Diseño y dimensionado de una instalación solar para producción de ACS para un edificio del sector servicios

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Diseño y dimensionado de una instalación solar para producción de ACS en un edificio del sector servicios. Autor: Paula Rosa Álvarez Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Departamento Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 II Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Diseño y dimensionado de una instalación solar para producción de ACS para un edificio del sector servicios. Autor: Paula Rosa Álvarez Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Profesor Titular de Universidad Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 IV Trabajo Fin de Grado: Diseño y dimensionado de una instalación solar para producción de ACS para un edificio del sector servicios. Autor: Paula Rosa Álvarez Tutor: Francisco Javier Pino Lucena El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal VI A mi padre, por ser mi ejemplo a seguir, enseñarme que nada se consigue sin esfuerzo y estar siempre dispuesto a ofrecerme cualquier ayuda. A mi madre, por ser la que mejor me entiende, por animarme e intentar que nunca me desanime y por estar siempre ahí para cualquier cosa. A mis hermanos, Felipe y Pablo, por hacerme el camino más ameno y sacar siempre algo positivo de las peores situaciones. A Alejandro, por acompañarme estos años y no dejar que me rinda. Por último, agradecer a los profesores de Termotecnia, en especial a los Dres. Guerra y Pino, por las enseñanzas recibidas durante estos años. VIII Resumen Este proyecto tiene por objeto el diseño y dimensionamiento de la instalación solar de baja temperatura para la producción de agua caliente sanitaria de un hospital en el barrio de Bellavista (Sevilla). El proyecto está formado por cinco partes: memoria descriptiva, memoria de cálculo, pliego de condiciones, planos y presupuesto. En la memoria descriptiva se hace una descripción de la solución adoptada y se describen los principales equipos y sistemas que componen la instalación. En la memoria de cálculo se procede a realizar el dimensionamiento de la instalación solar, del sistema hidráulico utilizado, del sistema de almacenamiento y de los sistemas auxiliares. En el pliego de condiciones se fijan los requisitos bajo los cuales ha de realizarse el proyecto. En los planos se recogen los elementos más significativos que ayudan a la ejecución técnica de la obra. En el presupuesto se abordan los diferentes capítulos económicos precisos para la realización del proyecto. XVI ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Consumo energía primaria en España 2017. Fuente: MINETAD. 2 Figura 2: Consumo de energía en los edificios, año 2015. Fuente: MINETAD. 3 Figura 3: Evolución de la Solar térmica instalada en España. Fuente: ASIT. 4 Figura 4: Mapa de irradiación en Europa. 4 Figura 5: Pestaña “Localización” CHEQ4. 5 Figura 6: Pestaña “Configuración” CHEQ4. 6 Figura 7: Pestaña “Demanda” CHEQ4. 6 Figura 8: Pestaña “Solar/apoyo” CHEQ4. 7 Figura 9: Pestaña “Otros parámetros” CHEQ4. 8 Figura 10: Pestaña “Resultados” CHEQ4. 8 Figura 11: Ubicación hospital Viamed. 9 Figura 12: Exterior hospital Viamed. 10 Figura 13: Esquema general instalación solar térmica ACS 11 Figura 14: Esquema de principio de la instalación. 13 Figura 15: Captador solar plano. 15 Figura 16: Depósito interacumulador. 15 Figura 17: Bomba de circulación. 16 Figura 18: Diferentes tipos de vasos de expansión. 16 Figura 19: Válvulas de diferente tamaño. 17 Figura 20: Aislante térmico para tuberías. 17 Figura 21: Sistema de control. Termicol. 18 Figura 22: Características técnicas captador solar T25US. 19 Figura 23: Pérdida de presión captador T25US. 19 Figura 24: Dimensiones del captador T25US. 20 Figura 25: Estructura para cubierta plana captador T25US. 20 Figura 26: Datos de ensayo T25US. 20 Figura 27: Características técnicas MXV4000 21 Figura 28: Pérdida de carga MXV400. 21 Figura 29: Dimensiones bomba Wilo Stratos Maxo-Z 65/0,5-12. 22 Figura 30: Curva característica bomba Wilo Straros Maxo-Z 65/0,5-12. 22 Figura 31: Características técnicas bomba Wilo Stratos Maxo-Z 65/0,5-12. 23 Figura 32: Características técnicas bomba Wilo Stratos Maxo-Z 65/0,5-12. 23 Figura 33: Vaso expansión 706SOL025. Termicol. 24 Figura 34: Sistema control LTDC-V3 Termicol. 24 Figura 35: Contribución solar mínima (%) para ACS. 25 Figura 36: Contribución solar mínima (%) para climatización piscinas cubiertas. 26 Figura 37: Límites pérdidas por orientación, inclinación y sombras. 26 Figura 38: Espesores mínimos de aislamiento. 27 Figura 39: Espesores mínimos de aislamiento. 28 Figura 40: Espesores mínimos de aislamiento. 28 Figura 41: Zonas climáticas de España. 33 Figura 42: Datos “Localización” CHEQ4. 33 Figura 43: Radiación global sobre superficie horizontal e inclinada. 37 Figura 44: Demanda energética mensual sin tener en cuenta la ocupación real. 40 Figura 45: Demanda energética mensual teniendo en cuenta la ocupación real. 41 Figura 46: CS en función del nº captadores. Caso con. interacumulador. 43 Figura 47: CS en función de V/A. Caso con interacumulador. 44 Figura 48: CS en función del nº captadores en serie. Caso con interacumulador. 45 Figura 49: CS en función del número de captadores. Caso con intercambiador. 46 Figura 50: CS en función de V/A. Caso con intercambiador. 47 Figura 51: CS en función del nº captadores en serie. Caso con intercambiador. 48 Figura 52: Separación mínima entre captadores. 48 Figura 53: Estructura de los captadores T25US para cubierta plana. 49 Figura 54: Pérdida de carga MXV-4000. 50 Figura 55: Longitud equivalente de los accesorios. 53 Figura 56: Curva característica bomba Wilo Stratos Maxo-Z 65/0,5-12. 56 Figura 57: Aislamiento mínimo en el interior de edificios. 58 Figura 58: Aislamiento mínimo en el exterior de edificios. 58 Figura 59: Plan de vigilancia. 78 Figura 60: Plan de mantenimiento del sistema de captación. 79 Figura 61: Mantenimiento del sistema de acumulación. 79 Figura 62: Mantenimiento del sistema de intercambio. 79 Figura 63: Mantenimiento del sistema de distribución. 80 Figura 64: Mantenimiento del sistema de control. 80 Figura 65: Mantenimiento del sistema auxiliar 80 Figura 66: Porcentajes del presupuesto total. 85 XVIII 1. MEMORIA DESCRIPTIVA 2 1.1. Objeto del Proyecto El objeto de éste proyecto es la adaptación y dimensionado de una instalación de captación de energía solar térmica de baja temperatura para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) en el hospital Viamed, situado en el barrio de Bellavista (Sevilla). Para ello, se realiza un estudio de las condiciones climatológicas de la zona, de la radiación solar y de la demanda de ACS del hospital. Además, se realizará una evaluación económica mediante la elaboración de un presupuesto detallado con cada uno de los equipos empleados. El desarrollo de este Proyecto cumple con las exigencies del Reglamento de Instalaciones Térmicas en la Edificación (RITE) y con el Código Técnico de la Edificación (CTE). 1.2. Antecedentes España es un país dependiente de las importaciones energéticas, situada en torno a un 76%, esta dependencia solo se puede reducir potenciando aquellos recursos autóctonos que posee, especialmente recursos renovables, como son el sol o el viento, además, España es un país privilegiado en estos recursos, a los que puede unir su liderazgo tecnológico en todo lo referente al sector de las energías renovables. Figura 1: Consumo energía primaria en España 2017. Fuente: MINETAD. En la Figura 1 se puede ver la distribución del consumo de energía primaria en España en el año 2017, se observa que la principal fuente es el petróleo con un 43,8%, esto podría poner en peligro el compromiso de los Acuerdos de la Conferencia de las Partes de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, la COP21 de París, celebrada en Diciembre de 2015 y firmada por 195 países, entre ellos España, y cuyo objetivo principal es la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y mantener el calentamiento global muy por debajo de los 2ºC. El consumo energéticos de los edificios suponen el 31% del Consumo de la Energía Final en España (Figura 2), por tanto, la reducción del consumo de energía y la utilización de energía procedente de fuentes renovables en el sector de la construcción son medidas importantes para reducir la dependencia energética y las emisiones de gases de efecto invernadero. Figura 2: Consumo de energía en los edificios, año 2015. Fuente: MINETAD. Teniendo en cuenta varios aspectos, tales como son: • Los combustibles convencionales son caros, escasos y contaminantes. • La preocupación medioambiental es cada vez mayor. • Las aplicaciones solares son tecnologías maduras y económicamente ventajosas a medio plazo. • La normativa del CTE y de las ordenanzas solares han lanzado el mercado solar para ACS en viviendas. Es fácil comprender por qué, a lo largo de 2018 se han instalado en España un total de 144 MWth (205.500 m2), lo cual implica un incremento del 2%, elevando la cifra de los 3 GWth en el acumulado de potencia instalada, o lo que es lo mismo, más de 4.3 Mill de m2 instalados y en operación en España (véase la Figura 3). 4 Figura 3: Evolución de la Solar térmica instalada en España. Fuente: ASIT. El periodo de recuperación de una inversión en solar térmica depende de la zona geográfica, del consumo, del tamaño de la instalación y de la fuente de energía sustituida. En general, las condiciones climáticas existentes en España son adecuadas para las instalaciones de energía solar térmica. No obstante, en el sur de la península, como se pone se manifiesto en la Figura 4 los niveles de radiación global hacen que la rentabilidad de este tipo de instalaciones sea mayor en el sur que en el resto de la península. Figura 4: Mapa de irradiación en Europa. 1.3. Método de cálculo En este proyecto se emplea una herramienta denominada CHEQ4, es un programa informático elaborado por el IDAE (Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía) y ASIT (Asociación Solar de la Industria Térmica), cuyo fin es facilitar a todos los agentes participantes en el sector de la energía solar térmica de baja temperature la aplicación, el cumplimiento y evaluación de la sección HE4 incluida en la exigencia básica HE Ahorro de energía del Código Técnico de la Edificación (CTE). Esta herramienta permite definir una gran variedad de instalaciones solares introduciendo un mínimo de parámetros del Proyecto, y se obtiene como resultado la cobertura solar que ese sistema proporciona sobre la demanda de energía para ACS y piscina del edificio, indicando si la instalación cumple con la contribución solar minima definida por la exigencia HE4. Además, existe la posibilidad de generar un informe justificativo con los resultados obtenidos, que en caso de ser favorable, será suficiente para acreditar el cumplimiento de los requisitos establecidos en la sección HE4; así como un documento de verificación donde figuran los principales parámetros de la instalación. A continuación se muestran las diferentes pestañas del programa, así como los principales parámetros que hay que introducir. • Localización. Figura 5: Pestaña “Localización” CHEQ4. Es la primera pantalla ( Figura 5) que aparece al abrir la herramienta. En primer lugar, es necesario indicar la zona de estudio donde se encontrará la instalación, y automáticamente, aparecerá la zona climática, la latitud, así como los datos medios mensuales de la radiación, la temperatura de la red y la temperatura ambiente. • Configuración. 6 Figura 6: Pestaña “Configuración” CHEQ4. En este paso se define la configuración de la instalación, aparecen varias opciones diferenciándose principalmente entre consumo único y consumo múltiple (Figura 6). • Demanda. Una vez que se tiene definida la configuración y localización de la instalación, se pasa a indicar el tipo de edificio que se está estudiando, así como el número de personas que lo ocupan. También existe la posibilidad de variar la ocupación según los meses del año, ya que por ejemplo, en un hotel de playa, será muy grande la diferencia de ocupación entre los meses de Julio y Enero (Figura 7). Además, existe la opción de añadir otros consumos de agua en l/día a 60ºC. Una vez que se define la demanda, CHEQ4 indica la contribución solar mínima exigida por la HE4. Figura 7: Pestaña “Demanda” CHEQ4. • Solar/Apoyo. En este paso, (ver Figura 8) se selecciona el modelo de captador solar, una vez seleccionado, aparecen las principales características técnicas del mismo, también hay que indicar otros parámetros como son el número de captadores, la orientación e inclinación o las pérdidas por sombras. Además, con respecto al circuito primario y secundario, es necesario definir la longitud del circuito, el tipo y espesor del aislante y el porcentaje de anticongelante. Por último, se indica el tipo de sistema de apoyo de la instalación. • Otros parámetros. Es la última pestaña en la que se introducen parámetros de la instalación, en este caso, son el volumen de acumulación con el que se trabajará, y algunas características del circuito de distribución, como son la longitud o el tipo y espesor de aislante. (Ver Figura 9). Es importante destacar la restricción: 50 < 𝑉 𝐴 < 180 En el caso de que no se cumpla esta restricción, la herramienta dará un aviso. Figura 8: Pestaña “Solar/apoyo” CHEQ4. 14 1.5.2 Principales elementos de la instalación • Captador solar plano: Es el elemento más característico de las instalaciones solares. El captador solar plano es un intercambiador de calor que transforma la energía radiante (Radiación Solar) en energía térmica que aumenta la temperatura de un fluido de trabajo contenido en el interior del captador. Un captador solar plano es un captador sin concentración, sin sistema de seguimiento y que capta tanto la radiación directa como la difusa. En la Figura 15 presentan los elementos más significativos del captador. El funcionamiento del captador solar plano está regido por los siguientes principios básicos: - El aporte solar no es controlable. - La demanda y el aporte solar están desfasados. - La orientación e inclinación del captador influyen fuertemente en el rendimiento. - El rendimiento de captación aumenta al disminuir la temperature del fluido a la entrada. - Interesa captar la energía solar a la mayor temperatura posible. - Hay que dar preferencia al consumo de la energía solar frente a la convencional. Funcionamiento: Al estar la placa absorbedora expuesta al sol, se calienta y como consecuenta del calentamiento de la placa, ésta aumenta su temperatura, perdiendo calor por los distintos mecanismos: por conducción a través de los soportes que lo sujetan, por convección a través del aire que le rodea y por radiación. Si se coloca un vidrio entre la placa absorbedora y el sol, éste no dejará pasar la radiación de mayor longitude de onda que emite la placa al calentarse, se produce así el llamado efecto invernadero, que impide que la mayor parte de la energía radiante que ha atravesado el vidrio vuelva a salir. Además, el vidrio evita el contacto directo de la placa con el ambiente, evitando las pérdidas por convección. Componentes: -Cubierta: Debe ser de un material transparente, normalmente se emplea el vidrio, aunque a veces es utilizado el plástico con la ventaja de ser más barao y manejables. -Canal de aire: Es un espacio que separa la cubierta de la placa absorbedora y puede estar vacío o no. -Placa absorbedora: Es el elemento que absorbe la energía solar y transmite el calor al fluido que circula por las tuberías. Es una lámina metálica o varias aletas adheridas. Normalmente son de cobre, presentando algún tipo de tratamiento que mejora sus prestaciones. -Tubos: Los tubos están en contacto con la placa absorbedora para maximizar el intercambio de energía calorífica por conducción. Por los tubos circula el fluido que se calentará y transportará el calor hasta el tanque de acumulación. -Aislante: Se coloca en los laterals y en el fondo de la carcasa para disminuir las pérdidas. Suele estar constituido de lana mineral o fibra de vidrio. -Carcasa o caja: Contiene los elementos del captador, suele ser de aluminio o acero galvanizado e incluir un marco. Figura 15: Captador solar plano. • Depósito interacumulador: La energía solar térmica no se consume en su totalidad instantáneamente, ya que depende de la demanda de cada momento, por tanto, para no perder la energía, es necesario acumularla. Toda instalación solar debe disponer de un espacio donde acumular el agua calentada por los captadores solares para poder usarla posteriormente, cuando se necesite. Esta acumulación se realiza en depósitos que pueden ser acumuladores o interacumuladores ( véase la Figura 16): o Los acumuladores sólo sirven para acumular agua ya caliente, por lo que necesitan un sistema de intercambio externo. o Los interacumuladores acumulan agua y también la calientan para su uso, ya que disponen de un intercambiador interno. Estos serán los utilizados en este proyecto. Por tanto, los acumuladores o interacumuladores no son más que depósitos con capacidad y aislamiento suficiente para evitar, en lo posible, las pérdidas de energía. Figura 16: Depósito interacumulador. • Bombas: 16 Este equipo es el encargado de transportar el fluido, en este caso agua, en cada uno de los circuitos independientes de la instalación. Son accionadas por motores eléctricos y deben actuar a velocidad variable para que puedan actuar en diferentes condiciones de operación ( Figura 17). Figura 17: Bomba de circulación. • Vasos de expansión: La función del vaso de expansión es absorber las variaciones de volumen de un fluido en un circuito cerrado al variar su temperatura, manteniendo la presión entre unos límites (Figura 18). Es un elemento de seguridad y uno de los elementos claves en el funcionamiento de la instalación, de hecho, gran parte de las averías más comunes provienen de la falta o defecto del funcionamiento de este elemento y está asociado fundamentalmente a calderas y a instalaciones de energía solar térmica. Figura 18: Diferentes tipos de vasos de expansión. • Válvulas: Se encargan de regular y controlar el paso del fluido por el circuito. Existen gran variedad de válvulas (Figura 19), por ejemplo: -Válvulas de seguridad: Es una válvula que funciona para proteger todo el circuito y sus elementos de sobrepresiones. La válvula libera líquido cuando se adquieren los límites de presión y se alcanza el valor de calibración. -Válvula de paso: Forman parte de la instalación para cerrar de forma parcial o total el fluido que se encuentra por las tuberías. Se utilizan para poder hacer labores de mantenimiento. Figura 19: Válvulas de diferente tamaño. • Aislamiento: El aislamiento de las tuberías de toda la instalación y de los equipos como los captadores solares o el interacumulador son muy importantes para aumentar el rendimiento del sistema y alcanzar las temperaturas deseadas. El aislamiento de las tuberías para instalaciones de ACS está establecido de forma reglamentaria en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en la Edificación (RITE). Figura 20: Aislante térmico para tuberías. • Sistema de regulación y control: El sistema de control está recibiendo continuamente señales procedentes de los sensores de temperatura que se encuentran a lo largo de la instalación, teniendo así un control del funcionamiento de la misma. Este sistema es el encargado de poner en funcionamiento los grupos de bombeo cuando sea necesario, y de poner en marcha el sistema auxiliar cuando la instalación solar no cubra la demanda. (Figura 21) 18 Como se explicó anteriormente, el grupo de bombeo del circuito primario entra en funcionamiento cuando la diferencia de temperatura entre el sensor a la salida del campo de los captadores planos y el sensor de la parte inferior del interacumulador sea mayor que 7ºC, igualmente, dejará de funcionar cuando la diferencia de temperatura sea menor que 3ºC. Figura 21: Sistema de control. Termicol. 1.6. Características técnicas de los equipos 1.6.1 Captadores solares planos El modelo de captador solar que se ha empleado en la instalación es el T25US del fabricante TERMICOL, se disponen de 60 captadores solares planos, agrupados en 6 baterias de 10 captadores en cada una de ellas, todos ellos conectados en paralelo. La orientación que tienen los captadores solares es la sur, ya que no existen problemas de sombras en la cubierta del hospital y es la orientación óptima. Con respecto a la inclinación de estos, será de 40º. A continuación se pueden observar en la Figura 22 las características técnicas principales de los captadores empleados: En la Figura 23 se puede observar la curva de la pérdida de carga del captador en función del caudal, y en la Figura 25 la estructura que se utiliza para los captadores, teniendo en cuenta que la cubierta del hospital es una cubierta plana. Por último, en la Figura 26 aparecen los datos de ensayo del captador T25US, estos datos están incluidos en el programa CHEQ4. Figura 22: Características técnicas captador solar T25US. Figura 23: Pérdida de presión captador T25US. 20 Figura 24: Dimensiones del captador T25US. Figura 25: Estructura para cubierta plana captador T25US. Figura 26: Datos de ensayo T25US. 1.6.2 Interacumulador El volumen de acumulación necesario en la instalación es de 7200 litros, se ha optado por disponer de dos interacumuladores de acero inoxidable en paralelo, de 4000 litros cada uno. El modelo elegido es el MXV4000, del fabricante LAPESA. Están aislados térmicamente con espuma rígida de poliuretano inyectada, la temperatura máxima de funcionamiento es de 90ºC y la presión máxima es de 8 bar. En la Figura 27 se pueden observar algunas de las principales características técnicas de este equipo: Figura 27: Características técnicas MXV4000 Figura 28: Pérdida de carga MXV400. En la Figura 28 aparece una gráfica que representa la pérdida de carga del serpentín del interacumulador (mbar) en función del caudal (𝑚3 ℎ) 1.6.3 Bomba de circulación Como el área de captación es de 144 m2, mayor a 50 m2, será necesario poner dos bombas iguales en paralelo, dejando una de ellas de repuesto. El modelo elegido es el Stratos Maxo-Z 65/0,5-12, del fabricante Wilo. A continuación se muestran las principales características técnicas de la bomba : 22 Figura 29: Dimensiones bomba Wilo Stratos Maxo-Z 65/0,5-12. Figura 30: Curva característica bomba Wilo Straros Maxo-Z 65/0,5-12. Figura 31: Características técnicas bomba Wilo Stratos Maxo-Z 65/0,5-12. Figura 32: Características técnicas bomba Wilo Stratos Maxo-Z 65/0,5-12. 30 ➔ Excel de pérdida de cargas del profesor Juan Francisco Coronel Toro. Asignatura “Ahorro y Eficiencia Energética y Instalaciones Térmicas en la Edificación”, 2018. Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Energética. Universidad de Sevilla. 2. MEMORIA DE CÁLCULO 32 2.1. Introducción En la memoria de cálculo se van a detallar todos los cálculos que se han realizado para el diseño de la instalación solar térmica de baja temperatura para la producción de ACS en el hospital Viamed, siempre teniendo en cuenta la normativa de obligado cumplimiento. 2.2. Datos de partida 2.2.1 Datos geográficos El hospital Viamed se encuentra situado en el barrio de Bellavista, en Sevilla. Los principales datos geográficos son los que se muestran en la Tabla 1: Edificio Hospital Viamed Provincia Sevilla Localidad Sevilla Altitud 12 metros Latitud 37º 22 Longitud O5º 58 Zona climática Zona V Tabla 1: Datos de la ubicación. 2.2.2 Datos climatológicos En España se pueden diferenciar cinco zonas climáticas, diferenciadas por la radiación global media diaria que reciben cada una de ellas. En la Figura 41 se muestran cada una de las zonas climáticas, y en la Tabla 2 los niveles de radiación recibidos, expresados en kWh/m2 dia. Zona I H < 3,8 Zona II 3,8 ≤ H < 4,2 Zona III 4,2 ≤ H < 4,6 Zona IV 4,6 ≤ H < 5 Zona V H ≥ 5 Tabla 2: Radiación global media diaria de las zonas climáticas España. Figura 41: Zonas climáticas de España. Como puede observarse en la Figura 41, Sevilla se encuentra en la zona climática V, y por tanto la radiación global media diaria es mayor que 5 kWh/m2. Estos datos podemos obtenerlos del Código Técnico de la Edificación (CTE), pero además, el programa informático CHEQ4 nos facilita estos datos introduciendo simplemente la provincia y el municipio del edificio que se está estudiando, gracias a la base de datos disponible. Figura 42: Datos “Localización” CHEQ4. Además de la zona climática, la latitud y la altura del municipio, el CHEQ4 nos facilita los datos de la radiación global media mensual sobre superficie horizontal, expresada en MJ/m2, la 34 temperatura media mensual del agua de red, y la temperatura ambiente media mensual, como puede observarse en la Tabla 2. 2.2.3 Radiación sobre superficie inclinada A continuación se van a realizar los cálculos necesarios para determinar la radiación sobre una superficie inclinada 40º, y demostrar así que la radiación durante todo el año se vuelve mucho más constante que si la recibiese una superficie horizontal. En primer lugar, se calcula la declinación solar (δ) mediante la ecuación de Cooper, que es el ángulo entre la línea Sol-Tierra y el plano ecuatorial celeste. 𝛿 = 23,45 ×sin(360 365 ×(𝑛 + 284)) Donde n es el día del año. A continuación, una vez que se tiene la declinación solar, se calcula el ángulo horario (𝑤𝑠) mediante la siguiente fórmula: cos(𝑤𝑠)= −tan𝛿 × tanø Donde ø es la latitud de la localidad. Mes Día del año, n Declinación, δ (º) Ángulo horario, 𝒘𝒔 (º) Enero 17 -20,92 73,12 Febrero 47 -12,95 79,94 Marzo 75 -2,42 88,16 Abril 105 9,41 97,23 Mayo 135 18,79 104,97 Junio 162 23,09 108,89 Julio 198 21,18 107,11 Agosto 228 13,45 100,47 Septiembre 258 2,22 91,69 Octubre 288 -9,6 82,62 Noviembre 318 -18,91 75 Diciembre 344 -23,05 71,14 Tabla 3: Declinación y ángulo horario. A continuación, una vez que se tiene la declinación y el ángulo horario, es próximo paso es calcular el índice de claridad medio, 𝑘𝑡, que es la relación entre la radiación global horizontal y la radiación solar extraterrestre: 𝑘𝑡=𝐻 𝐻0 A su vez, el valor de la radiación solar extraterrestre se calcula mediante la siguiente fórmula: 𝐻0=24 ·3600 𝛱· 𝐺𝐶𝑆 · (1 + 0,033cos360𝑛 365 )(𝛱 · 𝑤𝑠 180 sin𝛿 · sinø + cos𝛿 · cosø · sin𝑤𝑠 Donde: n es el día del año. 𝑤𝑠 es el ángulo solar. 𝛿 es la declinación. Ø es la latitud de la localidad. 𝐺𝐶𝑆 es la constante solar: 1367 𝑊 𝑚2 Mes H (𝑴𝑱 𝒎𝟐) 𝑯𝟎(𝑴𝑱 𝒎𝟐) 𝒌𝒕 Enero 9,8 16,9 0,5795 Febrero 13,2 22,1 0,5972 Marzo 18,1 28,6 0,6311 Abril 22,1 35,3 0,6254 Mayo 25,2 39,8 0,6318 Junio 28,4 41,6 0,682 Julio 29,2 40,7 0,7174 Agosto 25,9 37 0,6995 Septiembre 20,8 31 0,6703 Octubre 14,5 20,4 0,7083 Noviembre 10,5 18,1 0,5796 Diciembre 8,4 15,4 0,5426 Tabla 4: Índice de claridad medio. A continuación se descompone la radiación global horizontal (H) en sus componentes directa (𝐻𝐷) y difusa (𝐻𝑑), mediante las siguientes correlaciones: • Si 𝑤𝑠≤81,4º: 𝐻𝑑 𝐻= 1,391 − 3,56𝑘𝑡+ 4,189𝑘𝑡2− 2,137𝑘𝑡3 • Si 𝑤𝑠>81,4º: 𝐻𝑑 𝐻= 1,311 − 3,022𝑘𝑡+ 3,427𝑘𝑡2− 1,821𝑘𝑡3 Y teniendo en cuenta que 𝐻 = 𝐻𝐷+ 𝐻𝑑 36 Mes 𝑯𝒅 𝑯 𝑯𝒅(𝑴𝑱 𝒎𝟐) 𝑯𝑫(𝑴𝑱 𝒎𝟐) Enero 0,3188 3,1244 6,6755 Febrero 0,3037 4,0092 9,1907 Marzo 0,3109 5,6287 12,4712 Abril 0,3159 6,9829 15,1170 Mayo 0,3103 7,8202 17,3797 Junio 0,2662 7,5628 20,8371 Julio 0,2344 6,8447 22,3552 Agosto 0,2506 6,4905 19,4094 Septiembre 0,2766 5,7547 15,0452 Octubre 0,2426 3,5187 10,9812 Noviembre 0,3186 3,3462 7,1537 Diciembre 0,3512 2,8503 5,4496 Tabla 5: Radiación global horizontal directa y difusa. También es necesario calcular el ángulo solar en la superficie inclinada (𝑤´𝑠), que se calcula de la siguiente manera: 𝑤´𝑠= 𝑀𝐼𝑁(𝑤𝑠,acos(−tan(ø − 𝑠)· sin𝛿)) Una vez que se ha calculado el ángulo solar en la superficie inclinada, se pasa a calcular la relación entre la irradiación directa sobre una superficie inclinada y sobre una superficie horizontal, 𝑅𝐷: 𝑅𝐷= 𝛱 · 𝑤´𝑠 180 · sin𝛿 · sin(ø − 𝑠)+ cos𝛿 · cos(ø − 𝑠) · sin𝑤´𝑠 𝛱 · 𝑤𝑠 180 ·sin𝛿 · sinø + cos𝛿 · cosø · sin𝑤𝑠 Y por último, teniendo todos estos parámetros calculados, se pasa a calcular la irradiación global en la superficie inclinada, 𝐻𝑖: 𝐻𝑖= 𝑅𝐷· 𝐻𝐷+1 + cos𝑠 2· 𝐻𝑑 Mes Ángulo solar, 𝒘´𝒔 (º) 𝑹𝑫 Radiación superficie inclinada, 𝑯𝒊 ( 𝑴𝑱 𝒎𝟐·𝒅í𝒂) Enero 73,13 2,097 16,760 Febrero 79,94 1,693 19,104 Marzo 88,16 1,323 21,477 Abril 89,53 1,027 21,692 Mayo 89,05 0,848 21,657 Junio 88,81 0,777 22,869 Julio 88,92 0,808 24,114 Agosto 89,35 0,945 24,089 Septiembre 89,89 1,194 23,059 Octubre 82,62 1,560 20,247 Noviembre 75,00 1,981 17,128 Diciembre 71,14 2,236 14,795 Tabla 6: Radiación global sobre superficie inclinada. Figura 43: Radiación global sobre superficie horizontal e inclinada. En la Figura 43 se puede apreciar como, al poner los captadores solares inclinados 40º, en los 38 meses de verano se pierde radiación con respecto a una situación donde los captadores solares estuviesen de forma horizontal. Sin embargo, en los meses de invierno,la radiación que reciben es mayor si los captadores están inclinados que si están totalmente horizontal, además, en los meses de verano es cuando hay mayor demanda. En definitiva, la radiación recibida se vuelve más estable durante todo el año 2.3. Cálculo de la demanda 2.3.1 Cálculo de la demanda de ACS Para calcular la demanda de agua caliente sanitaria (ACS) del edificio basta con conocer la ocupación del mismo y el tipo de edificio en el que se encuentra la instalación solar. En este caso, la ocupación máxima es de 120 personas y se trata de un hospital, sabiendo esta información, basta con recurrir al Código Técnico de la Edificación (CTE-HE4), donde aparece una tabla con la demanda en litros por día y persona (Tabla 7). Por tanto, la demanda de agua caliente sanitaria diaria de la instalación será: 𝐷𝐴𝐶𝑆.𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝑛º 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠 × 𝐷𝐴𝐶𝑆 𝐷𝐴𝐶𝑆.𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 =120 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠 × 55 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑑í𝑎 × 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠 =6600𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑑í𝑎 Tabla 7: Demanda de referencia a 60ºC. 2.3.2 Cálculo de la demanda energética A continuación se muestra la demanda energética mensual en dos situaciones distintas, en la primera de ellas, se supone una ocupación del 100% durante todos los meses del año; en la segunda, la ocupación es más próxima a la realidad, en el mes de Julio la ocupación es del 90%, y en el mes de Agosto la ocupación es del 80%. Partiendo de los siguientes datos iniciales, teniendo en cuenta que el fluido caloportador es agua: • Densidad del fluido caloportador, 𝜌 (se considera constante): 1 𝑘𝑔 𝑙 • Calor específico del fluido caloportador (se considera constante): 4190 𝐽 𝑘𝑔×𝐾 • Temperatura del agua caliente sanitaria (ACS): 60ºC • Temperatura del agua de red: Esta temperatura dependerá del mes del año. En la Tabla 8 se muestra la temperatura del agua de red en Sevilla para los diferentes meses. Mes Temperatura del agua de red (ºC) Enero 11 Febrero 11 Marzo 13 Abril 14 Mayo 16 Junio 19 Julio 21 Agosto 21 Septiembre 20 Octubre 16 Noviembre 13 Diciembre 11 Tabla 8: Temperatura del agua de red en Sevilla. La demanda energética mensual se calcula de la siguiente manera: 𝐷𝐸𝑁𝐸𝑅𝐺Í𝐴.𝑀𝐸𝑆 = 𝐷𝐴𝐶𝑆.𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 × 𝐶𝑝×𝜌×(𝑇𝐴𝐶𝑆 − 𝑇𝑅𝐸𝐷)× 𝑛º𝑑í𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑠 Aplicando esta fórmula para cada uno de los doce meses, se obtiene la siguiente demanda de energía. (Tabla 9) 46 Figura 49: CS en función del número de captadores. Caso con intercambiador. En este caso, el nº de captadores necesario es de 50, como mínimo, para alcanzar la cobertura solar mínima exigida. 𝑽 𝑨 Volumen de acumulación (l) Cobertura solar (%) 50 6000 76 60 7200 77 70 8400 77 80 9600 78 90 10800 79 100 12000 79 120 14400 81 140 16800 82 160 19200 83 180 21600 84 Tabla 14: CS en función de V/A. Caso con intercambiador. Como en el caso del interacumulador, con la mínima relación entre V/A, sería suficiente para alcanzar la cobertura solar mínima. Figura 50: CS en función de V/A. Caso con intercambiador. Nº captadores en serie (Ns) Contribución solar (%) 1 76 2 69 3 61 Tabla 15: CS en función del nº de captadores en serie. Caso con intercambiador. Los resultados para la instalación con un intercambiador independiente son los siguientes: - Nº de captadores: 50 - Área de captación: 120 m2. - Nº de captadores en serie: 1 - V/A: 50 - Volumen de acumulación: 6000 l. - Contribución solar: 76% 48 Figura 51: CS en función del nº captadores en serie. Caso con intercambiador. 2.5. Distancia entre captadores y pérdidas Para que las pérdidas por sombras de los captadores solares sean nulas, debe existir una distancia minima de separación entre ellos. Esta distancia minima se muestra a continuación en la Figura 52. Figura 52: Separación mínima entre captadores. 𝑑 = ℎ tan(61 − 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑) = 𝑘 × ℎ Donde: d es la distancia mínima entre los captadores. h es la altura máxima del obstáculo. 𝑘 = 1 tan(61 − 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑) En este caso, teniendo en cuenta que la cubierta del edificio es una cubierta plana, y la inclinación de los captadores solares es de 40º, la altura máxima del obstáculo es 1,37 metros, y por tanto la separación mínima entre los captadores es de 3,1 metros. Consiguiendo esta separación mínima de 3,1 metros, los captadores no se sombrean entre sí, y como no hay ningún otro obstáculo que afecte al sombreado de los mismos, las pérdidas por sombras son nulas. Con respecto a las pérdidas por orientación e inclinación, se calculan de la siguiente manera según el Código Técnico de la Edificación: 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 (%)=100 × [1,2 × 10−4 ×(𝛽 − 𝛽ó𝑝𝑡)2+ 3,5 × 10−5 × 𝛼2] Donde: β es el ángulo de inclinación, en este caso 40º. 𝛽ó𝑝𝑡 es la latitud de la localidad donde se encuentra la instalación, en este caso 37,22º. α es la orientación de la instalación, en este caso orientación sur, 0º. En general, la orientación recomendada para la instalación es la orientación sur ±15º , en este caso, se ha tomado la orientación sur (0º), ya que es la óptima y no existen otros edificios u objetos que proyecten sombras sobre los captadores. Con respecto a la inclinación, la recomendada es la latitud de la localidad ±10º, dependiendo de la época del año en la que más se utilice la instalación. En este caso, la inclinación tomada ha sido de 40º, un poco mayor a la latitud de Sevilla, para sacarle mayor provecho a la instalación en los meses de invierno. Finalmente, las pérdidas por orientación e inclinación de esta instalación es de un 0,1%. Como puede observarse en la Figura 37, está dentro de los límites establecidos por el CTE. 2.6. Estructura de los captadores solares La estructura de apoyo de los captadores está formada por perfiles de acero normalizado, cortado y taladrados y posteriormente galvanizados en caliente para resistir los efectos de la intemperie. La union entre las distintas barras que componen la estructura se realiza mediante tornillería de seguridad de acero inoxidable. Son estructuras estándar para 1,2 y 3 captadores, que se unen entre sí para formar baterías de 4, 5 y 6 captadores, en este caso serán baterías de 5 captadores. Las estructuras estándar en terraza plana tienen una inclinación con respecto a la horizontal de 45º, pero pueden lograrse 40º y 50º modificando la posición de los perfiles, en este caso la inclinación es de 40º. Figura 53: Estructura de los captadores T25US para cubierta plana. 50 2.7. Cálculos de la red de tuberías En este apartado, se dimensionan las tuberías de la instalación y se calculan las pérdidas de cargas junto con la de los accesorios y equipos que forman parte del sistema, para más adelante, dimensionar el grupo de bombeo y el vaso de expansión. 2.7.1 Pérdida de carga de los captadores solares En el catálogo del fabricante TERMICOL aparece entre otros datos técnicos, la pérdida de carga en función del caudal másico del captador T25US. (Figura 23) El caudal del captador es de 72 𝑙 ℎ·𝑚2, teniendo en cuenta que el área es de 2,4 m2 y que la densidad del agua es 1 𝑘𝑔 𝑙, se obtiene un caudal másico de 2,28 𝑘𝑔 𝑚𝑖𝑛. Aplicando la relación correspondiente entre el caudal másico y la pérdida de carga: ∆𝑝 (𝑚𝑏𝑎𝑟)= 0,0975 ·(ṁ𝑐)2+ 0,7908 · ṁ𝑐− 0,059 = 2,5527 𝑚𝑏𝑎𝑟 Teniendo en cuenta que todos los captadores están en paralelo, la pérdida de carga en los captadores será 2,5527 mbar, o lo que es lo mismo, 0,2553 kPa. 2.7.2 Pérdida de carga en el interacumulador Como se ha calculado anteriormente, el volumen de acumulación necesario para la instalación es de 7200 litros. Se ha optado por poner dos depósitos en paralelo del fabricante LAPESA, concretamente el modelo MXV-4000, cada uno de ellos con una capacidad de 4000 litros. La pérdida de carga del depósito para un caudal de 10,368 𝑚3 ℎ, se obtiene de la gráfica correspondiente que se puede encontrar en la ficha técnica del equipo. (Figura 54) Figura 54: Pérdida de carga MXV-4000. La pérdida de carga del serpentín del acumulador, es de 700 mbar, o lo que es lo mismo, 70 kPa. 2.7.3 Cálculo de la red de tuberías Para realizar el dimensionamiento de la red de tuberías de la instalación, es necesario tener en cuenta las recomendaciones del pliego de condiciones técnicas del IDAE: ❖ La velocidad de circulación del fluido debe ser menos a 2 m/s a su paso por locales habitados, e inferior a 3 m/s a su paso por zonas exteriores. En este caso, las tuberías se encuentran principalmente en la cubierta del hospital, por lo que el límite que se ha considerado es de 3 m/s. ❖ Las pérdidas de carga de las tuberías por metro lineal deben ser inferiores a 40 mm.c.a/m cuando se trate de agua. ❖ El díametro de las tuberías debe estar normalizado. A continuación se calcula el caudal de agua que circula por el circuito primario, que a su vez, será el caudal que se utilizará para el dimensionamiento de la bomba: ṁ𝐵=ṁ𝑐· 𝑁 · 𝐴 𝑁𝑠 Donde: - ṁ𝑐 es el caudal de ensayo del captador solar, en este caso 72 𝑙 ℎ·𝑚2. - 𝑁 es el número de captadores solares, en este caso 60. - 𝐴 es el área de cada uno de los captadores, en este caso 2,4 m2. - 𝑁𝑠 es el número de captadores en serie, en este caso 1. Por tanto el caudal del circuito primario de la instalación es de 10368 𝑙 ℎ, o lo que es lo mismo, 10,368 𝑚3 ℎ. Para calcular la pérdida de carga en las tuberías, se utiliza una hoja Excel del profesor D.Juan Francisco Coronel Toro. Lo primero, es definir el material de las tuberías, cobre en este caso, y la temperatura del agua, 10ºC. A continuación, en la siguiente tabla (Tabla 16) se pueden observar para diferentes diámetros, el caudal límite que puede circular por la tubería para cumplir con dos restricciones, que la velocidad sea menor que 3 m/s, y que la presión sea menor que 392 Pa. D (´´) D(mm) V392 Pa (l/h) V3 m/s (l/h) Caudal Límite 1 25.4 1555 5472 1555 1-1/4 31.75 2850 8551 2850 1-1/5 38.1 4667 12313 4667 2 50.8 10132 21890 10132 2-1/2 63.5 18440 34203 18440 Tabla 16: Caudal límite en función del diámetro. Es necesario identificar cada uno de los tramos de tubería que hay en la instalación, una vez que están identificados, hay que calcular la longitud y el caudal de agua que circula por cada uno de ellos, y a partir de aquí, ya podemos obtener la pérdida de carga líneal de cada uno de los tramos 52 Tramo Caudal (l/h) Longitud (m) Diámetro (´´) Dp (Pa/m) Dp (kPa) 1 10368 4.31 2.5 140.5 0.6 2 10368 0.81 2.5 140.5 0.1 3 10368 40.69 2.5 140.5 5.7 4 5184 14.96 2 119.7 1.8 5 864 9.00 1 141.5 1.3 6 3456 4.71 1.5 230.8 1.1 7 864 9.00 1 141.5 1.3 8 1728 4.71 1.25 163.3 0.8 9 864 9.00 1 141.5 1.3 10 864 9.00 1 141.5 1.3 11 864 9.00 1 141.5 1.3 12 864 9.00 1 141.5 1.3 13 5184 14.96 2 118.7 1.8 14 864 9.00 1 141.5 1.3 15 3456 4.71 1.5 230.8 1.1 16 864 9.00 1 141.5 1.3 17 1728 4.71 1.25 163.3 0.8 18 864 9.00 1 141.5 1.3 19 864 9.00 1 141.5 1.3 20 864 9.00 1 141.5 1.3 21 864 9.00 1 141.5 1.3 22 1728 4.71 1.25 163.3 0.8 23 3456 4.71 1.5 230.8 1.1 24 5184 5.00 2 119.7 0.6 25 1728 4.71 1.25 163.3 0.8 26 3456 4.71 1.5 230.8 1.1 27 5184 5.00 2 119.7 0.6 28 10368 40.33 2.5 140.5 5.7 29 10368 17.95 2.5 140.5 2.5 Tabla 17: Pérdida de carga lineal por tramos. Con respecto a la pérdida de carga de los accesorios, se utiliza el método de la longitud equivalente, para ello es necesario contar el número y tipo de accesorio que hay en cada uno de los tramos, y según el diámetro del tramo se obtiene la longitud equivalente. Para ello se utiliza la Figura 55. Figura 55: Longitud equivalente de los accesorios. Tramo Diámetro (´´) Long.Accesorio (m) Dp accesorio (kPa) 1 2.5 6.14 0.9 2 2.5 4.96 0.7 3 2.5 8.57 1.2 4 2 2.72 0.3 5 1 3.38 0.5 6 1.5 0.74 0.2 7 1 3.38 0.5 8 1.25 0.62 0.1 9 1 3.38 0.5 10 1 3.38 0.5 11 1 3.38 0.5 12 1 3.38 0.5 13 2 2.72 0.3 14 1 3.38 0.5 15 1.5 0.74 0.2 16 1 3.38 0.5 17 1.25 0.62 0.1 18 1 3.38 0.5 19 1 3.38 0.5 20 1 3.38 0.5 21 1 3.38 0.5 22 1.25 0.62 0.1 23 1.5 0.74 0.2 24 2 0.98 0.1 25 1.25 0.62 0.1 26 1.5 0.74 0.2 27 2 0.98 0.1 28 2.5 8.57 1.2 29 2.5 7.78 1.1 Tabla 18: Pérdida de carga de los accesorios. 54 Por último, para saber la pérdida de carga total por tramo, se suman las pérdidas de carga lineal, por accesorios, y por equipos calculados anteriormente (captadores e interacumuladores). Tramo Dp lineal (kPa) Dp acces.(kPa) Dp equip. (kPa) Dp total (kPa) 1 0.6 0.9 70 71.5 2 0.1 0.7 70 70.8 3 5.7 1.2 0 6.9 4 1.8 0.3 0 2.1 5 1.3 0.5 0.3 2.0 6 1.1 0.2 0 1.3 7 1.3 0.5 0.3 2.0 8 0.8 0.1 0 0.9 9 1.3 0.5 0.3 2.0 10 1.3 0.5 0.3 2.0 11 1.3 0.5 0.3 2.0 12 1.3 0.5 0.3 2.0 13 1.8 0.3 0 2.1 14 1.3 0.5 0.3 2 15 1.1 0.2 0 1.3 16 1.3 0.5 0.3 2.0 17 0.8 0.1 0 0.9 18 1.3 0.50 0.3 2.0 19 1.3 0.5 0.3 2.0 20 1.3 0.5 0.3 2.0 21 1.3 0.5 0.3 2.0 22 0.8 0.1 0 0.9 23 1.1 0.2 0 1.3 24 0.6 0.1 0 0.7 25 0.8 0.1 0 0.9 26 1.1 0.2 0 1.3 27 0.6 0.1 0 0.7 28 5.7 1.2 0 6.9 29 2.5 1.1 0 3.6 Tabla 19: Pérdida de carga total por tramos. A continuación, para saber si la instalación está equilibrada o no, se calcula la pérdida de carga de cada una de las trayectorias posibles del fluido: Trayectoria Tramos Dp (kPa) Desequilibrio (%) 1 29,1,2,3,28,13,19,22,23,24 95.8 -0.4 2 29,1,2,3,28,13,15,20,23,24 96.2 0 3 29,1,2,3,28,13,15,17,21,24 95.8 -0.4 4 29,1,2,3,28,13,14,22,23,24 95.8 -0.4 5 29,1,2,3,28,13,15,16,23,24 96.2 0 6 29,1,2,3,28,13,15,17,18,24 95.8 -0.4 7 29,1,2,3,28,4,6,8,12,27 95.8 -0.4 8 29,1,2,3,28,4,6,11,26,27 96.2 0 9 29,1,2,3,28,4,10,25,26,27 95.8 -0.4 10 29,1,2,3,28,4,6,8,9,27 95.8 -0.4 11 29,1,2,3,28,4,6,7,26,27 96.2 0 12 29,1,2,3,28,4,5,25,26,27 95.8 -0.4 Tabla 20: Trayectorias y desequilibrios. El desequilibrio de la instalación se calcula con respecto a la trayectoria que tiene mayor pérdida de carga, en este caso 96,2 kPa. Como se puede observar, el máximo desequilibrio del sistema es de -0.4%, por lo que el sistema está muy bien equilibrado. Para ello, se ha utilizado un diseño con retorno invertido. 2.8. Dimensionado de la bomba Según el CTE-HE4: • Si el circuito de captadores está dotado con una bomba de circulación, la caída de presión se debería mantener aceptablemente baja en todo el circuito. • Siempre que sea posible, las bombas en línea se montarán en las zonas más frías del circuito, teniendo en cuenta que no se produzca ningún tipo de cavitación y siempre con el eje de rotación en posición horizontal. • En instalaciones superiores a 50 m2 se montarán dos bombas idénticas en paralelo, dejando una de reserva, tanto en el circuito primario como en el secundario. En este caso se preverá el funcionamiento alternative de las mismas, de forma manual o automática. El área de captación de la instalacion es de: 𝐴𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑁 · 𝐴𝑐=60 𝑐𝑎𝑝𝑡 · 2,4𝑚2=144 𝑚2 Por tanto será necesario disponer de dos bombas. Por otro lado, el dimensionado de la bomba depende del caudal del circuito primario, ya calculado 62 64 3. PLIEGO DE CONDICIONES TÉCNICAS Y ADMINISTRATIVAS 66 3.1. Objeto El presente pliego de condiciones técnicas fija los criterios generals del Proyecto de instalación de captadores solares planos para la producción de agua caliente sanitaria en un hospital en Sevilla. Habrán de definirse los equipos y materiales utilizados, montajes de los equipos, además de las pruebas y ensayos parciales a realizer, detallándose también su mantenimiento. 3.2. Normativa aplicable 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. - Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), y sus Instrucciones Técnicas Complementarias (ITE). Real Decreto 1027/2007 de 20 de Julio. - Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT) y sus instrucciones Complementarias MI.BT, incluidas las hojas de interpretación. - 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 – Protección frente al ruido (CTE-DB-HR). - Norma UNE-EN 12975-1:2006. “Sistemas solares térmicos y components. Captadores solares.” - Igualmente, se cumplirá con toda la normative de carácter regional y local (Ordenanzas, etc.). - Aparte de la Normativa de carácter obligatorio antes mencionada, se utilizará otras normas como las 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. En ocasiones, a falta de normativa Española, podrán utilizarse de organismos internacionales, como CER, ISO, etc. En cualquier caso se seguirá 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 materiales y equipos 3.3.1 Tuberías En los distintos circuitos cerrados de la instalación podrán utilizarse 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. Se realizara soldadura fuerte cuando la temperatura del circuito pueda superar en algún momento los 125ºC. En todos los casos es aconsejable prever la protección catódica del acero según Norma UNE 100050. Todos los elementos metálicos no galvanizados, ya sean tuberías, soportes, o bien accesorios, o que no estén debidamente protegidos contra la oxidación por su fabricante, se les aplicara dos capas de pintura antioxidante a base de resinas sintéticas acrílicas multipigmentadas por minio de plomo, cromado de zinc y óxido de hierro. Las dos manos se darán: la primera fuera de obra y la otra con el tubo instalado. 3.3.2 Accesorios: • Conexiones a equipos: Se dispondrán elementos de unión que permitan una fácil conexión y desconexión de los diferentes equipos y elementos de la red de tuberías, tales como latiguillos, bridas, etc., dispuestas de tal modo que los equipos puedan ser mantenidos o que puedan retirarse sin tener que desmontar la tubería. La instalación se realizara de tal modo que no se transmitan esfuerzos de las redes de tuberías a los equipos. • Compensadores de dilatación: Se utilizaran en los circuitos de agua caliente. Los compensadores de dilatación han de ser instalados allí donde indique el plano y, en su defecto, donde se requiera según la experiencia del instalador, adaptándose a las recomendaciones del Reglamento E Instrucciones Técnicas correspondientes. Se situarán siempre entre dos puntos fijos, donde sean capaces de soportar los esfuerzos de dilatación y de presión que se originan. Los extremos del compensador serán de acero al carbono preparados para soldar a la tubería con un chaflán de 37º30' y un talón de 1,6 mm cuando el diámetro nominal de la tubería sea de hasta 2'' inclusive. Para tuberías de diámetro superior, las conexiones serán por medio de bridas en acero al carbono s/normas DIN 2502 o 2503, según las presiones sean de 6 y 10 o 16 Kg/cm2. Estas bridas irán soldadas a los cuellos del compensador por los procedimientos recomendados para la soldadura de piezas en acero al carbono de espesores medios. • Juntas: Prohibida la utilización de juntas de amianto. La presión nominal minima será PN-10 y soportarán temperaturas hasta 200ºC. • Lubricante de roscas: Se utilizará un lubricante que no sea endurecedor ni venenoso. • Derivaciones: Se utilizarán empalmes soldados excepto si la situación no lo permite. Todas las aberturas realizadas a las tuberías se harán con bastante precision para lograr intersecciones perfectamente acabadas. • Codos en bombas: Cuando sea necesaria la conexión directa de un codo a una bomba, el codo deberá ser de largo suficiente y con curvatura no muy agresiva para facilitar la aspiración y descarga. • Sombreretes: Se protegerán adecuadamente cada una de las tuberías que pasen a través del tejado de acuerdo a las instrucciones de la Dirección Facultativa. 68 • Guías: Se suministrarán guías, donde se indique y donde sea necesario como en liras, juntas de expansion, instaladas según las recomendaciones del fabricante. • Termómetros: Serán de mercurio en vidrio, con una escala adecuada para el servicio dentro de una caja metálica protectora con ventana de vidrio, instalados de modo que su lectura sea sencilla. • Válvulas de seguridad: Se incluirán todas las válvulas de seguridad indicadas, o necesarias (de tarado adecuado) para un funcionamiento completamente seguro y correcto de los sistemas. Durante el periodo de pruebas de la instalación se procederá al timbrado de las mismas. Las válvulas de seguridad de alivio serán de paso angular y carga por resorte. Serán adecuadas para condiciones de trabajo de 0 a 120ºC y hasta 25 kg/cm2. Los materiales de fabricación serán bronce RG-5 para el cuerpo, vástago, tornillo de fijación, tuerca deflectora y la tobera, latón para el cabezal y obturador, acero cadmiado para el resorte y PTFE para la junta. • Purgadores de aire: Cuando sea necesario, y con el fin de disponer de una instalación silenciosa y evitar formación de cámaras de aire se dispondrá la tubería con pendiente ascendente hacia la dirección de flujo. Las derivaciones se harán de tal modo que se eviten retenciones de aire y se permita el paso libre del mismo. Se incluirán purgadores de aire, manuales o automáticos, en todos los puntos altos, particularmente en los puntos más elevados de los montantes principales así como en todos los puntos necesarios, teniéndose especial cuidado en los retornos (ascensos, codos ascendentes). En el caso de que, una vez que las redes estén en funcionamiento, se den anomalías por presencia de aire en la instalación, se instalaran nuevos empalmes, purgadores, válvulas según se considere necesario y sin costes extra. Si se deben realizar trabajos que requieran rotura, y reposición de acabados, el contratista se hará cargo de los gastos generados. • Vaciados: Los vaciados, purgadores, válvulas de seguridad, reboses, se dirigirán al sumidero o desagüe más cercano. En cualquier caso, se adoptaran las medidas oportunas para evitar que una descarga accidental produzca danos o desperfectos. Se suministrarán las válvulas de vaciado que sean necesarias para el vaciado completo de todas las tuberías y equipos. 3.3.3 Válvulas Las válvulas llevarán impreso de forma indelible el diámetro nominal, la presión nominal y, si procede, la presión de ajuste. La elección de las válvulas se realizará según la función que desempeñan y las condiciones extremas de funcionamiento, presión y temperatura, siguiendo los siguientes criterios: - Aislamiento: Válvulas de esfera. - Equilibrado de circuitos: Válvulas de asiento. - Vaciado: Válvulas de esfera. - Llenado: Válvulas de esfera. - Purga de aire: Válvulas de esfera. - Seguridad: Válvulas de resorte. - Retención: Válvulas de clapeta o de muelle. Las válvulas de seguridad deberán ser capaces de deriver la potencia máxima del captador o grupo de captadores, incluso en forma de vapor, de manera que en ningún caso sobrepase la máxima presión de trabajo del captador o del sistema. Los purgadores automáticos resistirán las presiones y temperaturas máximas alcanzables en el circuito correspondiente. Los del circuito primario se recomienda que resistan, al menos, temperaturas de 150 ºC. • Válvula de esfera: - Cuerpo de fundición de hierro o acero. - Esfera y eje de acero duro cromado o acero inoxidable. - Asientos, estopada y juntas de teflón. Podrán ser de latón estampado para diámetros inferiors a 1 ½ con esfera de latón duro cromado. • Válvulas de asiento: - Cuerpo de bronce (hasta 2´´) o de fundición de hierro o acero. - Tapa del mismo material que el cuerpo. - Obturador en forma de pistón o de asiento plano con cono de regulación de acero inoxidable y aro de teflón. No será solidario al husillo. - El asiento será integral en bronce o en acero inoxidable según el cuerpo de la válvula. - Prensa-estopas del mismo material que el cuerpo y tapa. • Válvulas de seguridad de resorte: - Cuerpo de hierro fundido o acero al carbon con escape conducido. - Obturador y vástago de acero inoxidable. - Prensa-estopas de latón. Resorte en acero especial para muelle. • Válvulas de retención de clapeta: - Cuerpo y tapa de bronce o latón. - Asiento y clapeta de bronce. - Conexiones rosca hembra. • Válvulas de retención de muelle: - Cuerpo y tapa de bronce o latón. - Asiento y clapeta de bronce. - Conexiones rosca hembra. - Resorte en acero especial para muelle. • Purgadores automáticos de aire: - Cuerpo y tapa de fundición de hierro o latón. - Mecanismo de acero inoxidable. - Flotador y asiento de acero inoxidable o de plástico. - Obturador de goma sintética. 3.3.4 Aislamiento El material usado como aislamiento deberá cumplir con la norma UNE 100171. 70 El material aislante situado a la intemperie deberá protegerse adecuadamente frente a los agentes atmosféricos de forma que se evite su deterioro. Como protección del material aislante se podrá utilizar una cubierta o revestimiento de escayola protegido con pinturas asfálticas, poliésteres reforzados con fibra de vidrio o chapa de aluminio. En el caso de que el aislamiento esté basado en espuma elastómera, se podrá utilizar pinturas plásticas impermeables cuya exposición prolongada al sol no afecte a sus propiedades fundamentales. En el caso de acumuladores e interacumuladores de calor situados a la intemperie podrán usarse forros de telas plásticas como protección del material aislante. 3.3.5 Vasos de expansion Los vasos de expansión serán siempre cerrados. El vaso de expansión llevara una placa de identificación situada en lugar claramente visible y escrito con caracteres indelebles en las que aparecerán los siguientes datos: - Fabricante. - Marca. - Modelo. Se recomienda que los vasos de expansión utilizados en los circuitos primarios tengan una temperatura máxima de funcionamiento superior a 100ºC pero, en cualquier caso, se adoptaran las medidas necesarias (vaso tampón, tubería de enfriamiento, etc.). Para que no llegue al vaso fluido a temperatura superior a la que el mismo pueda soportar. En casos de fugas, los vasos de expansión deberían presurizarse con nitrógeno puro. El uso de aire no es aconsejable porque puede reducir la vida útil. El cuerpo exterior del depósito será de acero, timbrado y estará construido de forma que sea accesible la membrana interior de expansión. El interior tendrá un tratamiento anticorrosivo y exteriormente un doble tratamiento antioxidante con acabado pintado al duco o esmaltado al horno. El depósito estará dividido en dos cámaras herméticas entre sí, por la membrana de dilatación, construida en caucho butílico o polipropileno, con elasticidades recuperables a temperaturas inferiores a 60ºC, sin degradación del material. La cámara de expansión de gas estará rellena con nitrógeno u otro gas inerte disponiendo de acometida para reposición de gas y manómetro. En la acometida del agua se incluirá manómetro, termómetro, válvula de alimentación, purga de agua y seguridad. Asimismo, esta acometida dispondrá de sifón en cuya parte superior se dispondrá de botellón de recogida de aire con purgador manual y automático 3.3.6 Bombas La bomba de circulación llevara una placa de identificación situada en lugar claramente visible y escrito con caracteres indelebles en las que aparecerán los siguientes datos: - Fabricante. - Marca. - Modelo. - Características eléctricas. Los grupos bombas deberán reunir las siguientes características en cuanto a materiales y prestaciones: 1) Cuerpo en fundición o bronce. Partidos, o no, según planos. Se incluirán conexiones para cebado, venteo, drenaje y manómetros en impulsión y descarga. 2) Rodete de fundición/polysulfone o bronce. 3) Eje en acero inoxidable AISI 316. 4) Tubo de estanqueidad en acero inoxidable. 5) Cojinetes a bolas de cabrono, a prueba de polvo y humedad. 6) Cierres mecánicos: todas las bombas deberán estar provistas con cierres mecánicos y separadores de sedimentos. 7) Juntas torcas de EPDM. 8) Acoplamientos flexibles del tipo todo acero con protector de acoplamiento. Se incluirá espaciador en el acoplamiento para facilitar el mantenimiento del grupo. 9) Rotor húmedo o seco, según documentos del proyecto. 10) Motor de 2 o 4 polos, 2900 o 1450 rpm, 220V/1~ o 220/380V/ 3~, 50 Hz, IP.44 clase F. 11) Presión de aspiración 2 maca, para 82ºC. 12) Caudal, altura manométrica, potencial del motor, número de velocidades y presión Sonora según lo establecido en el presupuesto o especificaciones técnicas. 13) En circuitos de agua caliente sanitaria, los materiales de la bomba serán resistentes a la corrosión. 14) Los materiales de la bomba del circuito primario serán compatibles con las mezclas anticongelantes y en general con el fluido de trabajo utilizado. 3.3.7 Captadores solares El captador llevará una etiqueta visible y duradera con los siguientes datos: - Nombre del fabricante. - Tipo. - Número de serie. - Año de fabricación. - Superficie total del captador. - Dimensiones del captador. - Presión máxima de trabajo. - Temperatura de estancamiento a 1000 W/m2 y 30ºC. - Volumen del fluido de transferencia de calor. - Peso del captador vacío. - Lugar de fabricación. Es recomendable que se utilicen captadores solares que se ajusten a las siguientes características técnicas: 1) Material de la cubierta transparente: vidrio templado de espesor no inferior a 3 mm y transitividad mayor o igual a 0,8. 2) Distancia media entre el absorbedor y la cubierta transparente no inferior a 2 cm ni superior a 4 cm. 3) Absorbedor constituido solo por materiales metálicos. La instalación de sistemas integrados en cubierta se debería realizar mediante procedimiento acreditado por el fabricante y de forma que se garanticen las características funcionales y de durabilidad del conjunto. 78 3.7. Mantenimiento 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 correctivo. 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. Puede ser llevado a cabo por el usuario. Figura 59: Plan de vigilancia. 3.7.2 Mantenimiento preventivo El plan de mantenimiento ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento necesarias para 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 implicara, como mínimo, una revisión anual de la instalación para instalaciones con área de apertura de captación inferior a 20 m2 y una revisión cada seis meses para instalaciones superiores a 20 m2. 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 observer. Figura 60: Plan de mantenimiento del sistema de captación. Figura 61: Mantenimiento del sistema de acumulación. Figura 62: Mantenimiento del sistema de intercambio. 80 Figura 63: Mantenimiento del sistema de distribución. Figura 64: Mantenimiento del sistema de control. Figura 65: Mantenimiento del sistema auxiliar 3.7.1 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 realizaran 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. 4. MEDICIONES Y PRESUPUESTO 82 4.1. Equipos y elementos Nº Orden Descripción de las unidades de obra Uds Precio ud (€) Importe 4.1.1 Captador solar plano TERMICOL T25US 2,4 m2 superficie de captación, o equipo de calidad y prestaciones equivalentes: Peso: 39 kg Dimensiones (mm): 2,130x1240x83 Caudal de ensayo: 72 l/h·m2 K50: 0,82; a1=3,93 W/m2K; a2=0,026 W/m2K Rendimiento óptico: 0,8 Aislamiento: lana de roca semirígida de 35 mm Carcasa: aluminio Caída de presión: y=0,0975x2+0,7908x-0,059 siendo x el caudal en kg/min 60 550,00 33.000,00 4.1.2 Estructura soporte 451VU25 TERMICOL o similar. Estructura para cubierta plana y 5 captadores T25US TERMICOL. Acero con tratamiento galvanizado en caliente. 12 535,00 6.420,00 4.1.3 Conexión de batería de captadores 215BATCAP0 TERMICOL o similar. Contiene el sistema de purga, de seguridad y de cierre necesarios para un correcto montaje de la instalación. 12 120,00 1.440,00 4.1.4 Conexión entre captadores 709TC1818 TERMICOL o similar. 60 5,00 300,00 4.1.5 Conexión de adaptación 215RACBATAT0 TERMICOL o similar. Racores de adaptación al circuito hidráulico. 12 18,00 216,00 4.1.6 Interacumulador MXV4000SSB o similar. 2 16688,00 33.376,00 Capacidad: 4000 litros. Aislado con espuma rígida de poliuretano inyectado. Tª máxima 90ºC. Presión máxima 8 bar. 8,4 m2 de serpentín. 4.1.7 Bomba de circulación Stratos Maxo-Z 65/0,5-12 WILO o similar. Consumo: 800 W. 2 6.153,00 12.306,00 4.1.8 Vaso de expansion 706SOL025 de TERMICOL o similar. Capacidad 25 litros. 1 70,00 70,00 4.1.9 Set de conexión vaso de expansion 704SETCGB de TERMICOL o similar. 1 47,00 47,00 TOTAL CAPÍTULO EQUIPOS Y ELEMENTOS 87.175,00 4.2. Canalizaciones y valvulería Nº Orden Descripción de las unidades de obra Uds Precio ud (€) Importe 4.2.1 Tubería de cobre 2.5´´ SALVADOR ESCODA o similar. 104,11 52,96 5.513,66 4.2.2 Tubería de cobre 2´´ SALVADOR ESCODA o similar. 39,93 31,92 1.274,56 4.2.3 Tubería de cobre 1.5´´SALVADOR ESCODA o similar. 18,84 24,48 461,20 4.2.4 Tubería de cobre 1.25´´ SALVADOR ESCODA o similar. 18,84 20,50 386,22 4.2.5 Tubería de cobre 1´´ SALVADOR ESCODA o similar. 108,00 11,63 1.256,04 4.2.6 Aislante espesor 30 mm 2.5´´ ROCKWOOL o similar. 23,09 6,40 147,77 4.2.7 Aislante espesor 40 mm 2.5´´ ROCKWOOL o similar. 81,03 9,16 742,24 4.2.8 Aislante espesor 40 mm 2´´ ROCKWOOL o similar. 39,93 7,93 316,65 4.2.9 Aislante espesor 40 mm 1.5´´ 18,84 7,21 135,84 84 ROCKWOOL o similar. 4.2.10 Aislante espesor 40 mm 1.25´´ ROCKWOOL o similar. 18,84 6,74 126,99 4.2.11 Aislante espesor 40 mm 1´´ ROCKWOOL o similar. 108 6,07 655,56 4.2.12 Codo 90º 2,5´´ H-H FO71422 SALVADOR ESCODA o similar. 16 2,03 32,48 4.2.13 Codo 90º 2´´ H-H FO71421 SALVADOR ESCODA o similar. 4 1,24 4,96 4.2.14 Codo 90º 1´´ H-H AS04233 SALVADOR ESCODA o similar. 24 0,77 18,48 4.2.15 Te 90º H-H-H 2,5´´ FO71422 SALVADOR ESCODA o similar. 6 2,44 14,64 4.2.16 Te 90º H-H-H 2´´ FO71441 SALVADOR ESCODA o similar. 4 2,00 8,00 4.2.17 Te 90º H-H-H 1,5´´ AS04255 SALVADOR ESCODA o similar. 4 2,15 8,60 4.2.18 Te 90º H-H-H 1´´ AS04254 SALVADOR ESCODA o similar. 4 1,38 5,52 4.2.19 Válvula de retención 2´´ AA 05 166 SALVADOR ESCODA o similar. 2 27,29 54,58 4.2.20 Válvula de seguridad AC 05 210 SALVADOR ESCODA tarada a 8 bar o similar. 3 14,87 44,61 4.2.21 Válvula de esfera 2,5´´ AA 03 689 SALVADOR ESCODA o similar. 41 84,52 3.465,32 4.2.22 Válvula de vaciado AA02413 SALVADOR ESCODA o similar. 2 19,70 39,40 TOTAL CAPÍTULO CANALIZACIONES Y VALVULERÍA 14.713,32 4.3. Electricidad y control Nº Orden Descripción de las unidades de obra Uds Precio ud (€) Importe 4.3.1 Centralita de control LTDC-V3 de TERMICOL 703C2MTDC53 o 1 307,00 307,00 similar. 4.3.2 Termómetro bimetálico con vaina IM02106 SALVADOR ESCODA o similar. 3 26,47 79,41 TOTAL CAPÍTULO ELECTRICIDAD Y CONTROL 386,41 4.4. Presupuesto total de la instalación En cada uno de los capítulos anteriores está incluida la mano de obra. A continuación, se muestra un desglose del presupuesto total de la instalación. Asunto Precio (€) Equipos y elementos. 87.175,00 Canalizaciones y valvulería. 14.713,32 Electricidad y control. 386,41 Presupuesto total sin IVA ni beneficios. 102.274,73 Beneficio industrial (15%). 15.341,21 Presupuesto total sin IVA. 117.615,94 IVA (21%) 24.699,34 Presupuesto total 142.315,29 Tabla 23: Desglose del presupuesto de la instalación. El precio de la instalación por metro cuadrado es de: 988,3 €/m2. Figura 66: Porcentajes del presupuesto total. 86 5. PLANOS