Dimensionamiento F-CHART

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ENERGÍA SOLAR TÉRMINA

Dimensionamiento mediante el método F-Chart



DIMENSIONAMIENTO MEDIANTE EL MÉTODO F-CHART

DIMENSIONAMIENTO MEDIANTE EL MÉTODO F-CHART A continuación se detallan los pasos a seguir para realizar el dimensionamiento de una instalación de ACS. La secuencia para el cálculo es la siguiente: 1. Obtención de la energía destinada para el calentamiento del agua caliente sanitaria o de la calefacción y de la cobertura mínima que debe proporcionar la instalación solar. La demanda se calculará según lo indicado en el apartado 1.1, siguiendo la ecuación: E  m  c e  TACS  TAF   m  c e  T

El factor de cobertura se establecerá según lo dispuesto en las tablas 2.1, 2.2 y 2.3 de la sección HE4 del CTE, tal como se ha explicado en el apartado 1.2. 2. Obtención de la radiación solar mensual incidente en la superficie inclinada de los colectores. Hmes = n x k x Hdía Donde 

Hmes = radiación solar incidente en la superficie de los colectores por m2 durante el mes considerado. Se expresará en kWh/m2.

Hdía = radiación solar incidente diaria sobre el plano horizontal. Se expresará en kWh/m2.

n = número de días del mes.

k = coeficiente de corrección por la inclinación del panel.

3


ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

La sección HE4 recomienda que los colectores dispongan de las siguientes inclinaciones en función del perfil de uso de la instalación. “Se considerará como la orientación optima el sur y la inclinación óptima, dependiendo del periodo de utilización, uno de los valores siguientes: 

Demanda constante anual: la latitud geográfica.

Demanda preferente en invierno: la latitud geográfica + 10º.

Demanda preferente en verano: la latitud geográfica – 10º”.

También sería necesario considerar las pérdidas asociadas a la inclinación del panel, su orientación respecto al azimut y la posible presencia de sombras en algún momento del año. Tabla 2.4. Pérdidas límite Caso

Orientación e inclinación

Sombras

Total

10% 20% 30%

10% 15% 20%

15% 30% 50%

General Superposición Integración arquitectónica

3. Determinación de la curva de rendimiento del captador solar utilizado. Se obtiene a partir del catálogo comercial. La curva del rendimiento se compone de dos sumandos:  = a - bT Donde 

a = factor de eficiencia óptica, considera el rendimiento del colector teniendo en cuenta solo las pérdidas ópticas. Es el mayor rendimiento que puede alcanzar.

b = coeficiente global de pérdidas, también denominado Uo, en W/m2K.

4. Estimación de la superficie de captación necesaria, Sc. Para comenzar el cálculo de la cobertura con el método f-char es preciso aventurar un valor inicial de superficie captadora. Se suele obtener dividiendo el caudal diario del edificio por 70 (70 l/m2). 5. Cálculo del parámetro D1. El parámetro D1 expresa la relación entre la energía absorbida por la placa del colector y la demanda energética mensual: D1 = energía absorbida por el colector/demanda energética mensual. La energía absorbida por el captador viene dada por la siguiente expresión: E a  S cFr´ (  )R1N

4


DIMENSIONAMIENTO MEDIANTE EL MÉTODO F-CHART

Donde  Sc

= superficie del captador en m2.

 R1

= radiación diaria media mensual incidente sobre la superficie de captación por unidad de área (kJ/m2).

N = número de días del mes.

 Fr´ (  )

= factor adimensional que viene dado por la siguiente expresión:

 Fr´ (  )  Fr (  )n (  ) /(  )n (Fr´ / Fr )

Donde  Fr (  ) n

= factor de eficiencia óptica del captador, es decir, ordenada en el origen de la curva característica del captador.

 (  ) /(  )n

= modificador del ángulo de incidencia. En general, se puede tomar constante: 0,96 (superficie transparente sencilla) o 0,94 (superficie transparente doble). ´

 (Fr / Fr )

= factor de corrección del conjunto intercambiador. Se recomienda tomar el valor 0,95.

captador-

El valor de D1 debe estar comprendido entre 0 y 3. Si el valor obtenido está fuera del rango, debe replantearse la superficie de captación propuesta y volver a recalcular. 0 < D1 < 3

6. Cálculo del volumen del acumulador. Según la sección HE4, deberá cumplirse la relación: 50<V/A<180 Donde 

V: volumen de acumulación en litros.

A: superficie de captación en m2.

Se recomienda V = 75 x A.

7. Cálculo del parámetro D2. El parámetro D2 expresa la relación entre las pérdidas de energía en el colector, para una determinada temperatura, y la demanda energética mensual: D2 = energía perdida por el captador/Carga calorífica mensual. La energía perdida por el captador viene dada por la siguiente expresión: E p  S cFr´ UL (100  t a )tK 1K 2

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Donde  Sc

= superficie del captador (m2).

 Fr´ UL  FrUL (Fr´ / Fr )

Donde  FrUL

= pendiente de la curva característica del captador (coeficiente global de pérdidas del captador).

 ta

= temperatura media mensual del ambiente durante las horas diurnas.

 t

= periodo de tiempo considerado, en horas.

 K1

= factor de corrección por almacenamiento, que se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

 K 1  kg _ acumulación) /( 75S c )

0,25

 37,5  (kg _ acumulación) /(m2 captación)  300  K2 

= factor de corrección para ACS que relaciona la temperatura mínima de ACS, la del agua de red y la media mensual ambiente, dado por la siguiente expresión: K 2  (11,6  1,18 t ac  3,86 t r  2,32t a ) /(100  t a )

Donde  t ac  tr

= temperatura mínima requerida de ACS. = temperatura del agua de red.

 ta

= temperatura media mensual del ambiente durante las horas diurnas.

Para estimar la temperatura media mensual del ambiente durante las horas diurnas, el IDAE proporciona una tabla de consulta en el Pliego de condiciones técnicas. El valor de D2 debe estar comprendido entre 0 y 18. Si el valor obtenido está fuera del rango, debe replantearse la superficie de captación propuesta y volver a recalcular. 0 < D2 < 18

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DIMENSIONAMIENTO MEDIANTE EL MÉTODO F-CHART

Figura 1. Temperatura media mensual del ambiente durante las horas diurnas. Fuente: IDAE

7


ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

8. Determinación del coeficiente de cobertura mensual, f. A partir de los coeficientes D1 y D2 se obtiene la cobertura mensual. Existen dos posibilidades: 

Método gráfico. Existen gráficas donde el parámetro D1 se encuentra tabulado en las ordenadas, y el D2, en las abscisas. El punto de intersección indica la fracción solar, f.

Método polinómico. Se aplica la expresión:

f = 1,029 D1 – 0,065 D2 – 0,245 D12 + 0,0018 D22 + 0,0215 D13 Cada mes lleva asociado un valor de f. 9. Valoración de la cobertura solar mensual. Se obtiene mes a mes la contribución solar proporcionada por la superficie captadora estimada multiplicando el factor f mensual por la energía demandada por el edificio para dicho periodo. Esolar_mensual = Emes x fmes 10. Valoración de la cobertura solar anual, F. El factor F se define como: F = energía proporcionada por los colectores anualmente/demanda anual de energía del edificio. Se realizará el sumatorio de todas las contribuciones solares mensuales y se dividirá para el sumatorio de las demandas mensuales. El valor obtenido, F, se comparará con el porcentaje exigido por la sección HE4 para la instalación. Si el resultado es inferior a lo exigido, se volverá a recalcular todo considerando una superficie de captación mayor. Hay que tener presente a la hora de comparar con las tablas 2.1 ó 2.2 de la sección HE4 que el factor de cobertura se expresa en tanto por uno (habrá que multiplicarlo por 100 para obtener el porcentaje).

8


DIMENSIONAMIENTO MEDIANTE EL MÉTODO F-CHART

Ejemplo: Calcular el número mínimo de paneles solares necesarios destinados a producción de ACS para un edificio con 30 viviendas ubicado en Zaragoza. Cada vivienda dispone de 3 habitaciones. La acumulación será centralizada y la temperatura del acumulador se regulará para que alcance 60 ºC. El modelo de colector a utilizar será un Fagor Solaria 2.4, con un factor de eficiencia óptica de 0,6717 y coeficiente global de pérdidas, Uo, 3,141 W/m2K. El colector tiene una superficie captadora útil de 2,4 m2. Los paneles van a montarse con una inclinación de 45º. El colector tiene una superficie transparente sencilla. 1. Obtención de la energía destinada para el calentamiento del agua caliente sanitaria o de la calefacción y de la cobertura mínima que debe proporcionar la instalación solar. 1

Mes

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

N Usuarios Ratio Qdiario Ocupación Qmensual TACS TAF E T = (TACS-TAF) mensual (días/mes) (3.1 HE4) (litros/persona) (litros/día) (%) (litros/mes) (ºC) (ºC) (kWh)

enero

31

120

22

2640

100

81840

60

5

55

5221

febrero

28

120

22

2640

100

73920

60

6

54

4630

marzo

31

120

22

2640

100

81840

60

8

52

4937

abril

30

120

22

2640

100

79200

60

10

50

4594

mayo

31

120

22

2640

100

81840

60

11

49

4652

junio

30

120

22

2640

100

79200

60

12

48

4410

julio

31

120

22

2640

100

81840

60

13

47

4462

agosto

31

120

22

2640

100

81840

60

12

48

4557

septiembre

30

120

22

2640

100

79200

60

11

49

4502

octubre

31

120

22

2640

100

81840

60

10

50

4747

noviembre

30

120

22

2640

100

79200

60

8

52

4777

diciembre

31

120

22

2640

100

81840

60

5

55

5221

Anual

56710

La cobertura mínima anual según la tabla 2.1 de la sección HE4 es de un 60% (F = 0,6).

9


ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

2. Obtención de la radiación solar mensual incidente en la superficie inclinada de los colectores. 1

2

3

4

5

6

Mes

N

H (MJ/día)

kmes

Pérdidas (%)

Hmes 2 (kWh/m )

enero

31

6,3

1,430

0

77,58

febrero

28

9,8

1,320

0

100,62

marzo

31

15,2

1,180

0

154,46

abril

30

18,3

1,040

0

158,61

mayo

31

21,8

0,940

0

176,47

junio

30

24,2

0,900

0

181,51

julio

31

25,1

0,940

0

203,19

agosto

31

23,4

1,050

0

211,59

septiembre

30

18,3

1,230

0

187,59

octubre

31

12,1

1,430

0

149,01

noviembre

30

7,4

1,570

0

96,82

diciembre

31

5,7

1,540

0

75,59

3. Determinación de la curva de rendimiento del captador solar utilizado. El colector seleccionado tiene la siguiente curva característica:   0,6717  3,141T

Por lo tanto, el factor de eficiencia óptica es 0,6717 (adimensional), y el coeficiente global de pérdidas, Uo, 3,141 W/m2K. 4. Estimación de la superficie de captación necesaria, Sc. Para comenzar el procedimiento de cálculo se precisa estimar una superficie captadora inicial. El criterio a seguir consiste en considerar un ratio 70 l/m2 sobre la demanda diaria. Como el consumo diario es de 2.640 litros, la superficie inicial será: Sc 

Q diario 2640l   37.7m2 2 2 70l / m 70l / m

Siendo la superficie unitaria del colector seleccionada de 2,4 m2, el número de paneles será: n

37.7m2  15,7  16 2,4m2

Por lo que la superficie captadora definitiva: Sc  n  Su  16  2,4m2  38,4m2

10


DIMENSIONAMIENTO MEDIANTE EL MÉTODO F-CHART

5. Cálculo del parámetro D1. 1

2

3

4

5

6

Mes

Qmensual

Hmes 2 (kWh/m )

Sc

Esolar captada

D1

enero

5.226,39

77,58

43,2

2.053,17

0,393

febrero

4.634,78

100,62

43,2

2.662,83

0,575

marzo

4.941,32

154,46

43,2

4.087,65

0,827

abril

4.598,00

158,61

43,2

4.197,51

0,913

mayo

4.656,24

176,47

43,2

4.670,16

1,003

junio

4.414,08

181,51

43,2

4.803,58

1,088

julio

4.466,19

203,19

43,2

5.377,12

1,204

agosto

4.561,22

211,59

43,2

5.599,55

1,228

septiembre

4.506,04

187,59

43,2

4.964,36

1,102

octubre

4.751,27

149,01

43,2

3.943,39

0,830

noviembre

4.781,92

96,82

43,2

2.562,35

0,536

diciembre

5.226,39

75,59

43,2

2.000,52

0,383

D1 está comprendido entre 0 y 3 en todos los meses.

6. Cálculo del volumen del acumulador. Se recomienda que el volumen del acumulador en litros cumpla la relación V  75  A  75  38,4m2  2880l

7. Cálculo del parámetro D2. 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Mes

N (días/mes)

Qmensual

Tambiente

TAF

Tiempo (horas)

Sc (m2)

K1

K2

FrUl

Eperdida

D2

enero

31

5.226,39

8

5

744

43,2

1

0,9037

0,0030

8

5

febrero

28

4.634,78

10

6

672

43,2

1

0,9151

0,0030

10

6

marzo

31

4.941,32

13

8

744

43,2

1

0,9554

0,0030

13

8

abril

30

4.598,00

16

10

720

43,2

1

0,9986

0,0030

16

10

mayo

31

4.656,24

19

11

744

43,2

1

0,9973

0,0030

19

11

junio

30

4.414,08

23

12

720

43,2

1

0,9787

0,0030

23

12

julio

31

4.466,19

26

13

744

43,2

1

0,9765

0,0030

26

13

agosto

31

4.561,22

26

12

744

43,2

1

0,9243

0,0030

26

12

septiembre

30

4.506,04

23

11

720

43,2

1

0,9286

0,0030

23

11

octubre

31

4.751,27

17

10

744

43,2

1

0,9827

0,0030

17

10

noviembre

30

4.781,92

12

8

720

43,2

1

0,9709

0,0030

12

8

diciembre

31

5.226,39

9

5

744

43,2

1

0,8881

0,0030

9

5

El valor de D2 está comprendido entre 0 y 18.

11


ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

8. Determinación del coeficiente de cobertura mensual, f. 1

2

3

4

Mes

D1

D2

f

enero

0,393

1,526

0,273

febrero

0,575

1,539

0,419

marzo

0,827

1,613

0,596

abril

0,913

1,693

0,647

mayo

1,003

1,664

0,704

junio

1,088

1,585

0,759

julio

1,204

1,552

0,825

agosto

1,228

1,438

0,844

septiembre

1,102

1,473

0,773

octubre

0,830

1,646

0,595

noviembre

0,536

1,658

0,382

diciembre

0,383

1,483

0,267

Columna 4: f = 1,029 D1 – 0,065 D2 – 0,245 D12 + 0,0018 D22 + 0,0215 D13

9. Valoración de la cobertura solar mensual.

12

1

2

3

4

Mes

Qmensual

f

Qsolar

enero

5.226,39

0,273

1.425,52

febrero

4.634,78

0,419

1.940,16

marzo

4.941,32

0,596

2.942,86

abril

4.598,00

0,647

2.973,33

mayo

4.656,24

0,704

3.278,62

junio

4.414,08

0,759

3.349,78

julio

4.466,19

0,825

3.683,43

agosto

4.561,22

0,844

3.849,77

septiembre

4.506,04

0,773

3.484,15

octubre

4.751,27

0,595

2.829,03

noviembre

4.781,92

0,382

1.824,32

diciembre

5.226,39

0,267

1.394,10

Anual

56.763,84

Anual

32.975,06

Columna 2: demanda precisada por el edificio. Obtenido en el paso 1.

Columna 3: factor de cobertura mensual. Obtenido en el paso 8.

Columna 4: Qsolar = f x Qmensual


DIMENSIONAMIENTO MEDIANTE EL MÉTODO F-CHART

10. Valoración de la cobertura solar anual, F. F = cobertura solar anual/demanda anual = 32.975,06 kWh / 56.763,84 = 0,53 (53%). La cobertura solar obtenida con 16 paneles no satisface el mínimo exigido por la tabla 2.1 de la sección HE4 para este edificio (60%). Por lo tanto, se procederá a repetir el cálculo con otros valores de superficie colectora. Se ensaya el método con 18 y 20 colectores, alcanzando los siguientes resultados: Número de colectores

Superficie de captación m2

Cobertura solar anual

16

38,4

53%

18

43,2

58%

20

48

63%

En la siguiente gráfica se muestra la progresión de la cobertura solar anual en función del número de paneles.

Figura 2. Porcentaje de cobertura solar anual para distinto número de colectores

Se decide la instalación de 20 colectores del modelo seleccionado que proporcionan una cobertura anual del 63%.

13


ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

En la siguiente gráfica se muestra la cobertura mensual que proporcionarían las superficies captadoras estudiadas:

Figura 3. Factor de cobertura mensual para distinto número de colectores

“4 Con independencia del uso al que se destine la instalación, en el caso de que en algún mes del año la contribución solar real sobrepase el 110% de la demanda energética o en más de 3 meses seguidos el 100%, se adoptarán cualquiera de las siguientes medidas:

14

Dotar a la instalación de la posibilidad de disipar dichos excedentes (a través de equipos específicos o mediante la circulación nocturna del circuito primario).

Tapado parcial del campo de captadores. En este caso, el captador está aislado del calentamiento producido por la radiación solar y, a su vez, evacúa los posibles excedentes térmicos residuales a través del fluido del circuito primario (que seguirá atravesando el captador).

Vaciado parcial del campo de captadores. Esta solución permite evitar el sobrecalentamiento, pero dada la pérdida de parte del fluido del circuito primario, debe ser repuesto por un fluido de características similares debiendo incluirse este trabajo en ese caso entre las labores del contrato de mantenimiento.

Desvío de los excedentes energéticos a otras aplicaciones existentes”.


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