Instalaciones de energía solar térmica para la obtención de ACS en viviendas

1. DATOS GENERALES

1.1 Aplicación de la Ley de Propiedad Horizontal

A la edificación objeto de este proyecto le es aplicable la Ley 49/1960 de 21 de julio de Propiedad Horizontal, modificada por la Ley 8/1999 de 6 de abril.

Constituye una única comunidad de propietarios.

1.2 Objeto del proyecto técnico

El objeto del proyecto es dar cumplimiento a la normativa vigente sobre utilización de energía solar térmica para ahorro de energía en edificios, en particular:

 El Código Técnico de la Edificación (CTE), aprobado con el RD 314/2006 del 28 de marzo. El apartado 4 del Documento Básico HE de ahorro de energía del CTE establece la contribución solar mínima de agua caliente sanitaria.

La infraestructura común para usos térmicos de la energía solar consta de los elementos necesarios para satisfacer inicialmente la función de captación y utilización de energía solar activa de baja temperatura para calentamiento de agua caliente sanitaria.

Es, por tanto, objeto de este proyecto técnico el diseño de un sistema que cumpla con dicha normativa.

No existe normativa municipal en Calatayud que regule las instalaciones de energía solar térmica.

2. CONFIGURACIÓN BÁSICA DE LA INSTALACIÓN

2.1 Clasificación de la instalación

En consideración a los diferentes objetivos atendidos por este proyecto, se aplicarán los siguientes criterios de clasificación:

2.1.1 Principio de circulación

La circulación del sistema será forzada.

N. a p.: La instalación requerirá un sistema de bombeo. En instalaciones pequeñas el bombeo puede no ser necesario porque la circulación se haga por gravedad. Existen los llamados equipos termosifones, equipos compactos para pequeñas viviendas y que carecen de sistema de bombeo.

2.1.2 Sistema de transferencia de calor

La instalación tendrá un sistema de transferencia de calor externo, no integrado en el acumulador solar.

N. a p.: Es el sistema encargado de transmitir el calor del sol al agua, almacenada en el acumulador. Para bajas transferencias de calor o volúmenes de acumulación menores, existen equipos acumuladores con intercambiador de calor interno, denominado de tipo sumergido. Éstos se denominan interacumuladores.

2.1.3 Sistema de expansión

El sistema será cerrado.

2.1.4 Sistema de aporte de energía auxiliar

El sistema de aporte de energía auxiliar será en línea distribuido.

N. a p.: Significa que cada vivienda contará con su propia caldera para hacer frente a las carencias de aporte de agua caliente. Si la instalación no es muy grande, se puede instalar una caldera central de más potencia que dé servicio a todo el edificio.

2.1.5 Aplicación

La instalación será para el calentamiento de agua sanitaria.

Esta clasificación se hace con referencia a las definiciones dadas en el Anexo II del Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Energía Solar Térmica para instalaciones de Baja Temperatura del Instituto para la Diversificación y el Ahorro de Energía (IDAE).

3. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS INSTALACIONES Y SUS COMPONENTES

3.1 Descripción general de la instalación

La instalación solar térmica está constituida por los siguientes elementos:

 Sistema de captación.

 Sistema de acumulación.

 Sistema de intercambio.

 Sistema hidráulico.

 Sistema de energía auxiliar.

 Sistema de regulación y control.

El esquema de la instalación, los planos de ésta, así como su localización, están representados en los planos citados a continuación:

 Plano 5.1 Leyenda.

 Plano 5.2 Sistema de colección.

 Plano 5.3 Sistemas de acumulación y de intercambio de calor.

 Plano 5.4 Esquema general de toda la instalación hidráulica y de energía solar térmica.

 Plano 6.1 Leyenda.

 Plano 6.2 Alzado de la instalación.

 Plano 6.3 Planta de la instalación.

 Plano 7.1 Mapa de la instalación.

3.2 Descripción de los componentes de la instalación
3.2.1 Cómo funciona

Una instalación de energía solar térmica permite aprovechar el calor solar para calentar agua que sea consumida o utilizada para calefactar.

Es posible concentrar el calor solar debido al efecto invernadero generado en el interior de los colectores o paneles solares. Este calor se transmitirá al agua de consumo, no generando electricidad en ningún momento, a diferencia de lo que ocurre con la energía solar fotovoltaica.

La transmisión de calor se hace con ayuda del fluido caloportador (o fluido primario). Este fluido circula a través de un circuito cerrado (circuito primario), que atraviesa el sistema colector y el llamado intercambiador de calor.

El fluido, una mezcla de anticongelante y agua, adquiere el calor al pasar a través del sistema colector, y es en el intercambiador de calor donde transfiere su alta temperatura al agua de consumo. Es el circuito primario, y no el fluido caloportador en sí, lo que entra en contacto con el agua.

El agua se transporta desde el intercambiador al acumulador (circuito secundario). Existen también acumuladores con intercambiador de calor interno (como el de la figura 3.1). Estos acumuladores conservan el agua caliente para que pueda ser consumida en los periodos en los que la instalación no está en funcionamiento.

Figura 3.1 Esquema de una instalación de energía solar térmica

El agua será transportada desde el sistema de acumulación al punto de consumo a través del circuito de distribución. También puede existir un circuito de retorno que haga circular el agua residente en el circuito de distribución hasta el acumulador para que pueda ser calentada de nuevo, y reducir así las pérdidas térmicas.

En caso de que el aporte del sistema de energía solar térmica sea insuficiente para alcanzar la temperatura de consumo deseada en un momento puntual, se cuenta con un sistema de apoyo auxiliar, normalmente una caldera de gas o gasóleo. Véase en la figura 3.1 el esquema de una instalación muy simple.

Toda la instalación puede estar monitorizada por un sistema de control que detectará posibles averías, gestionará la circulación del circuito primario para que ésta se produzca sólo cuando sea necesario e incluso será capaz de enviar emails o SMS ante cualquier posible emergencia.

El objeto de este proyecto es dimensionar el sistema de captación, el sistema de acumulación, el sistema de intercambio de calor y todo lo referente al circuito primario y secundario. Sin embargo, y pese a ser planteada su configuración, el diseño del circuito de distribución, del circuito de retorno y del sistema de apoyo auxiliar queda fuera del alcance de este proyecto.

3.2.2 Elementos de la instalación
3.2.2.1 Sistema de captación

Los colectores solares también son denominados a menudo como paneles, módulos, captadores o placas solares. Se sitúan en la cubierta del edificio y absorben el calor solar, transfiriéndolo al fluido caloportador.

Cuando la radiación solar incide sobre la cubierta transparente de los colectores, se produce en su interior el efecto invernadero, aumentando así su temperatura y la del fluido que circula en su interior.

Véase en la figura 3.2 un colector plano, que es el tipo de colector usado en este proyecto.

Figura 3.2 Colector plano

N. a p.: Existen otros captadores que gozan cada día de más popularidad. Éstos son los llamados de tubos de vacío. Su capacidad de concentrar calor por metro cuadrado es mucho mayor. Sin embargo, su vida útil es muy corta. Ya existen, no obstante, empresas que aseguran reemplazarlos cada cierto tiempo durante toda la vida de la instalación.

3.2.2.2 Sistema de acumulación

Es el encargado de almacenar el agua calentada durante el día para su consumo en cualquier momento. Permite, por tanto, disponer de agua caliente durante las 24 horas del día, aumentando así la eficiencia de la instalación.

En caso de que el acumulador cuente en su interior con un intercambiador de calor, éste puede ser de serpentín o de doble envolvente. En este último, es un depósito interior el que almacena el fluido primario calentado por los colectores.

Los acumuladores de doble envolvente producen una mayor transmisión de calor por la mayor superficie que se mantiene en contacto con el agua a calentar, pero requieren más tamaño.

Existen también acumuladores de doble serpentín, en los que esta segunda espiral es calentada a través de un equipo de apoyo auxiliar. Son utilizados generalmente en instalaciones de menores dimensiones en las que el apoyo auxiliar es central, es decir, común para todo el edificio.

3.2.2.3 Sistema de intercambio

Es el que transmite al agua de consumo, el calor previamente transferido al fluido caloportador.

Como ya se ha dicho anteriormente, suele ser un tubo con forma de serpentín situado en el interior de un tanque de agua. De esta forma se transfiere el calor del fluido al agua de consumo sin tener que poner en contacto el fluido caloportador (que contiene anticongelante) con el agua de consumo.

En instalaciones como la que se aborda en este proyecto, en las que se requiere una alta transferencia de calor, se hace uso de intercambiadores externos de placas. Estos intercambiadores pueden ser configurados fácilmente para conseguir la potencia de transferencia deseada.

Véase en la figura 3.3 cómo funciona un sistema de intercambio de tipo sumergido en el acumulador.

Figura 3.3 Acumulador con intercambiador de serpentín

3.2.2.4 Sistema hidráulico

Consta de bomba hidráulica, vaso de expansión, diferentes tipos de válvulas y tuberías. Considera los dos circuitos existentes: el primario, que es por el que circula el fluido caloportador desde el sistema de colección al intercambiador de calor, y el secundario, que es por el que circula el agua desde el intercambiador de calor al sistema de acumulación.

Una bomba hidráulica será necesaria para paliar el rozamiento del fluido con las paredes de las tuberías y los distintos elementos del sistema hidráulico en cada uno de los circuitos.

Un vaso de expansión en cada uno de los circuitos garantizará que el fluido no pueda desbordarse y que no se introduzca aire.

3.2.2.5 Sistema de energía auxiliar: caldera

Un equipo de apoyo auxiliar asegurará la disponibilidad de agua caliente en todo momento, pues el sistema de energía solar térmica no será capaz de cubrir las necesidades del edificio 24 horas al día durante todo el año.

Se instalarán calderas de alto rendimiento de gas o gasóleo de manera individualizada para cada vivienda.

3.2.2.6 Sistema de regulación y control

Es necesario para determinar el correcto funcionamiento de todo el sistema. Sirve además, de protección para algunos elementos y es capaz de optimizar el ahorro energético.

4. CRITERIOS DE DISEÑO

4.1 Desarrollo técnico
4.1.1 Datos de partida

Localización: Calatayud.

Zona climática: III (se ha de satisfacer el 50% de la demanda).

Factor de corrección atmosférica: 1.

N. a p.: Este factor será de 0,95 para zonas urbanas y 1,05 para zonas rurales.

Latitud: 41° 21′ 22,39″ N.

Longitud: 1° 38′ 12,56″ O.

Orientación: +54° respecto al sur geográfico¹.

N. a p.: En Internet existen herramientas que calculan automáticamente la orientación geográfica en función del tiempo y de la orientación magnética..

Temperatura mínima registrada: −11 °C.

Ocupación: 100% durante todo el año.

N. a p.: Hay que tener en consideración, por ejemplo, si la vivienda va a estar vacía en la época de vacaciones, pues una sobreproducción de agua caliente puede dañar la instalación. De hecho, debido a las averías que esto puede ocasionar, es preferible proyectar una instalación deficiente en su producción de agua caliente que una que caliente un mayor volumen de agua del que será consumido.

Demanda: Constante a lo largo del año, por tanto la inclinación de los captadores ha de ser igual a la latitud de la instalación.

N. a p.: Si va a producirse un mayor consumo durante una época concreta a lo largo del año, habrá que inclinar los colectores de forma que sean más eficientes durante esta época, como viene determinado en el CTE.

Tipo de edificio: Viviendas, consumo de 22 l/(d·persona) a 60 °C.

N. a p.: Este es el consumo medio diario aconsejado por la legislación.

En la tabla 4.1 se puede observar la distribución del edificio, que cuenta con 7 viviendas en cada una de las 4 plantas. Distribución por planta:

Tabla 4.1 Número de personas por piso según el CTE

N. a p.: El número de personas se estima en función del número de dormitorios de cada vivienda; igualmente, hay otra equivalencia para oficinas, en caso de que el edificio tenga alguna. Todas estas equivalencias vienen dadas por el CTE.

Todos los requisitos para los datos de partida vienen definidos en la sección HE4 del Código Técnico de la Edificación (CTE).

La zona climática viene definida por la figura 4.2.

Figura 4.2 Mapa de las zonas climáticas de España Fuente: Código Técnico de la Edificación

Todos los datos climáticos requeridos para el proyecto son los publicados por el IDAE (Instituto para la Diversificación y el Ahorro de Energía). Dado que no contamos con datos de la población sobre la cual vamos a trabajar (Calatayud), tomaremos los datos de la capital de provincia más cercana, en este caso Zaragoza. Véase la tabla 4.3.

Tabla 4.3 Estadísticas climatológicas en la ciudad de Zaragoza Fuente: Instituto para la Diversificación y el Ahorro de Energía (IDAE)

N. a p.: Estos datos, y otros que harán falta para la elaboración del proyecto, se encuentran disponibles en el documento «Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Energía Solar Térmica para instalaciones de Baja Temperatura» del Instituto para la Diversificación y el Ahorro de Energía.

Como se menciona anteriormente, todos estos datos son aportados por el IDAE, a excepción de la radiación inclinada que se calcula según la siguiente expresión:

Radiación solar inclinada (kW·h / (m² · día)) = Radiación solar horizontal (kW·h / (m² · día)) · Corrección por inclinación y latitud

Y la intensidad radiante útil, o G, que se calcula de la siguiente manera: