INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS

Transcripción

Predimensionado y Dimensionado
GRUPO FORMADORES ANDALUCÍA
DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA
Para el diseño de la instalación se seguirán los siguientes puntos, los cuales deberán
ir recogidos y justificados en la Memoria del Proyecto:
Predimensionado:
- Datos de Partida.
- Esquema de Principio de la Instalación.
- Cálculo de la carga de consumo.
- Cálculo de la energía disponible.
- Determinación de la superficie de captadores y del volumen de
acumulación.
INSTALACIONES SOLARES TERMICAS
Grupo Formadores Andalucía
Plan de Formación del CTE – CSCAE
Dimensionado:
- Selección de la configuración básica.
- Selección del fluido de trabajo.
- Diseño del sistema de captación.
- Diseño del sistema de acumulación.
- Dimensionado del sistema de intercambio.
- Diseño del circuito hidráulico.
- Diseño del sistema de energía auxiliar.
- Diseño del sistema eléctrico y de control.
- Características técnicas de los componentes.
- Materiales y protecciones.
- Diseño de la estructura soporte.
- Recepción y pruebas funcionales de la instalación.
- Mantenimiento de las instalaciones.
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
1. Datos de partida.
2. Cálculo de la demanda de ACS
• Demanda de referencia unitaria a 60ºC
• Número de unidades de consumo (personas, usuarios,…
• Demanda de referencia a 60ºC
• Demanda a la temperatura elegida.
3. Contribución solar mínima
4. Demanda de energía térmica
5. Energía solar aportada (F-chart)
6. Superficie de captadores y volumen de acumulación
7. Dimensionado del sistema de intercambio
8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación
9. Cálculo de pérdidas de radiación por sombras
10.Balance energético anual
1. Datos de partida
•
•
•
•
•
•
Bloque de 20 viviendas
(10 viviendas de 3 dormitorios y 10 de 4 dormitorios)
Tipo de combustible sistema auxiliar: gas natural.
Temperatura del ACS: 45ºC
Situación: SEVILLA.
Latitud: 37ºN
Temperaturas AFS localidad según meses:
(Compañía suministradora o UNE 94002:2005)
•
Enero:
10ºC
•
Febrero:
11ºC
•
Marzo:
12ºC
•
Abril:
13ºC
•
Mayo:
14ºC
•
Junio:
15ºC
•
Julio:
16ºC
•
Agosto:
16ºC
•
Septiembre: 15ºC
•
Octubre:
13ºC
•
Noviembre: 11ºC
•
Diciembre: 10ºC
1. Datos de partida
•
Demanda de referencia a 60ºC (Tabla 3.1.)
Viviendas multifamiliares:
22 litros/día·persona (60ºC)
Criterio de demanda
Litros ACS/día a 60º C
Viviendas unifamiliares
30 por persona
Viviendas multifamiliares
22 por persona
Hospitales y clínicas
55 por cama
Hotel ****
70 por cama
Hotel ***
55 por cama
Hotel/Hostal **
40 por cama
Camping
40 por emplazamiento
Hostal/Pensión *
35 por cama
Residencia (ancianos, estudiantes,…
55 por cama
Vestuarios/Duchas colectivas
15 por servicio
Escuelas
3 por alumno
Cuarteles
20 por persona
Fábricas y talleres
15 por persona
Administrativos
3 por persona
Gimnasios
20 a 25 por usuario
Lavanderías
3 a 5 por kilo de ropa
Restaurantes
5 a 10 por comida
Cafeterías
1 por almuerzo
•
Número de unidades de consumo
En este caso personas:
Número de dormitorios: 10 x 3 + 10 x 4 = 70 dormitorios
Simultaneidad según tabla apartado 3.1.1.4. (sólo viviendas)
Más de 7 dormitorios » nº personas = nº dormitorios = 70
Nº de
dormitorios
1
2
3
4
5
6
7
más de 7
Número de
personas
1.5
3
4
6
7
8
9
nº
dormitorios
•
Demanda de referencia a 60ºC
nº personas = 70
22 litros/día·persona x 70 personas = Di(60ºC)=1540 litros/día
(Valores constantes durante todos los meses del año)
Demanda anual de ACS:
D(60ºC) = 1540 l/d x 365 días » D(60ºC) = 562.100 litros
•
Demanda a la temperatura elegida (45ºC)
12
D(T ) = ∑ Di (T )
1
⎛ 60 − Ti ⎞
⎟⎟
Di (T ) = Di (60°C )x⎜⎜
⎝ T − Ti ⎠
donde:
D(T) = demanda de ACS a la temperatura T
Di(T)= demanda de ACS para el mes “i” a la temperatura T
Di(60ºC)= demanda de ACS para el mes “I” a la temperatura de 60ºC
T = temperatura del acumulador final.
Ti = Temperatura media del AFS en el mes “I”.
•
60 − 10
(Enero ) Di = 22 ⋅
= 31.43 l / d ⋅ per
45 − 10
31.43 l / d ⋅ per x 70 per = 2200 l / d
•
Temperaturas AFS localidad según meses:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Enero:
Febrero:
Marzo:
Abril:
Mayo:
Junio:
Julio:
Agosto:
Septiembre:
Octubre:
Noviembre:
Diciembre:
10ºC
11ºC
12ºC
13ºC
14ºC
15ºC
16ºC
16ºC
15ºC
13ºC
11ºC
10ºC
•
MES
Demanda diaria
(l/d)
Personas
Demanda mensual
Di (l/d)
nº días
mes
Total
(litros)
Enero
31.43
70
2200.0
31
68200
Febrero
31.71
70
2219.4
28
62143
Marzo
32.00
70
2240.0
31
69440
Abril
32.31
70
2261.9
30
67857
Mayo
32.65
70
2285.2
31
70841
Junio
33.00
70
2310.0
30
69300
Julio
33.37
70
2336.6
31
72435
Agosto
33.37
70
2336.6
31
72435
Septiembre
33.00
70
2310.0
30
69300
Octubre
32.31
70
2261.9
31
70119
Noviembre
31.71
70
2219.4
30
66582
Diciembre
31.43
70
2200.0
31
68200
DT =
826852
•
Como la demanda total anual D(45ºC) = 862852 litros
la demanda diaria será: 862852 litros / 365 días = 2364 litros/días
Esta demanda supone un consumo por persona de:
2364 litros / día
= 33,77 litros / día ⋅ persona
70 personas
frente a los 22 litros/día·persona a la temperatura de 60ºC
Datos necesarios:
•
Demanda ACS = 2364 litros/día
•
Localidad: SEVILLA
•
Zona climática: (según Fig. 3.1. o tabla 3.3.) ZONA V
•
Energía auxiliar: Gás natural (Tabla 2.1.)
Datos necesarios:
•
Demanda ACS = 2364 litros/día
•
Localidad: SEVILLA
•
Zona climática: (según Fig. 3.1. o tabla 3.3.) ZONA V
•
Energía auxiliar: Gás natural (Tabla 2.1.)
CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA
70%
DACS = D(T ) ⋅ ρ ⋅ C p ⋅ (Tuso − TAF )
donde:
DACS =
D(T) =
r=
Cp =
Tuso =
TAF =
demanda de energía térmica para ACS (kW/día)
consumo de ACS en cada mes (litros/día)
densidad del agua (1 Kg/litro)
calor específico del agua (0.00116 kW/KgºC)
temperatura de uso (ºC)
temperatura del agua fría (ºC)
Temperaturas agua distribución en Sevilla
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
10ºC
11ºC
12ºC
13ºC
14ºC
15ºC
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
16ºC
16ºC
15ºC
13ºC
11ºC
10ºC
DACS = D(T ) ⋅ ρ ⋅ C p ⋅ (Tuso − TAF )
En nuestro caso:
tomando una temperatura media del agua de 13ºC
DACS = 32029.36 kW/h
Temperaturas agua distribución en Sevilla
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
10ºC
11ºC
12ºC
13ºC
14ºC
15ºC
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
16ºC
16ºC
15ºC
13ºC
11ºC
10ºC
El área total de los captadores tendrá un valor tal que se
cumpla la siguiente condición:
V
50 ≤ < 180
A
donde:
V=
volumen del depósito de acumulación solar (litros)
A=
la suma de las áreas de los captadores
50:
80:
Relación de consumo en horas de captación
Relación de consumo en horario nocturno
El volumen de acumulación debe ser acorde con la demanda a
lo largo del día, luego:
V ≈ Demanda (litros/día)
En nuestro caso:
Demanda = 2364 litros/día
luego:
V = 2500 litros
Otras recondaciones (no establecidas en el HE-4):
60 ≤ M/A ≤ 100
0,8 ≤ V/M ≤ 1,2
1,25 ≤ 100A/M ≤ 2
donde:
V=
volumen del depósito de acumulación solar (litros)
A=
la suma de las áreas de los captadores (m2)
M=
demanda diaria (litros/día)
En nuestro caso:
P ≥ 500 ⋅ A
donde A = 36.96 m2
luego:
P = 18480 W
Orientación
e inclinación
Sombras
Total
General
10 %
10 %
15 %
Superposición
20 %
15 %
30 %
Integración
arquitectónica
40 %
20 %
50 %
Caso
Tabla 2.4 Pérdidas límite
Objetivo es determinar los límites en la orientación e inclinación de los módulos de acuerdo con
las perdidas máximas permisibles. Las perdidas se calcularan en función del:
Angulo de inclinación ß y del ángulo de acimut α
ORIENTACIÓN ÓPTIMA:
Sur
INCLINACIÓN ÓPTIMA:
Demanda constante anual:
la latitud geográfica.
Demanda preferente en invierno: +10º
Demanda preferente en verano: - 10º
Objetivo es determinar los límites en la orientación e inclinación de los módulos de acuerdo con
las perdidas máximas permisibles. Las perdidas se calcularan en función del:
Angulo de inclinación ß y del ángulo de acimut α
Dimensionado gráfico en el que
se obtienen directamente las
ganancias para 41ºN de latitud.
Para
otras
latitudes
se
aumentan o disminuyen los
ángulos de inclinación
80
E lev ació n (º)
0h
-1 h
1h
D2
D1
-2 h
60
40
-5 h
20
-6 h
D 11
-7 h D 1 3
0
-1 2 0
C9
C11
B11
-9 0
A5
A6
B8
A8
A9
-6 0
C8
A4
A7
B9
D8
B6
A2
A1
A3
0
30
4h
D 10
C10
60
5h
D 12
B10
A 10
-3 0
3h
C6
B4
B3
B7
D6
B2
B1
B5
C7
D9
C4
C3
C5
D7
-4 h
C2
C1
D5
-3 h
Sobre la carta
solar se perfila el
obstáculo y con él
se obtienen las
porciones afectadas
por sombra.
2h
D4
D3
C12
B12
90
D14
6h
7h
Se confecciona una
expresión con la que
se obtiene el
porcentaje de
pérdidas
120
A cim u t (º)
80
E lev ació n (º)
0h
-1 h
1h
D2
D1
-2 h
60
40
-5 h
20
-6 h
D 11
-7 h D 1 3
0
-1 2 0
C9
C11
B11
-9 0
A5
A6
B8
A8
A9
-6 0
C8
A4
A7
B9
D8
B6
A2
A1
A3
0
30
4h
D 10
C10
C12
B12
60
5h
D 12
B10
A 10
-3 0
3h
C6
B4
B3
B7
D6
B2
B1
B5
C7
D9
C4
C3
C5
D7
-4 h
C2
C1
D5
-3 h
Sobre la carta
solar se perfila el
obstáculo y con él
se obtienen las
porciones afectadas
por sombra.
2h
D4
D3
90
D14
6h
7h
Se confecciona una
expresión con la que
se obtiene el
porcentaje de
pérdidas
120
A cim u t (º)
Porción: A10: 0.75
Porción: B10: 0.75
Porción: B12: 0.25
Porción: B8: 0.25
Luego las pérdidas por sombra serán:
Porción: A10: 0.75
Porción: B10: 0.75
Porción: B12: 0.25
Porción: B8: 0.25
P (%) = 0.75 x 0.11 + 0.75 x 0.42 + 0.25 x 0.02 + 0.25 x 0.99
P (%) = 0.65 %
Orientación
e inclinación
Sombras
Total
General
10 %
10 %
15 %
Superposición
20 %
15 %
30 %
Integración
arquitectónica
40 %
20 %
50 %
Caso
10. Balance energético anual
BALANCE ENERGÉTICO ANUAL
5.000
4.500
4.000
Kw*h
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
0
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Meses
Demanda Energética
Aporte Solar
SEPARACIÓN ENTRE CAPTADORES
d
k=
h
CIRCUITO HIDRÁULICO Y SISTEMA AUXILIAR
Dimensionado del circuito hidráulico
Igual que en una red de fontanería.
Dimensionado del sistema auxiliar
Calculado para el 100% de la demanda.
Tabla 1. Datos Climáticos Mensuales
Radiación Horizontal
Radiación Inclinada
(45º)
(MJ/m2)
(Kwh /m2)
(MJ/m2)
(Kwh /m2)
10
221,96
61,66
496,62
137,91
8,0
11
312,98
86,94
517,94
143,47
14,6
8,0
12
478,83
133,01
685,10
190,25
Abril
17,2
9,0
13
591,60
164,33
632,40
175,72
Mayo
19,9
9,0
14
694,40
192,89
672,70
186,34
Junio
24,8
9,5
15
704,70
195,75
648,90
179,75
Julio
27,9
9,5
16
737,24
204,79
702,15
194,50
Agosto
27,8
9,0
16
671,09
186,41
713,31
197,58
Septiembre
24,8
9,0
15
526,32
146,20
686,40
190,13
Octubre
19,8
8,0
13
373,86
103,85
621,24
172,08
Noviembre
15,0
7,5
11
249,90
69,42
539,10
149,33
Diciembre
11,4
7,5
10
210,30
58,42
448,88
124,34
Tª ambiente
(ºC)
Horas
diarias
Tª agua
fría
(ºC)
Enero
10,5
7,5
Febrero
12,3
Marzo
Mes
Datos obtenidos de la Tabla II del punto 6 del “Texto Refundido de las especificaciones Técnicas de Diseño y Montaje
de las Instalaciones Solares Térmicas para producción de Agua Caliente y las modificaciones de aplicación en el
Programa Prosol”.
DATOS DE PARTIDA. DEMANDA:
ESCALERA 1:
Nº de unidades de consumo: 94 Uds.
Consumo unitario: 40 litros/día
Consumo total máximo: 94x40=3760 litros
En la siguiente tabla se muestran los consumos
Consumo
Número de
A.C.S.
Energía Final Útil
Litros de
Ocupación %
Uds
consumo
(l/día)
Agua Caliente (kW·h)
Agua Caliente
Enero
100,00
2914
3760
4.737
116.560
Febrero
100,00
2632
3760
4.156
105.280
Marzo
100,00
2914
3760
4.466
116.560
Abril
100,00
2820
3760
4.191
112.800
Mayo
100,00
2914
3760
4.196
116.560
Junio
100,00
2820
3760
3.929
112.800
Julio
100,00
2914
3760
3.925
116.560
Agosto
100,00
2914
3760
3.925
116.560
Septiembre
100,00
2820
3760
3.929
112.800
Octubre
100,00
2914
3760
4.331
116.560
Noviembre
100,00
2820
3760
4.453
112.800
Diciembre
100,00
2914
3760
4.737
116.560
TOTAL AÑO
100,00
34.310
45.120
50.975
1.372.400
CÁLCULO DE LA CARGA DE CONSUMO
ESCALERA 1
Consumo diario máximo
3.760 litros
Consumo medio anual
1.372.400 litros
Consumo medio en temporada estival
3.760 litros/día
Variación mensual
Ver tabla de dimensionado
SUPERFICIE DE COLECTORES Y VOLUMEN DE ACUMULACIÓN
El dimensionado de la instalación deberá realizarse de forma que en ningún mes del año la energía producida por la instalación solar
supere el 110 % de la demanda de consumo y no más de tres meses seguidos el 100 %.
Para el cálculo hemos utilizado tablas de cálculo de SODEAN basado en el método de las curvas F-Chart.
En instalaciones solares térmicas para ACS, el área total de captadores “A”, el volumen de acumulación solar “V” y la carga de
consumo diaria “M” deben cumplir ciertas condiciones:
50 < V/A < 120 (V en litros y A en m2).
60 < M/A < 100 (M en litros y A en m2).
0.8 < V/M < 1.2 Adimensional.
ESCALERA 1
Método de cálculo utilizado:
Curvas de F. Chart
Demanda anual de energía:
50.975 kW*h
Aporte solar anual:
35.225 kW*h
Fracción solar:
69,10%
Superficie total de captación (A):
38,40 m2
Volumen total de acumulación solar (V):
3.500 litros
Relaciones: 100*A/M:
1,02
V/M
0,93
V/A:
91,15
M/A:
97,92
BALANCE ENERGÉTICO ANUAL
5.000
4.500
4.000
Kw*h
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
0
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Meses
Demanda Energética
Aporte Solar
SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN BÁSICA
El sistema elegido para el calentamiento de ACS mediante energía solar térmica consistirá en un sistema de captación
para calentar un depósito acumulador centralizado mediante un intercambiador exterior de placas por bloque. De este
acumulador partirá un circuito de agua caliente cerrado que servirá a interacumuladores individuales por vivienda.
Configuración elegida:
Centralizada por campos
Circuito primario:
Sistema de circulación forzada con intercambiador
de calor de placas independiente.
Sistema de energía auxiliar:
Termo de gas natural modulante por vivienda.
SELECCIÓN DEL FLUIDO DE TRABAJO
Riesgo de heladas:
Si
Fluido seleccionado:
Etilen-glicol 30%
Protección contra heladas:
Anticongelante
A continuación se presentan las características de del fluido de resultante de trabajo. Agua glicolada (concentración del 30%), según RITE:
Tª de congelación:
Densidad:
Calor específico:
Conductividad térmica
Viscosidad dinámica
-14.1ºC
1,05 kg/m3
3,642 kJ/(kg K)
0,447 W/(m K)
2,99 mPa s
ESCALERA 1
Número de depósitos:
2
Volumen de cada depósito:
1.500 + 2.000 = 3.500 litros
Datos técnicos de los acumuladores
Tipo: Acumulador directo
Modelo: MV-1500-RB de Lapesa
Capacidad: 1.500 litros
Longitud: 1.850 mm
Diámetro: 1.360 mm
Peso vacío: 373 kg
Peso en servicio: 1.873 kg
Tipo: Acumulador directo
Modelo: MV-2000-RB de Lapesa
Capacidad: 2.000 litros
Longitud: 2.300 mm
Diámetro: 1.360 mm
Peso vacío: 446 kg
Peso en servicio: 2.446 kg
DIMENSIONADO DEL SISTEMA DE INTERCAMBIO
La potencia mínima de diseño del intercambiador independiente P, en W, en función del
área de captadores A, en m2, cumplirá la condición:
P ≥ 500 A
(W)
Tipo: Intercambiador de placas
Potencia escalera 1: 500 x 38.40 = 19.200 W =19,20 Kw
ESCALERAS 1 (Intercambiador 1)
Potencia: 26,45 Kw
Rendimiento: 75%
Aislamiento: poliuretano
Espesor de aislamiento: 5 cm
Nº de placas: 20
Pérdida de carga: 1,89 mca < 3 mca
Superficie de intercambio:
DISEÑO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO
El sistema hidráulico de la instalación comprende varios circuitos:
1.• Circuito primario: captador – intercambiador de placas.
2.• Circuito secundario: intercambiador de placas – acumulador.
3.• Circuito de consumo: acumulador – interacumuladores individuales en viviendas.
El caudal de circulación en el circuito primario se determinará en función de la superficie del captador
instalado. Para aplicaciones de ACS se aconseja un parámetro de diseño de 55 l/h por cada m2 de
captador.
La velocidad de circulación del fluido será inferior a 2 m/s. Las pérdidas de carga por metro de tubería
han de ser en todos los tramos menores que 40 mmca/m.
DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL
Control diferencial:
Sí (El sistema de control actuará y estará ajustado
de manera que las bombas no estén en marcha
cuando la diferencia de temperatura sea menor de
2ºC y no estén paradas cuando la diferencia sea
mayor de 7ºC. La diferencia de arranque y de
parada del termostato diferencial no será mayor
que 2ºC.)
Limitación de temperatura máxima:
Sí (60ºC)
Actuación temperatura máxima:
Sí
Limitación de temperatura mínima:
Sí (35ºC)
Actuación temperatura mínima:
Sí
AISLAMIENTO
Fluido interior caliente
Diámetro exterior
Temperatura del fluido (ºC) (**)
(mm) (*)
40 a 65
66 a 100
101 a 150
151 a 200
D ≤ 35
20
20
30
40
35 < D ≤ 60
20
30
40
40
60 < D ≤ 90
30
30
40
50
90 < D ≤ 140
30
40
50
50
140 < D
30
40
50
60
(*) Diámetro exterior de la tubería sin aislar
(**) Se escoge la temperatura máxima de red

INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS

Transcripción

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