesario que sea capaz de recoger toda la expansión del líquido ante un estancamiento donde es usual que se produzcan vapores en las tuberías de los captadores. Para el dimensionado del vaso de expansion cerrado debemos primero calcular el volume total del fluido en el circuito primario, este será la suma de los volúmenes contenidos en el circuito de tuberías, en el equipo de captación y además un volume extra de seguridad que será un 10% adicional. 𝑉𝑇=𝑉𝐶𝑎𝑝𝑡 ∗𝑉𝑇𝑢𝑏 ∗𝑉𝑆𝑒𝑔 Donde: − 𝑉𝐶𝑎𝑝𝑡: Volumen de fluido dentro de captadores, 1.2 litros. En total 16.8 litros. MEMORIA DE CÁLCULO 50 − 𝑉𝑇𝑢𝑏: Volumen total de todas las tuberías − 𝑉𝑆𝑒𝑔: Es el 10% de la suma de los otros dos volúmenes. 𝑉𝑇𝑢𝑏 =𝐿𝑇𝑢𝑏 ∗𝐴𝑇𝑢𝑏 =𝐿𝑇𝑢𝑏 ∗𝜋∗𝐷2 4=58.55*5.3*10−4 = 0.031 𝑚3= 31 l 𝑉𝑇= 16.8 +31+4.78= 52.58 litros Debemos determinar ahora el coeficiente de expansión del fluido primario que viene dada por la siguiente expresión: 𝐶𝑒=𝑓𝑒∗(−1.75+0.064∗𝑇+0.0036∗𝑇2)∗10−3 Donde: 𝑓𝑒=𝑎∗(1.8∗𝑇+32)𝑏 𝑎 =−0.0134∗(𝐺2−143.8∗𝐺+1918.2) 𝑏 =3.5∗10−4 ∗(𝐺2−94.57∗𝐺+500) Siendo: − 𝑓𝑒: Factor de corrección debido al contenido de glicol en el fluido primario. − 𝑇: Temperatura del fluido que pasa por el vaso de expansión. Alrededor de los 50 ºC − 𝐺: Porcentaje de glicol. En nuestro caso propilenglicol 30%. Por lo tanto, G=30. Ce fe a b G T 0.0187 1.789 20.04 -0.503 30 50 Tabla 16: Valores de las variables para el cálculo del vaso de expansión Una vez obtenido el coeficiente de expansión del fluido primario, tenemos que obtener el coeficiente de presión del vaso de expansión cerrado. 𝐶𝑝=𝑃𝑚𝑎𝑥 𝑃𝑚𝑎𝑥 −𝑃𝑚𝑖𝑛 Sabiendo que: • 𝑃𝑚𝑎𝑥: Presión máxima de funcionamiento, que viene dada por la presión de disparo de la válvula. De nuestro modelo suele estar en torno a los 7 bar. 𝑃𝑚𝑎𝑥 =0.9∗𝑃𝑣𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 +1= 7.3 bar • 𝑃𝑚𝑖𝑛: Es la presión estática resultante de la diferencia entre el punto más elevado de la instalación y el punto donde se encuentra el vaso de expansión, en nuestro caso 20 metros que pasando a bar queda 2 bar. Además, hay que añadir cierto coeficiente de seguridad, 0.5 bar por ejemplo, y sumarle la presión atmosférica, 1 bar. 𝑃𝑚𝑖𝑛 =2 + 1 + 0.5=3.5 𝑏𝑎𝑟 𝐶𝑝=7.3 7.3−2.15=1.92 Calculamos finalmente el volumen de la válvula de expansión: 𝑉𝑣𝑒𝑥𝑝 =𝑉𝑇∗𝐶𝑝∗𝐶𝑒=52.58∗1.92∗0.0187=1.89 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 Comprobando la norma UNE 100155, vemos que como mínimo el volumen del vaso de expansión tiene que ser igual al 6 % del volumen de la instalación. Al hacer los cálculos, el 6 % es igual a 3.16 litros, que es mayor a 1.89 litros. Por lo tanto, diseñamos el vaso de expansión para un volumen mayor a 3.16 litros. El modelo 5 SMF de industrias IBAILONDO tiene una capacidad de 5 litros, con lo que cumpliríamos con la norma vigente. 51 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla 2.10 Cálculo del espesor de aislamiento Con intención de minimizar las pérdidas y el consumo de energía el rite exige ciertos espesores de aislamiento en tuberías y equipos para los sistemas de agua caliente sanitaria que contengan fluidos a temperaturas superiores a 40 ºC. Estas normas vienen recogidas en el documento del RITE. 2.10.1 Aislamiento en tuberías El espesor del aislamiento depende de factores como la localización, el diámetro interior y la temperatura máxima del fluido. Las tuberías exteriores que están expuestas a las condiciones climatológicas deberán disponer siempre de una protección externa para asegurar la vida útil de los mismos. Las conducciones del circuito primario suelen alcanzar elevadas temperaturas sobretodo cuando el sistema está parado, por lo tanto, el aislante de dichas tuberías tiene que ser uno que no se degrade con el tiempo y que soporte sin problemas niveles de temperaturas que lleguen hasta los 150 ºC. A continuación, se muestran los espesores equivalentes del aislamiento térmico, para tuberías y accesorios que tienen una conductividad térmica igual a 0.04 W/(m*K). Figura 2.11: Espesores mínimos de aislamiento en tuberías en el interior de edificios. Figura 2.12: Espesores mínimos de aislamiento en tuberías en el exterior de edificios. Figura 2.13: Espesores mínimos de aislamiento en tuberías en el exterior de edificios. 2.11 Centralita de regulación Se colocará en ambientes no agresivos, en sitios interiores donde no haya humedad y alejado de campos electromagnéticos. El termoestato debe poder ser separado de la red eléctrica mediante un dispositivo suplementario con una MEMORIA DE CÁLCULO 52 distancia mínima de 3 mm a todos los polos, o mediante un dispositivo de separación, un fusible, conforme a las normas vigentes. Las sondas de temperatura (S1 a S4) se deben conectar a cualquier polaridad a los siguientes bornes: S1= Bornes 1 y 2= Sonda del captador S2= Bornes 3 y 4= Sonda del acumulador S3= Bornes 5 y 6 S4= Bornes 7 y 8 2.12 Selección de accesorios Los accesorios que forman parte de nuestra instalación son los siguientes: • Válvulas de cierre: Tendrán diámetros de 1”. Un total de 8 válvulas. − Entrada y salida del grupo de captadores − Entrada y salida del grupo de bombeo del circuito primario − En las canalizaciones de llenado y vaciado − Antes del vaso de expansión • Válvulas de seguridad: Se instalarán en la salida de cada batería de captadores. Un total de 2 unidades. • Válvulas de antirretorno: Se sitúa una unidad antes del grupo de bombeo primario. Un total de 2 unidades. • Purgadores: Se instalarán a la salida de la batería de captadores. Necesarios 2 unidades. • Manguitos antivibratorios: Situados en el grupo de bombeo primario. Necesarios 2 unidades. • Termómetros: Se instalarán uno por cada acumulador y otro a la salida del campo de captadores. En total 3 unidades necesarias. • Manómetros: Se instalarán manómetros en el vaso de expansión, en los acumuladores, y uno por cada bomba. Un total de 7 unidades serán necesarias. • Estructuras soporte para los captadores: La empresa Termicol vende el conjunto de estructuras para una batería de captadores para hasta seis captadores en batería. En nuestro caso las baterías están formadas por 7 captadores, por lo que se comprarán además una estructura individual por batería y se conectará posteriormente. − Estructura soporte cubierta plana para conjunto de 6 captadores, 2 unidades. − Estructura soporte cubierta plana para 1 captador, 2 unidades. 53 Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla ANEXO ANEXO 54 55 3 PLIEGO DE CONDICIONES 3.1 Objeto Los criterios utilizados para nuestra instalación son fijados en el pliego de condiciones técnicas de baja temperatura donde se definirán los equipos y materiales utilizados, montajes de los equipos y mantenimiento de los mismos. 3.2 Normativa applicable Todos los materiales y tareas que forman parte de la instalación deberán cumplir con los requisites exigidos en los siguientes reglamentos: • Pliego de Especificaciones Técnicas para Instalaciones de Energía Solar Térmica a Baja Temperatura. • Código Técnico de la Edificación – Acciones en la Edificación (CTE-DB-AE) • Código Técnico de la Edificación – Seguridad en caso de incendio (CTE-DBSI) • Código Técnico de la Edificación – Protecciçon frente al ruido (CTE-DB-HR) • Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y sus Instrucciones Técnicas. • Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT) y sus instrucciones Técnicas Complementarias (ITC.BT). Real Decreto 1027/2007 de 20 de Julio. • Norma UNE-EN 12975-1:2006. “Sistemas solares térmicos y sus componentes. Captadores solares”. • Norma UNE 94002: Instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente sanitaria: cálculo de la demanda de la energía térmica. • Norma UNE 94003: Datos climáticos para el dimensionado de las instalaciones solares térmicas. • Aparte de la Normativa de carácter obligatorio anteriormente mencionada, se utilizará otras normas como la UNE de la Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR), normas NTE del Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo o de las Compañías suministradores de energía eléctrica, etc. Puede ocurrir que en ocasiones, a falta de normativa Española, podrán utilizarse de organismos internacionales, tales como CER, ISO, etc. En cualquier caso, se seguirña la edición más reciente de toda la normativa mencionada, con las últimas modificaciones oficialmente aprobadas. De igual manera, se respetarán cualesquiera otras normativas o reglamentos mencionados en el presente pliego. 3.3 Condiciones de materiales y equipos 3.3.1 Tuberías En los distintos circuitos cerrados los materiales aptos son las tuberías de cobre, de acero negro, de acero inoxidable o material plástico compatibles con el fluido que utilizan, que soporten las condiciones extremas de funcionamiento del correspondiente circuito y con la protección necesaria en función de su ubicación. En los circuitos de agua caliente sanitaria podrán utilizarse cobre y acero inoxidable. Podrán utilizarse materiales plásticos que soporten las condiciones extremas (presión y temperatura) de funcionamiento del circuito, y que estén autorizadas por la normativa vigente. Las tuberías de cobre serán tubos estirados en frio y sus uniones serán realizadas por accesorios a presión que soporten las condiciones extremas o, mediante soldadura por capilaridad de acuerdo a la norma UNE EN 1057. PLIEGO DE CONDICIONES 62 − La diferencia de temperatura entre el punto de arranque y parada del termostato diferencial no será inferior a 3ºC. − El sistema de control incluirá señalizaciones luminosas de alimentación del sistema de funcionamiento de las bombas. 3.3.9 Aparatos de medida Los sistemas de medida de temperatura, caudales y energía proporcionan información del estado de funcionamiento de la instalación y permiten realizar la evaluación de las prestaciones energéticas de la instalación. • Medida de temperatura: Las medidas de temperatura se realizarán mediante sondas, termopares, termómetros de resistencia o termistores. La diferencia de temperatura del fluido de trabajo se realizará mediante termopilas, termómetros de resistencia (conectados en dos brazos de un circuito en puente) o termopares emparejados, de forma que la señal de salida sea única en todos los casos. Las sondas de temperatura deben ser, preferentemente, de inmersión y deben estar bañadas por el fluido cuya temperatura se pretende medir o situadas, como máximo, a una distancia de 5 cm del fluido. • Medida de caudal: Los contadores de caudal de agua estarán constituidos por un cuerpo resistente a la acción del agua conteniendo la cámara de medida, un elemento con movimiento proporcional al caudal de agua que fluye y un mecanismo de relojería para transmitir este movimiento a las esferas de lectura por medio de un acoplamiento magnético. La esfera de lectura, herméticamente sellada, será de alta resolución. Cuando exista un sistema de regulación exterior, este estará precintado y protegido contra intervenciones fraudulentas. Se suministrarán los siguientes datos, que deberán ser facilitados por el fabricante: − Calibre del Contador. − Temperatura máxima del fluido. − Caudales: - En servicio contínuo. - Máximo (durante algunos minutos). - Mínimo (con precision minima del 5 %). - De arranque. − Indicación minima de la esfera. − Capacidad máxima de la totalización. − Presión máxima de trabajo. − Dimensiones. − Diámetro y tipo de conexiones. − Pérdida de carga en función del caudal. La medida de caudales de líquidos se realizará mediante turbinas, medidores de flujo magnético, medidores de flujo de desplazamiento positivo o procedimientos gravimétricos, de forma que la exactitud sea igual o superior a ± 3% en todos los casos. • Medida de energía térmica. Los contadores de energía térmica estarán constituido por los siguientes elementos: − Contador de agua, descrito anteriormente. 7 Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia − Dos sondas de temperatura. − Microprocesador electrónico, montado en la parte superior del Contador o separado. La posición del contador y de las sondas define la energía térmica que se medirá. El microprocesador podrá estar alimentado por la red eléctrica o mediante pilas con una duración de servicio mínima de 3 años. El microprocesador multiplicara la diferencia de ambas temperatura por el caudal instantáneo de agua y su peso específico. La integración en el tiempo de estas cantidades proporcionara la cantidad de energía. 3.3.10 Acumuladores El acumulador seleccionado deberá especificar las siguientes características técnicas: − Volumen cubicado real. − Principales dimensiones. − Presión de máximo trabajo. − Situación y diámetro de las bocas de conexión. − Situación y especificaciones de los puntos de sujeción o apoyos. − Máxima temperatura de utilización. − Tratamiento y protección. − Material y espesor de aislamiento y características de su protección. El depósito estará fabricado de acuerdo con lo especificado en el Reglamento de Aparatos a Presión, instrucción Técnica Complementaria MJE-AP11 y probado con una presión igual a dos veces la presión de trabajo y homologado por el Ministerio de Industria y Energía. El acumulador llevará una placa de identificación situada en lugar claramente visible y escrito con caracteres indelebles en las que aparecerán: − Nombre del fabricante y razón social. − Contraseña y fecha de registro de tipo. − Número de fabricación. − Volumen neto de almacenamiento en litros. − Presiñon máxima de servicio. − Los depósitos vendrán equipados de fábrica con las bocas necesarias soldadas antes de efectuar el tratamiento de protección interior. Al objeto de este pliego de condiciones podrán utilizarse depósitos de las siguientes características y tratamientos: - Depósitos de acero galvanizado en caliente de cualquier tamaño, con espesores de galvanizado no inferiores a los especificados en la norma UNE 37.501. - Depósitos de acero con tratamiento epoxídico. - Depositos de acero inoxidable de cualquier tamaño. - Depósitos de cobre de cualquier tamaño. Acumuladores no metálicos que, además de soportar las condiciones extremas del circuito, resistan la acción combinada de presión y temperatura más desfavorable y este autorizada su utilización por la Administración Competente. Cuando el intercambiador está incorporado al acumulador solar, éste estará situado en la parte inferior de este y podrá ser de tipo sumergido o de doble envolvente. El intercambiador sumergido podrá ser de serpentín o de haz tubular. PLIEGO DE CONDICIONES 64 3.3.11 Intercambiadores de calor Los intercambiadores de calor serán de acero inoxidable AISI 316 L. El intercambiador seleccionado resistirá la presión máxima de la instalación. Los materiales soportarán temperaturas de 110ºC y serán compatibles con el fluido de trabajo. 3.3.11.1 Intercambiadores externos El intercambiador llevará una placa de identificación situada en lugar claramente visible y escrita con carácteres indelebles en las que aparecerán los siguientes datos: − Fabricante. − Marca. − Modelo. − Número de placas. − Temperatura máxima. − Presión nominal. − Potencia nominal. − Caudal nominal en primario y secundario. − Salto de temperatura nominal en primario y secundario. Se podrán utilizar intercambiadores de placas desmontables o electro soldadas. El material de las placas será acero inoxidable o cobre. 3.4 Provisión de material Los componentes instalados deberán de ser de marcas acreditadas y en su caso homologados, para que ofrezcan las máximas garantías posibles. Se dispondrá de un lugar adecuado y seguro para almacenar los materiales y elementos de la instalación hasta el momento en que estos vayan a ser puestos en obra. Los captadores, por su especial fragilidad, deberán ser suministrados apilados sobre una base de madera adecuada para su traslado mediante carretilla elevadora. En el supuesto de que los captadores una vez embalados deban quedarse temporalmente a la intemperie, se colocarán con un ángulo mínimo de 20º y máximo de 80º. 3.5 Condiciones de montaje Las condiciones de montaje serán las indicadas por los fabricantes de los diferentes materiales, aparatos o equipos. La instalación de las distintas partes de la obra se realizará teniendo en cuenta la práctica normal conducente a obtener un buen funcionamiento durante el periodo de vida que se le puede atribuir. 3.6 Pruebas, puesta en marcha y recepción 3.6.1 General La ejecución de la instalación termina con la entrega de la instalación al promotor o usuario para iniciar el periodo de uso, así como el de mantenimiento. Para realizar la recepción de la instalación debería estar realizado, además del montaje completo, las pruebas y ajustes especificados, así como la puesta en marcha. 7 Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia El instalador se responsabilizará de la ejecución de las pruebas funcionales, del buen funcionamiento de la instalación y del estado de la misma hasta su entrega a la propiedad. La memoria de diseño contemplará la relación de las pruebas a realizar. En el documento de Control de Ejecución se recogerán las pruebas parciales, finales y funcionales realizadas, la fecha en la que tuvieron lugar, los resultados obtenidos y el grado de cumplimiento de las expectativas. Al objeto de la recepción de la instalación se entenderá que el funcionamiento de la misma es correcto, cuando la instalación satisfaga como mínimo las pruebas parciales incluidas en el presente capítulo. 3.6.2 Pruebas parciales Todas las pruebas estarán precedidas de una comprobación de los materiales al momento de su recepción a obra. Durante la ejecución de obra, todos los tramos de tubería, uniones o elementos que vayan a quedar ocultos, deberían ser expuestos para su inspección y debería quedar expresamente aprobado su montaje antes de quedar ocultos. Adicionalmente, se inspeccionarán los soportes de tubería utilizados, los diámetros, trazados y pendientes de tuberías, la continuidad de los aislamientos, etc. − Prueba de equipos: Los materiales y componentes deberían llegar a obra con Certificación de Origen Industrial, que acredite el cumplimiento de la normativa en vigor. Su recepción se realizará comprobando el cumplimiento de las especificaciones de proyecto y sus características aparentes. − Pruebas de estanqueidad de redes hidraúlicas: Todas las redes de circulación de fluidos portadores deberían ser probadas hidrostáticamente, a fin de asegurar su estanquidad, antes de quedar ocultas por obras de albañilería, material de relleno o por el material aislante. Son aceptables las pruebas realizadas de acuerdo con UNEEN 14336:2005, en función del tipo de fluido transportado. − Pruebas de libre dilatación: Una vez que las pruebas anteriores de las redes de tuberías hayan resultado satisfactorias y se haya comprobado hidrostáticamente el ajuste de los elementos de seguridad, las instalaciones equipadas con captadores solares se llevaran hasta la temperatura de estancamiento de los elementos de seguridad, habiendo anulado previamente la actuación de los aparatos de regulación automática. Durante el enfriamiento de la instalación y al finalizar el mismo, se comprobará visualmente que no hayan tenido lugar deformaciones apreciables en ningún elemento o tramo de tubería y que el sistema de expansión haya funcionado correctamente. 3.6.3 Pruebas finales Las pruebas finales permitirán garantizar que la instalación reúne las condiciones de calidad, fiabilidad y seguridad exigidas en proyecto. Son aceptables, las pruebas finales que se realicen siguiendo las instrucciones indicadas en la norma UNE-EN 12599. Las pruebas de libre dilatación y las pruebas finales de la instalación solar se realizarán en un día soleado y sin demanda. En la instalación solar se llevará a cabo una prueba de seguridad en condiciones de estancamiento del circuito primario, a realizar con este lleno y la bomba de circulación parada, cuando el nivel de radiación sobre la apertura del captador sea superior al 80% del valor de irradiación que defina como máxima el proyectista, durante al menos una hora. 3.6.4 Pruebas finales La instalación solar debería ser ajustada a los valores de proyecto dentro de los márgenes admisibles de tolerancia. Se realizarán de acuerdo con lo establecido en la Norma UNE 100.010 (partes 1, 2 y 3), "Climatización. Pruebas de ajuste y equilibrado", que habrá que particularizar para las características específicas PLIEGO DE CONDICIONES 66 de cada sistema o instalación. − Sistema de distribución de agua: Se comprobará que el fluido anticongelante contenido en los circuitos expuestos a heladas cumple con los requisitos especificados en el proyecto. Cada bomba, de la que se debería conocer la curva característica, debería ser ajustada al caudal de diseño, como paso previo al ajuste de los caudales en circuitos. De cada circuito hidráulico se deberían conocer el caudal nominal y la presión, así como los caudales nominales cada uno de los ramales. Los distintos ramales, o los dispositivos de equilibrado de los mismos, serán equilibrados al caudal de diseño. Se debería comprobar el correcto equilibrado hidráulico de los diferentes ramales mediante el procedimiento previsto en el proyecto. De cada intercambiador de calor se deberían conocer la potencia, temperatura y caudales de diseño, debiéndose ajustar los caudales de diseño que lo atraviesan. Cuando exista más de un grupo de captadores solares en el circuito primario del subsistema de energía solar, se debería probar el correcto equilibrado hidráulico de los diferentes ramales de la instalación mediante el procedimiento previsto en el proyecto. Se comprobará el mecanismo del subsistema de energía solar en condiciones de estancamiento, así como el retorno a las condiciones de operación nominal sin intervención del usuario con los requisitos especificados en el proyecto. − Control automático: Se ajustarán todos los parámetros del sistema de control automático a los valores de diseño especificados en el proyecto y se comprobará el funcionamiento de todos los componentes que configuran el sistema de control. 3.6.5 Recepción • Recepción provisional: El objeto de la recepción es comprobar que la instalación está de acuerdo con los servicios contratados y que se ajusta, por separado cada uno de sus elementos y globalmente, a lo especificado en el proyecto. Una vez realizadas las pruebas funcionales con resultados satisfactorios, se procederá al acto de Recepción Provisional de la instalación por parte de la propiedad, con lo que se da por finalizado el montaje de la instalación. El acto de recepción provisional quedara formalizado por un acta donde figuren todos los intervinientes y en la que se formalice la entrega conforme de la documentación referida. La documentación disponible y entregada debería ser, al menos, la siguiente: − Una memoria descriptiva de la instalación, en la que se incluyen las bases de proyecto y los criterios adoptados para su desarrollo. − Una copia reproducible de los planos definitivos, comprendiendo, como mínimo, los esquemas de principio de todas las instalaciones, los planos de sala de máquinas y los planos de plantas donde se debería indicar el recorrido de las conducciones y la situación de las unidades terminales. − Una relación de todos los materiales y equipos empleados, indicando fabricante, marca, modelo y características de funcionamiento. − Las hojas desopilativas de los resultados de las pruebas parciales y finales. − Un manual de instrucciones de funcionamiento de los equipos principales de la instalación. • Recepción definitiva: Desde el acta de recepción provisional, la propiedad podrá y deberá notificar cualquier incidencia en el funcionamiento de la instalación. Transcurrido el plazo estipulado desde el acta de recepción, la Recepción Provisional se transformará en Recepción Definitiva. A partir de la Recepción Definitiva entrara en vigor la 7 Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia garantía. 3.7 Mantenimiento Con el objetivo de prolonger el uso y la vida útil de la instalación, se definen las condiciones mínimas para el adecuado mantenimiento de la instalación de energía solar térmica. Se definen tres escalones de actuación para englobar todas las operaciones necesarias durante la vida útil de la instalación para asegurar el funcionamiento, aumentar la fiabilidad y prolongar la duración de la misma: - Vigilancia - Mantenimiento preventivo - Mantenimiento progresivo 3.7.1 Vigilancia El plan de vigilancia se refiere básicamente a las operaciones que permiten asegurar que los valores operacionales de la instalación sean correctos. Es un plan de observación simple de los parámetros funcionales principales, para verificar el correcto funcionamiento de la instalación. Será llevado a cabo, normalmente, por el usuario, que, asesorado por el instalador, observará el correcto comportamiento y estado de los elementos. Siendo su alcance aquel que se muestra en la siguiente tabla: Tabla 17: Plan de vigilancia. 3.7.2 Mantenimiento preventivo El mantenimiento preventivo ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento y sustitución de elementos fungibles o desgastados por el uso, necesarias para asegurar que el sistema funcione correctamente durante su vida útil. El mantenimiento preventivo implicara operaciones de inspección visual, verificación de actuaciones y otros, que aplicados a la instalación deberían permitir mantener dentro de límites aceptables las condiciones de funcionamiento, prestaciones, protección y durabilidad de la instalación. El mantenimiento preventivo para instalaciones con superficie de captaciones superiores a 20 𝑚2 deberán de tener revisiones de la instalación cada seis meses. Y revisiones anuales para aquiellas que sean inferiores a 20 𝑚2. El plan de mantenimiento debe realizarse por personal técnico especializado que conozca la tecnología solar térmica y las instalaciones mecánicas en general. La instalación tendrá un libro de mantenimiento en el que se reflejen todas las operaciones realizadas, así como el mantenimiento correctivo. PLIEGO DE CONDICIONES 68 En la siguiente hoja se definen las operaciones de mantenimiento preventivo que deben realizarse, la periodicidad mínima establecida (en meses) y observaciones en relación con las prevenciones a observar. Tabla 18: Plan de mantenimiento del sistema de captación. Tabla 19: Plan de mantenimiento del sistema de acumulación. Tabla 20: Plan de mantenimiento del sistema de intercambio. Tabla 21: Plan de mantenimiento del circuito hidraúlico. 7 Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia Tabla 22: Plan de mantenimiento del sistema de control. Tabla 23: Plan de mantenimiento del sistema auxiliar. 3.7.3 Mantenimiento correctivo Las actividades de mantenimiento correctivo no pueden estar sometidas a un plan, dado el carácter impredecible de estas acciones. Como su propio nombre indica, las acciones de mantenimiento correctivo se realizarán para corregir anomalías observadas durante el funcionamiento normal de la instalación. No obstante, si es posible llevar un control de las acciones de mantenimiento correctivo realizado, mediante el uso de un parte de mantenimiento correctivo. En este parte aparecerá recogido el componente afectado, la causa aparente del problema, la acción correctiva realizada, además de la fecha y la firma del responsable de dicha acción. 70 4 PRESUPUESTOS 4.1 Sistema de captación N. Ord Concepto Cantidad P.V.P (€) Total (€) 1.1 Captador solar P21 de la marca TERMICOL o similar: Superficie útil: 2.01 m2 Dimensiones: 2100x1095x100 mm Marco: Aluminio Peso del captador: 38 kg Potencia pico (Wp): 1569 Capacidad de fluido (litros): 1.2 Cubierta (mm): Vídria templado de 3.2 Aislamiento (mm): Lana de vidrio de 50 Presión máxima de funcionamiento (bar): 8 Para un caudal de 0.025 kg/s tenemos una pérdida de carga de 288 Pa. Factor óptico: 0.685 (Según la temperatura media) Caudal de ensayo: 0.02 (kg/S*m^2) Coeficiente de pérdidas K1: 3.15 (W/𝑚2* 𝐾) Coeficiente de pérdidas K2: 0.006 (W/𝑚2*𝐾2) Modificador de ángulo de incidencia: 𝐾50: 0.92 14 583 8162 1.2 Estructura soporte cubierta plana Vertical P21 para 6 captadores 2 900 1800 1.3 Estructura soporte cubierta plana Vertical P21 para 1 captador 2 266 532 1.4 Racores de conexión TERMICOL 24 5,5 132 1.5 Anticongelante Fluidosol 10 L 1 77 77 TOTAL 10703 7 Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia 4.2 Sistema de acumulación N. Ord Concepto Cantidad P.V.P (€) Total (€) 1.1 DSCE 1500 ACU de la empresa Inerox o similar: Características: Capacidad de ACS: 1500 l Presión máxima de ACS: 8 bar Material: Acero al carbono S235JR Temperatura máxima de trabajo: 85 ºC Altura (mm): 2400 Diámetro exterior (mm): 1100 Peso en vacío (kg): 285 Número de unidades: 2 Presión de circuito caliente (bar): 25 Montaje: Vertical y en suelo. Aislamiento: 80 mm de lana mineral. Protector a la corrosión en ánodo: Magnesio Recubrimiento: Recubrimiento sanitario con resinas inertes Blue tech. Tratamiento exterior: Pintura antioxidante. 2 3528 7056 TOTAL 7056 4.3 Sistema de intercambio N. Ord Concepto Cantidad P.V.P (€) Total (€) 1.1 Intercambiador de placas termosoldadas para ACS de la empresa TERMICOL o similar: Número de placas: 20 Presión máxima de ACS: 3 MPa Potencia: 24 kW Material: acero inoxidable Caudal primario máximo: 1920 Caudal secundario máximo: 1920 Pérdida de carga primario: 30 kPa 1 246 246 i PLANOS ii 7 Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia PLANOS iv 7 Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia PLANOS vi 7 Diseño de una instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una residencia 10