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Diseño de instalaciones solares térmicas
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Índice
4.1. La instalación solar térmica en la edificación ................................................................. 4 4.2. Contribución solar mínima en el Código Técnico de la Edificación .............................. 7 4.3. Estimación de la demanda de energía calorífica ........................................................... 11 4.3.1. Estimación de la demanda de ACS ............................................................................ 12 4.3.2. Cálculo de la demanda energética por consumo de ACS........................................... 19 4.3.3. Cálculo de la demanda energética para climatización de piscina cubierta ................ 22 4.4. Condiciones climáticas.................................................................................................. 26 4.4.1. Radiación solar incidente ........................................................................................... 26 4.4.2. Temperatura ambiente................................................................................................ 28 4.5. Energía solar térmica aportada...................................................................................... 28 4.6. Criterios generales......................................................................................................... 29 4.7. Método f-chart............................................................................................................... 30 4.8. Pérdidas de posición y por sombreado.......................................................................... 37 4.8.1. Aspectos generales ..................................................................................................... 37 4.8.2. Estimación de las pérdidas por orientación e inclinación .......................................... 40 4.8.3. Estimación de las pérdidas por sombreado ................................................................ 44 4.8.4. Distancia entre filas de captadores ............................................................................. 46 4.9. Condiciones de diseño del intercambiador.................................................................... 50 4.10. Condiciones de diseño del circuito hidráulico ............................................................ 51 4.11. Condiciones de diseño de la bomba ............................................................................ 55 4.12. Dimensionado del vaso de expansión ......................................................................... 56 4.12. Plan de vigilancia ........................................................................................................ 58 4.13. Plan de mantenimiento ................................................................................................ 59 4.14. Datos de entrada del proyecto ..................................................................................... 65 4.15. Estimación de la demanda energética de A.C.S.......................................................... 66 4.16. Contribución solar mínima de ACS ............................................................................ 68 4.17. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores.............................................. 69 4.18. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart.......... 70 4.19. Volumen de acumulación y potencia de intercambio ................................................. 73 4.20. Datos de entrada del proyecto ..................................................................................... 75 4.21. Estimación de la demanda energética de A.C.S.......................................................... 75 4.22. Contribución solar mínima de ACS ............................................................................ 78 4.23. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores.............................................. 79 4.24. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart.......... 80 4.25. Volumen de acumulación y potencia de intercambio ................................................. 83
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Una vez descritas las principales características de las instalaciones solares
térmicas y de sus elementos, en este tema se aborda su diseño.
El punto de partida se encuentra en la exigencia de aporte solar que viene marcada
por la normativa actualmente en vigor, el Código Técnico de la Edificación, en su
Documento Básico de Ahorro de Energía, sección 4: “Contribución solar mínima de
agua caliente sanitaria” (CTE DB HE4). También resulta imprescindible la lectura del
Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE que aunque no es de obligado
cumplimiento, orienta y asesora con gran rigor técnico. Ambos documentos se
encuentran fácilmente en la red.
Los datos de entrada del proceso de dimensionado y diseño de la instalación son:
Demanda energética total requerida por el edificio, que se obtiene a partir de
la estimación de demanda de agua y el salto térmico a aplicar.
Energía solar disponible en el lugar de instalación y para la posición del
campo de captadores, teniendo en cuenta posibles reducciones por
sombreado y por orientaciones diferentes de la óptima.
En función de la demanda de agua y de la ubicación de la instalación se determina
la contribución solar requerida. Para determinar el número (o superficie) de
captadores se aplica uno de los métodos de dimensionado reconocidos en el sector.
En este documento se trabaja con el llamado método f-chart, de amplia difusión y
reconocimiento.
Para poder dimensionar la instalación deben conocerse de antemano las principales
características de los captadores para poder cotejar en cada instalación cual es el
que mejor encaja, bien por dimensiones, por superficie de captación, por calidad, por
precio, etc.
Después de la descripción del método de diseño, el tema aborda dos casos
prácticos. A continuación se indican las tareas de mantenimiento a realizar, para
concluir con un análisis energético y económico de este tipo de sistemas.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.1. La instalación solar térmica en la edificación
En el tema inicial se ha presentado la evolución y la situación actual de la utilización
de sistemas solares activos para la generación de calor en la edificación.
Son instalaciones con un grado de implantación importante en determinadas zonas
del planeta con elevada insolación, partiendo de sistemas sencillos y poco costosos
que, con el tiempo, han ido perfeccionándose.
En la mayor parte de los casos, la instalación solar térmica ha constituido un añadido
al edificio, ya que normalmente su instalación ha sido posterior al propio diseño y
construcción de la edificación. El hecho de que la gran mayoría de los sistemas
instalados hayan sido de pequeño tamaño permitía su disposición “a posteriori” en
edificios con condiciones adecuadas, en terrenos colindantes, azoteas, etc.
La necesidad de diversificar el uso de fuentes de energía y reducir en lo posible el
consumo de recursos convencionales como gas o gasóleo ha provocado un
aumento importante en el número de sistemas instalados y, poco a poco, en su
tamaño.
Desde la aprobación del Código Técnico de la Edificación en marzo de 2006 se ha
extendido aún más el uso de sistemas térmicos en España y se han desarrollado
nuevos y mejores diseños de componentes.
Por su relevancia práctica este tema va a tomar como base de desarrollo de un
proyecto la aplicación de dicho Código Técnico, remarcando las posibles
ampliaciones sobre los mínimos en él exigidos.
En primer lugar debe quedar claro el ámbito de aplicación de la normativa actual, en
el Documento Básico HE4 del Código Técnico de la Edificación, sobre contribución
solar mínima de agua caliente sanitaria (referido como CTE DB HE4 en lo que sigue).
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Como indica el propio documento:
“… es aplicable a los edificios de nueva construcción y rehabilitación de edificios
existentes de cualquier uso en los que exista una demanda de agua caliente
sanitaria y/o climatización de piscina cubierta.”
Cabe destacar que no se menciona el apoyo a la calefacción, lo que no impide
diseñar instalaciones con ese fin, junto al suministro de ACS, ya que el CTE DB HE4
únicamente establece los mínimos a cumplir.
Como es lógico, existen circunstancias que limitan o incluso excluyen el uso de
sistemas solares térmicos en determinados edificios. Así se recoge en el CTE:
“La contribución solar mínima determinada en aplicación de la exigencia básica…,
podrá disminuirse justificadamente en los siguientes casos:
a. cuando se cubra ese aporte energético de agua caliente sanitaria mediante el
aprovechamiento de energías renovables, procesos de cogeneración o
fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de recuperadores
de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio;
b. cuando el cumplimiento de este nivel de producción suponga sobrepasar los
criterios de cálculo que marca la legislación de carácter básico aplicable;
c. cuando el emplazamiento del edificio no cuente con suficiente acceso al sol
por barreras externas al mismo;
d. en rehabilitación de edificios, cuando existan limitaciones no subsanables
derivadas de la configuración previa del edificio existente o de la normativa
urbanística aplicable;
e. en edificios de nueva planta, cuando existan limitaciones no subsanables
derivadas de la normativa urbanística aplicable, que imposibiliten de forma
evidente la disposición de la superficie de captación necesaria;”
En los casos anteriores, salvo el a), se debe justificar en el proyecto la inclusión
alternativa de medidas o elementos que produzcan un ahorro energético térmico o
reducción de emisiones de dióxido de carbono, equivalentes a las que se obtendrían
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
mediante la correspondiente instalación solar, realizando mejoras en el aislamiento
térmico y rendimiento energético de los equipos.
Así mismo, existe un último caso de excepción por motivos del valor histórico-
artístico del edificio:
f. “cuando así lo determine el órgano competente que deba dictaminar en
materia de protección histórico-artística.”
Se establece un procedimiento para la verificación del cumplimiento del CTE DB
HE4, que incluye los siguientes puntos:
a. Obtención de la contribución solar mínima.
b. Cumplimiento de las condiciones de diseño y dimensionado.
c. Cumplimiento de las condiciones de mantenimiento.
La contribución solar es la fracción entre los valores anuales de la energía solar
aportada y la demanda energética anual, obtenidos ambos a partir de los valores
mensuales.
Según establece el CTE, en la memoria del proyecto debe definirse el método de
cálculo, especificando, al menos en base mensual, los valores medios diarios de la
demanda de energía y de la contribución solar.
Asimismo el método de cálculo incluirá las prestaciones globales anuales definidas
por:
a. La demanda de energía térmica.
b. La energía solar térmica aportada.
c. Las fracciones solares mensuales y anuales.
d. El rendimiento medio anual.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Como datos de partida para la obtención de la contribución solar, se debe conocer la
demanda energética mensual del edificio al que da servicio el sistema y la energía
solar que incide sobre la superficie de los captadores, también en base mensual.
En los siguientes apartados se analizan estos aspectos, dejando para secciones
posteriores la explicación y aplicación del método de dimensionado y cálculo de la
contribución solar de la instalación, su diseño completo y sus necesidades de
mantenimiento.
4.2. Contribución solar mínima en el Código Técnico de la Edificación
El CTE DB HE4 exige que toda edificación acogida en su ámbito de aplicación
disponga de una instalación solar térmica que sea capaz de suministrar, en diseño,
una contribución solar mínima, en función de la zona climática y del nivel de
demanda de agua caliente sanitaria del edificio, a una temperatura de referencia de
60ºC.
Establece dos categorías dependiendo de cuál sea la fuente de generación auxiliar:
a. General: suponiendo que la fuente energética de apoyo sea gasóleo, propano,
gas natural, u otras;
b. Efecto Joule: suponiendo que la fuente energética de apoyo sea electricidad
mediante efecto Joule, como ocurre con el calentamiento mediante
resistencias eléctricas.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Los valores exigidos de aporte solar mínimo anual, expresados en porcentaje sobre
el total, se recogen en las siguientes tablas, para ambas categorías y con
temperatura de referencia de 60ºC.
Zona climática Demanda total de
ACS del edificio
(m3/día) I II III IV V
0,05-5 30 30 50 60 70
5-6 30 30 55 65 70
6-7 30 35 61 70 70
7-8 30 45 63 70 70
8-9 30 52 65 70 70
9-10 30 55 70 70 70
10-12,5 30 65 70 70 70
12,5-15 30 70 70 70 70
15-17,5 35 70 70 70 70
17,5-20 45 70 70 70 70
>20 52 70 70 70 70
Tabla 4.1: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso general (gas, gasóleo,
propano, etc. Fuente: Código Técnico de la Edificación
Zona climática Demanda total de
ACS del edificio
(m3/día) I II III IV V
0,05-1 50 60 70 70 70
1-2 50 63 70 70 70
2-3 50 66 70 70 70
3-4 51 69 70 70 70
4-5 58 70 70 70 70
5-6 62 70 70 70 70
>6 70 70 70 70 70
Tabla 4.2: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso calentamiento auxiliar
por efecto Joule (eléctrico). Fuente: Código Técnico de la Edificación
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
La distribución de zonas climáticas se establece en el propio CTE, a partir de los
datos de radiación solar global anual incidente sobre superficie horizontal, H, con los
intervalos indicados en la siguiente tabla. Los valores se expresan en kWh/m2,
debiendo multiplicar por 3,6 para pasar a MJ/m2.
Zona climática kWh/m2
I H<3,8
II 3,8 ≤H < 4,2
III 4,2 ≤H < 4,6
IV 4,6 ≤H < 5,0
V H ≥ 5,0
Tabla 4.3: Distribución de zonas climáticas en función de la radiación solar global anual
sobresuperficie horizontal. Fuente: Código Técnico de la Edificación
Se muestra el mapa de España en la figura 4.1, dejando para el anexo
correspondiente la asignación de zona climática por localidades.
Figura 4.1: Mapa de zonas climáticas para la aplicación del CTE DB HE4.
Fuente: Código Técnico de la Edificación
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
La zona climática I corresponde a los lugares de menor radiación incidente anual, en
el norte del país, mientras que la zona climática V es la de mayor insolación, al Sur.
Si se analizan las tablas anteriores y las diferencias entre los dos casos, con
generación auxiliar convencional o eléctrica, se observa una exigencia mucho mayor
de aporte solar en el segundo caso. Por ejemplo, en edificios con demanda
pequeña-media (entre 50 litros por día y 1.000 litros por día) para zona climática II,
se exige un 30% más de contribución solar si se utiliza calentamiento auxiliar
eléctrico. En la zona climática III esta diferencia es del 20% y en al IV del 10%. En la
zona V ambos casos alcanzan el tope de 70% de contribución exigida.
La electricidad se considera una energía de mayor “calidad”, generalmente se
produce a partir del calor, por lo que resulta poco eficiente utilizar electricidad para
retornar a usos caloríficos. Es diferente el caso en el que esta electricidad haya sido
generada mediante energías renovables, no consumidoras de combustibles
convencionales.
En cuanto a las diferencias por zona climática, como es lógico se exige una mayor
contribución solar en los lugares donde la insolación es superior, con un 30% en
zona I y un 70% en zona V para instalaciones de tamaño pequeño-medio y
combustible convencional.
Desde un punto de vista cualitativo, sin entrar todavía en el detalle del cálculo de la
instalación, puede decirse que se alcanzan los valores de contribución exigidos para
cada zona con sistemas de tamaño similar. De esta forma los costes totales de
construcción no se incrementan en exceso en unas zonas respecto a otras.
Debe comprenderse, sin embargo, que en las zonas con menor insolación y menor
exigencia de contribución solar, el gasto anual por consumo del recurso auxiliar
(convencional o eléctrico) será mayor en las zonas de baja insolación, para la misma
demanda total.
En cuanto a la dependencia según la demanda de ACS del edificio, la contribución
solar mínima exigida se incrementa con el consumo, siempre con el tope del 70%.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Por tanto, cuanta mayor es la necesidad térmica para ACS, mayor debe ser la
instalación solar, en proporción, y para una misma zona.
En el CTE también se indica la contribución solar mínima para el caso de la
aplicación con climatización de piscinas cubiertas:
Zona climática
I II III IV V
Piscinas cubiertas 30 30 50 60 70
Tabla 4.4: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4 para climatización de piscinas
cubiertas. Fuente: Código Técnico de la Edificación
Los requisitos mínimos de este CTE permiten ser complementados con normativas
autonómicas y/o municipales más exigentes.
4.3. Estimación de la demanda de energía calorífica
Para poder calcular la contribución solar de una instalación o bien para poder
dimensionarla de forma que suministre dicha contribución solar, el primer paso es la
estimación de las necesidades térmicas del edificio en sus aplicaciones de
suministro de ACS o bien climatización de piscinas.
La demanda calorífica se obtiene con la siguiente información previa, que habrá que
evaluar en base mensual:
Demanda de ACS del edificio, en litros o m3 por día.
Temperatura final de calentamiento, normalmente 60ºC como referencia.
Temperatura fría del agua de red.
En primer lugar se determina la demanda de agua prevista, en función del tipo de
aplicación y de sus dimensiones (ocupación). Posteriormente debe determinarse la
demanda energética que supone el calentamiento de dicha cantidad de agua desde
la temperatura de red hasta la temperatura final
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.3.1. Estimación de la demanda de ACS
La estimación del consumo de ACS previsto en el edificio es un dato fundamental
para calcular la contribución solar real de la instalación. Sin embargo, existe escasa
información del terreno, ya que rara vez se registran directamente estos caudales.
En edificios ya en funcionamiento, con una instalación convencional, es posible
estimar el consumo de ACS a partir del gasto de combustible que aparece en las
facturas mensuales o bimensuales. Si la instalación suministra tanto para calefacción
como para ACS, debe escogerse un mes de verano, en el que no se conecte la
calefacción.
Como se indica en el Manual del Proyectista de Energía Solar Térmica, de la Junta
de Castilla y León, el consumo mensual de ACS del mes i, Di, expresado en m3/mes
se puede estimar cómo:
Donde:
Dcombustible,i es el consumo de combustible del mes de estudio i, en m3/mes.
PCI es el poder calorífico inferior del combustible utilizado.
η es el rendimiento del generador de calor convencional existente.
Tuso y Tred son las temperaturas finales de calentamiento y de agua fría de red,
respectivamente.
Otra opción es tomar los registros de agua fría y estimar que el ACS supone entre un
25 y un 35% del total (Fuente: Junta de Castilla y León), aunque en este caso no se
consideran las diferencias que pueda haber entre aplicaciones. Otra opción es
evaluar individualmente por tipos de utilización, como ducha, lavado de platos, etc.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
La solución más habitual, la única en obra nueva, consiste en utilizar las tablas que
diversos organismos ofrecen. El propio CTE propone una tabla de consumos
unitarios previstos de ACS por aplicaciones. Se ha elaborado a partir de la tabla de
consumo unitario medio de la norma UNE 94002:2005 “Instalaciones solares
térmicas para producción de agua caliente sanitaria: cálculo de la demanda
energética”.
No deben confundirse estos valores de demanda con los registros y estadísticas de
consumo de agua por persona y día, que incluye también el agua fría.
Lugar de consumo Litros ACS/día a 60ºC
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 20-25 por usuario
Lavanderías 3-5 por kg de ropa
Restaurantes 5-10 por comida
Cafeterías 1 por almuerzo
Tabla 4.5: Demanda diaria de referencia de ACS a 60ºC según el CTE DB HE4.
Fuente: Código Técnico de la Edificación
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Para obtener la demanda mensual de ACS debe multiplicarse la demanda diaria por
el número de días de cada mes. Si es constante durante todo el año la demanda
total será, obviamente, igual a la demanda diaria por 365 días.
Existen muchas aplicaciones en las que el consumo no es constante durante la
semana, con valores muy superiores durante los días laborables como ocurre en
escuelas o centros administrativos, por ejemplo, y también casos con mayor
consumo durante los fines de semana, como en hoteles o segundas residencias.
El CTE DB HE4 indica que en el caso que se justifique un nivel de demanda de ACS
que presente diferencias de más del 50% entre los diversos días de la semana, se
considerará la correspondiente al día medio de la semana y la capacidad de
acumulación será igual a la del día de la semana de mayor demanda.
Volviendo a la estimación de la demanda de agua anterior, en usos residenciales, si
no se conoce el nivel de ocupación de las viviendas objeto del suministro, debe
estimarse el número de personas a partir del número de dormitorios de cada
vivienda, según la siguiente tabla extraída del el CTE:
Número de
dormitorios 1 2 3 4 5 6 7 >7
Número de
personas 1,5 3 4 6 7 8 9
Una persona
por dormitorio
Tabla 4.6: Determinación del número de personas por vivienda
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Para la asignación de la contribución solar mínima que debe satisfacer la instalación,
debe considerarse siempre la demanda a la temperatura de referencia de 60ºC. Sin
embargo, si la temperatura de acumulación de diseño es distinta de los 60ºC, para el
dimensionado de la instalación debe corregirse la demanda anterior según las
siguientes expresiones:
Donde:
T: Temperatura del acumulador final.
Ti: Temperatura media del agua fría en el mes i.
D(T): demanda de agua caliente sanitaria anual a la temperatura T elegida.
Di(T):demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura T elegida.
Di(60ºC): demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura de 60ºC.
Para obtener la demanda mensual debe multiplicarse la demanda diaria por el
número de días de cada mes.
Una temperatura de acumulación inferior mejora el rendimiento de la instalación, ya
que existe un menor salto térmico en el intercambiador de calor. Sin embargo,
aumenta el volumen de acumulación para almacenar la misma carga térmica y
puede haber riesgo de legionelosis.
Si la acumulación se realiza a mayor temperatura se requiere un mayor número de
captadores, si bien una acumulación de menor tamaño.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Para realizar estas correcciones por temperatura, así como para cálculos posteriores
de la demanda en términos energéticos, se pueden usar las tablas de temperaturas
medias de agua de red de CENSOLAR, incluidas en el Pliego del IDAE (ver anexo).
Sin embargo, es común utilizar una temperatura media anual de 12ºC tal y como
hace el propio CTE en la estimación de las demandas energéticas a 60ºC antes
tabuladas.
Con toda esta información se propone un ejercicio práctico sencillo de repaso de la
información hasta ahora expuesta.
Ejercicio:
Se pretende instalar un sistema solar térmico para suministro de ACS en un edificio
residencial multifamiliar situado en Alcalá de Henares (Madrid), en zona climática IV.
El edificio tiene 6 viviendas de 3 dormitorios y 2 viviendas de 2 dormitorios. La
temperatura del agua de acumulación para suministro de ACS es de 55ºC.
Determinar la contribución solar mínima que deberá cubrir la instalación solar y la
demanda real de agua a la temperatura elegida, sabiendo que la fuente de
generación auxiliar es gas natural.
El número de personas residentes estimado es:
Tipo vivienda Nº viviendas Nº personas por
vivienda Nº personas
3 dormitorios 6 4 24
2 dormitorios 2 3 6
Total 30
Tabla 4.7: Estimación del número de personas residentes.
Fuente: Elaboración propia
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
En edificios multifamiliares la demanda mínima propuesta por el CTE es de 22 litros
por persona y día, a 60ºC, con lo que la demanda total diaria a dicha temperatura
asciende a:
30 personas x 22 litros/día = 660 litros/día = 0,66m3/día
Se concluye que con 0,66m3/día de consumo y zona climática IV, la contribución
solar mínima de ACS es del 60% del total.
Sin embargo, como la temperatura de acumulación elegida es de 55ºC, la demanda
de agua real a efectos de cálculo de la instalación se debe estimar con las
expresiones anteriores.
Primero vamos a calcular la demanda a 55ºC de forma simplificada, suponiendo una
temperatura de agua de red constante de 10,3ºC para todos los meses (media anual
en Madrid) y tomando un mes medio de 30,4 días. La demanda media mensual a
60ºC, igual para todos los meses es:
Di(60ºC) ≈ 0,66m3/día.30, 4días ≈ 20,1m3/mes
Que se corrige a los 55ºC del ejercicio como:
La demanda anual es:
Daño(55ºC) =12 meses x 22,3m3/mes = 267,6m3
Y la demanda media diaria, que es de 0,66m3/día a 60ºC pasa a ser de:
Ddía(55ºC)=267,6m3/365días = 0,73m3/día
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Al transformar el valor de demanda de los 60ºC a los 55ºC se produce un incremento
del 10%. Puede calcularse para otras temperaturas, como 45ºC, para los que el
aumento de demanda es del 50% respecto a la inicial a 60ºC.
Si aplicamos de forma estricta las expresiones anteriores, en base mensual,
tomando la temperatura media del agua de red de cada mes del lugar de ubicación
(en este caso Madrid) y el número de días real de cada uno, se obtienen los
siguientes valores:
Mes Tª agua
red
Ddia a 60ºC
(m3/día) Nº días mes
Di(60ºC)
(m3/mes)
Di(55ºC)
(m3/mes)
Ene 6 0,66 31 20,5 22,5
Feb 7 0,66 28 18,5 20,4
Mar 9 0,66 31 20,5 22,7
Abr 11 0,66 30 19,8 22,1
May 12 0,66 31 20,5 22,8
Jun 13 0,66 30 19,8 22,2
Jul 14 0,66 31 20,5 23,0
Ago 13 0,66 31 20,5 22,9
Sep 12 0,66 30 19,8 22,1
Oct 11 0,66 31 20,5 22,8
Nov 9 0,66 30 19,8 22,0
Dic 6 0,66 31 20,5 22,5
Año 240,9m3 267,9m3
Tabla 4.8: Cálculo de la demanda mensual de ACS para temperatura diferente de 60ºC, según CTE
DB HE4. Fuente: Elaboración propia
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.3.2. Cálculo de la demanda energética por consumo de ACS
Una vez estimado el consumo de agua caliente, se calcula cuánta energía requiere
su calentamiento desde las condiciones del agua de red hasta la temperatura final.
No debe confundirse la temperatura de utilización del agua con la temperatura final
de calentamiento en el acumulador. Por los motivos sanitarios mencionados, debe
calentarse el agua a temperaturas superiores aunque después se realice la mezcla
con agua fría en el consumo.
Para la estimación de la demanda energética se considera el salto térmico completo,
desde la temperatura de red hasta la temperatura final del acumulador.
Así pues, la demanda energética mensual para el mes i, DEmes,i, necesaria para
calentar un volumen de agua Ddía, expresado en m3/día, se obtiene mediante la
siguiente expresión:
Donde:
Ndías,i es el número de días del mes i.
Tred,i es la temperatura media del agua de red en el mes i.
TACS es la temperatura final de calentamiento del ACS (60ºC como referencia).
Cp es el calor específico del agua (1kcal/kg.ºC).
ρ es la densidad del agua (1.000kg/m3).
Esta misma demanda energética pero expresada en kWh, se obtiene de la anterior
como:
DEmes,i (kWh/mes) = 1,16.10-3.DEmes,i(kcal/mes)
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Sin más que utilizar las relaciones:
1kcal=4,168 kJ
1kW.h=1 kJ/s.3600s=3600 kJ
Ejercicio:
En un gimnasio situado en la provincia de Madrid, con 120 usuarios al día, se quiere
diseñar un sistema solar térmico para el suministro de ACS, con generación auxiliar
de gasóleo. Determinar la contribución solar mínima según el CTE DB HE4 y estimar
la demanda energética mensual de la instalación.
En un emplazamiento de uso general (no residencial) como es un gimnasio, la
temperatura final de acumulación debe ser de 60ºC, según el R.D. 865/2003. Se
utilizan los datos de demanda a la temperatura de referencia de 60ºC sin necesidad
de correcciones posteriores.
Según la tabla por aplicaciones la demanda de diseño en un gimnasio es de 20 a 25
litros de ACS por día y por usuario. Tomamos el valor inferior para reducir el riesgo
de un sobredimensionado en verano, con riesgo de estancamiento, ya que es una
época de menor afluencia
La demanda diaria de ACS es, por tanto
Ddía (60ºC)=20l/día.usuario x 120 usuarios=2,4m3/día
En zona climática IV, para un consumo inferior a los 5m3/día, la contribución solar
mínima que establece el CTE es del 60%
Para cada mes debe calcularse la demanda de energía utilizando la expresión antes
presentada, ya en kWh/mes y con Ddía en m3/día:
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Donde Cp=1kcal/kg.ºC y r =1.000 kg/m3.
Los datos de entrada y resultados se muestran en la siguiente tabla:
Mes Tª agua
red
Ddia a 60ºC
(m3/día) Nº días mes
Di(60ºC)
(m3/mes)
DEi(60ºC)
(kWh/mes)
Ene 6 2,4 31 74,4 4.660,4
Feb 7 2,4 28 67,2 4.131,5
Mar 9 2,4 31 74,4 4.401,5
Abr 11 2,4 30 72,0 4.092,5
May 12 2,4 31 74,4 4.142,6
Jun 13 2,4 30 72,0 3.925,4
Jul 14 2,4 31 74,4 3.970,0
Ago 13 2,4 31 74,4 4.056,3
Sep 12 2,4 30 72,0 4.009,0
Oct 11 2,4 31 74,4 4.228,9
Nov 9 2,4 30 72,0 4.259,5
Dic 6 2,4 31 74,4 4.660,4
Año 876,0m3 50.538kWh
Tabla 4.9: Cálculo de la demanda energética mensual.
Fuente: Elaboración propia
Se puede observar cómo para un consumo de agua constante a lo largo del año, la
necesidad energética es inferior en verano. Esto se debe a que el agua de red está
más caliente y, por tanto, el salto térmico que debe proporcionar la instalación solar
es inferior.
Se puede comprender que si además se supusiera un consumo estival de agua
caliente inferior, lo cual tiene bastante sentido en una aplicación como esta, las
diferencias aumentarían. A todo ello se suma que la radiación es máxima en esta
época del año de menor necesidad térmica.
21
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
En estas condiciones, como se estudia más adelante, el sistema debe ser capaz de
proporcionar la contribución anual mínima establecida por el CTE pero sin generar
excedentes excesivos en otras épocas que no sólo serían desperdiciados, sino que
implican un aumento de las temperaturas y un mayor riesgo de estancamiento de los
captadores y una degradación mayor de los componentes.
El propio CTE limita el sobredimensionado en los meses de verano.
4.3.3. Cálculo de la demanda energética para climatización de piscina cubierta
La instalación solar para la climatización de una piscina cubierta debe suministrar
entre un 30 y un 70% de la demanda total de energía, en función de la zona
climática, tal y como se indica en la tabla de asignación a partir de los datos del CTE
DB HE4.
Figura 4.2: Esquema de instalación solar climatización de piscina cubierta.
Fuente: Termicol
La demanda energética total depende por una parte del volumen de agua a
acondicionar y, por otra, de las temperaturas del agua y del aire del recinto.
El propio CTE señala que, para piscinas cubiertas, los valores ambientales de
temperatura y humedad deberán ser fijados en el proyecto, la temperatura seca del
22
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
aire del local será entre 2 ºC y 3 ºC mayor que la del agua, con un mínimo de 26 ºC y
un máximo de 28 ºC, y la humedad relativa del ambiente se mantendrá entre el 55%
y el 70%, siendo recomendable escoger el valor de 60%.
Se deduce, entonces, que la temperatura del agua está entre los 23 y los 26ºC, sin
que el CTE ofrezca indicaciones más concretas ni proponga métodos de cálculo de
la demanda térmica.
Se recurre al Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE, que sí aborda en más
detalle la estimación de la demanda energética en piscinas.
En primer lugar, el Pliego del IDAE remite a la tabla de temperaturas de agua
incluida en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, en la ITE 10
sobre Instalaciones específicas, ITE 10.2 de Acondicionamiento de piscinas. Dicha
tabla se reproduce a continuación:
Uso principal Temperatura del agua (ºC)
Público Recreo
Chapoteo
Enseñanza
Entrenamiento
Competición
25
24
25
26
24
Privado 25/26
Tabla 4.10: Temperatura del agua de las piscinas, RITE ITE 10.2.
Fuente: Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios
La temperatura del agua se medirá en el centro de la piscina y a unos 20 cm por
debajo de la lámina de agua. La tolerancia en el espacio, horizontal y verticalmente,
de la temperatura del agua no podrá ser mayor que ± 1ºC.
Cabe mencionar que algunas Instrucciones Técnicas Complementarias, en concreto
la IT 10.2 sobre acondicionamiento de piscinas, no ha sido todavía actualizada en el
nuevo RITE publicado en Agosto de 2007 en el momento de redactar este texto, por
23
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
lo que aquí se hace referencia al documento previo. Se advierte, entonces, de su
provisionalidad.
Para el cálculo de la demanda energética deben evaluarse las pérdidas térmicas de
la piscina hacia su entorno. La aportación del sistema térmico (solar más apoyo
auxiliar) debe compensar las pérdidas térmicas de la pileta, de forma que se
establezca una situación de equilibrio estacionario. Según el Pliego del IDAE, estás
pérdidas se distribuyen de la siguiente forma:
Pérdidas por evaporación un 70-80% de las totales.
Pérdidas por radiación un 15-20% de las totales.
Pérdidas por conducción a través de los cerramientos despreciables.
Para el cálculo de las pérdidas energéticas en piscinas cubiertas, se puede utilizar la
siguiente expresión empírica, que engloba todas ellas, en términos de potencia
calorífica. Es un método simplificado propuesto en el Pliego del IDAE:
Donde:
Tagua es la temperatura del agua de la piscina
Spiscina es la superficie de la piscina
Para obtener las pérdidas en unidades de energía se multiplica la potencia P por 24
horas y se obtiene la demanda diaria total requerida para mantener la piscina en las
condiciones de diseño:
24
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
La demanda mensual DEmes se determina multiplicando la demanda diaria por el
número de días del mes correspondiente.
Ejercicio:
Calcular la demanda energética diaria que requiere la climatización de una piscina
cubierta de 25x10x2,5m, a una temperatura de 24ºC, utilizando el método
simplificado del Pliego del IDAE.
Se aplica la fórmula empírica anterior:
El cálculo mensual se obtiene multiplicando el valor diario por el número de días de
cada mes, para los meses de utilización de la instalación.
Junto a este método simplificado, se puede encontrar en la bibliografía un método
general que independiza la estimación de las pérdidas a través de cada uno de los
mecanismos de transmisión de calor que se producen: evaporación, convección y
radiación.
La evaporación requiere una aportación energética elevada, el llamado calor latente
(540cal/gr), que extrae de la propia agua de la piscina, con lo que esta se enfría. La
evaporación del agua, a temperaturas tan alejadas de la de ebullición, está
determinada por el nivel de humedad del entorno, la velocidad del aire en la
superficie del agua y la temperatura del agua y del aire.
Los mecanismos de convección y radiación ya se han estudiado al inicio del tema 3.
En la práctica para el diseño de instalaciones solares térmicas de climatización de
piscinas cubiertas es suficiente con aplicar el método simplificado, por lo que no se
va a abordar con más detalle el método general mencionado. Para ampliar
información sobre el método general se recomienda consultar el libro “Proyecto y
Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas” (Pereda, 2006).
25
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Si bien en el CTE DB HE4 no se incluye la climatización de piscinas al aire libre, es
un tipo de aplicación con un cierto mercado en España, donde se logra ampliar los
meses de uso, fundamentalmente compensando las pérdidas de calor nocturnas con
la aportación del sistema solar. Cabe recordar que es un tipo de aplicación donde no
está permitido el uso de fuentes no renovables.
El Pliego del IDAE ofrece una expresión empírica para la estimación de las pérdidas
energéticas a superar, P:
Donde la velocidad del viento se expresa en m/s.
Al no haber sistema de apoyo, cuando el suministro de calor solar no es suficiente,
por una radiación inferior a lo previsto o por temperatura ambiente baja, la
temperatura del agua disminuye.
Para este tipo de sistemas se busca un coste lo menor posible, por lo que se utilizan
normalmente captadores solares abiertos o plásticos, ya descritos en el tema 3.
4.4. Condiciones climáticas 4.4.1. Radiación solar incidente
En la asignación de los valores de contribución solar mínima que realiza el CTE DB
HE4 se considera la zona climática donde se va a instalar el sistema solar térmico,
como se analizó en apartados anteriores. Aparecía ya una primera dependencia del
diseño de la instalación con el nivel de radiación global existente en el lugar de
ubicación.
Sin embargo, la influencia de la radiación solar no se queda en eso, sino que es
necesario disponer de datos de radiación incidente del lugar para poder calcular el
26
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
número de captadores solares necesarios, en realidad, para estimar la energía
generada por estos y poder conocer la energía transferida al agua de consumo.
En el tema 2 de este libro se estudió en detalle la naturaleza de la radiación solar,
sus diferentes formas de expresión y el tratamiento de los datos actualmente
disponibles.
Para el dimensionado de los sistemas solares térmicos y su análisis energético se
utilizan los 12 valores medios mensuales de irradiación diaria global incidente,
expresados en MJ/m2 o más habitualmente en kWh/m2.
Si no se dispone de otros datos más precisos del lugar de instalación, el Pliego del
IDAE recomienda utilizar los datos suministrados por CENSOLAR, que se
reproducen en el anexo. Estos datos se refieren a superficie horizontal, por lo que es
necesario transformarlos a la inclinación y orientación real de los captadores solares.
Existen aplicaciones informáticas que permiten realizar esta transformación, por
ejemplo, la disponible en el Curso Solar de la Universidad de Jaén.
También en el portal sobre radiación solar de la Comisión Europea, PV GIS, se
pueden obtener los valores de radiación diaria para cualquier inclinación y para un
gran número de Municipios.
Para completar la información, aunque sólo para captadores con orientación Sur, en
el anexo al final del tema se ofrecen las tablas con el factor de corrección k que
permiten relacionar los valores de radiación solar sobre superficie inclinada con los
de superficie horizontal, mediante:
Gdi (β) = k.Gdi(0º)
Donde Gdi (β) es la media de la radiación solar diaria incidente en el mes i sobre una
superficie de inclinación β y Gdi(0º) la media de la radiación solar diaria incidente en
el mes i sobre superficie horizontal.
27
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
La energía solar mensual incidente, EImes,i, se obtiene sin más que multiplicar la
irradiación diaria de cada mes por el número de días:
EImes,i = Gdi (β).Ndías,mes
4.4.2. Temperatura ambiente
En el tema 3 dedicado a la descripción de los sistemas solares térmicos y sus
componentes, se explica cómo se reducen las pérdidas de calor de los captadores
solares con el aumento de la temperatura ambiente. Se produce un incremento de la
eficiencia y un mejor aprovechamiento de la radiación solar incidente.
Para el cálculo de la instalación solar capaz de suministrar la fracción de energía que
exige el CTE DB HE4 debe disponerse de bases de datos de temperatura ambiente
del lugar de ubicación o un lugar próximo.
Son datos de temperatura media mensual registrados durante las horas del día, ya
que es en este tiempo en el que los captadores se encuentran funcionando y cuando
se pueden producir las pérdidas.
Si no se disponen de datos concretos de la localidad de ubicación puede recurrirse a
las tablas que proporciona CENSOLAR y que recomienda el Pliego del IDAE. Se
adjuntan en el anexo.
4.5. Energía solar térmica aportada
La energía calorífica que una instalación solar aporta al agua de consumo sólo es
posible calcularla, a partir de la radiación incidente, una vez que se conoce el
número de captadores solares previstos.
Sin embargo, cuando el objetivo es suministrar la cantidad exigida por el CTE DB
HE4, se determina la energía solar a aportar como el producto de la contribución
solar mínima por la demanda energética total. El resto proviene del calentador
auxiliar.
28
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
El análisis mensual de la aportación del sistema se debe realizar para una superficie
de captación ya determinada.
4.6. Criterios generales
El dimensionado de la instalación solar térmica y, en concreto, del número de
captadores necesarios para cumplir con las exigencias del CTE DB HE4 sobre
contribución solar mínima no es una tarea sencilla.
El propio CTE no indica el método a emplear, sino que únicamente señala que en la
memoria del proyecto se establecerá el método de cálculo, especificando, al menos
en base mensual, los valores medios diarios de la demanda de energía y de la
contribución solar.
Asimismo, continúa el CTE, el método de cálculo incluirá las prestaciones globales
anuales definidas por:
a. La demanda de energía térmica;
b. La energía solar térmica aportada;
c. Las fracciones solares mensuales y anuales;
d. El rendimiento medio anual.
Los requisitos básicos que establece el CTE relacionados directamente con el
dimensionado son:
Cumplimiento de la contribución solar mínima en función de la zona climática,
de la demanda de ACS y del tipo de generación auxiliar.
Ningún mes del año la energía producida por la instalación solar debe superar
el 110% del consumo estimado y no más de 3 meses el 100%.
En una instalación de energía solar, el rendimiento del captador,
independientemente de la aplicación y la tecnología usada, debe ser siempre
igual o superior al 40%.
29
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Se han desarrollado métodos de cálculo con un número de parámetros reducido que
facilita enormemente la tarea del diseñador. Uno de los métodos de mayor
implantación, y también recomendado por el Pliego del IDAE, es el llamado método
f-Chart.
En este libro se propone el uso de este método y con su aplicación se presentarán
varios casos prácticos de instalaciones.
El proceso de dimensionado de la instalación parte de los datos de la energía
demandada antes expuesta, de las condiciones climáticas y de los parámetros
básicos de los captadores y demás elementos fundamentales del sistema. Con esta
información se aplica el método con un número de captadores concreto y se estima
la contribución solar y el rendimiento. Se reajusta el número de captadores hasta
que se alcanzan los valores requeridos de contribución solar.
Como valor orientativo de predimensionado se indica 70 l/m2.día de ACS (Pereda,
2006). Según esta regla, para un consumo diario de 660 litros por día de ACS se
puede comenzar el proceso de cálculo del sistema de captación con 9,4 m2 de
captadores solares, o con el número correspondiente de unidades, según la
superficie de estos. Este valor debe recalcularse teniendo en cuenta la contribución
solar exigida y las condiciones particulares de la instalación por lo que únicamente
es orientativo, no vinculante en ningún caso.
4.7. Determinación del número de captadores y del volumen de acumulación: método f-chart
El método f-Chart fue elaborado en 1973 por los profesores Klein, Beckman y Duffie
y desarrollado en años posteriores (Duffie y Beckman, 1980), en los que se ha
convertido en el de más amplia aplicación en todo el mundo.
Es un método destinado a estimar las principales variables de funcionamiento de la
instalación en períodos de tiempo largos, no siendo válido para el análisis
instantáneo ni diario. Un estudio operativo instantáneo sólo se podrá hacer aplicando
condiciones particulares de operación a una instalación ya diseñada.
30
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
El método f-chart permite realizar el cálculo de la contribución solar de un sistema y
de su rendimiento medio, a partir de valores medios mensuales de las diferentes
variables estudiadas (demanda de agua, temperatura de agua de red, radiación
solar y temperatura ambiente media durante el día).
Se definen dos parámetros adimensionales D1 y D2, relacionados con la energía
absorbida por los captadores y con la energía perdida, respectivamente. Estos
parámetros sirven para el cálculo de la fracción solar mensual fmes mediante la
siguiente expresión empírica:
El parámetro D1 expresa la relación entre la energía absorbida por el captador y la
demanda energética mensual del sistema, DEmes, ya tratada en apartados anteriores.
El parámetro D2 expresa la relación entre las pérdidas de energía del captador, para
una determinada temperatura y esa misma demanda energética mensual del
sistema. Ambos parámetros deben calcularse para cada mes del año.
Así:
La energía absorbida por mes por el sistema de captación se obtiene a partir de la
irradiación solar diaria de ese mes para la orientación e inclinación de los captadores,
Gdm, por el número de días, Ndías,mes, que incide sobre una superficie de captadores
SC. Este producto representa la energía mensual incidente, que debe corregirse con
el Modificador del Ángulo de Incidencia, MAI, con el parámetro de rendimiento óptico
del captador, ηo, ambos ya descritos en el tema 3 y, finalmente, con un factor de
corrección del conjunto captador-intercambiador, FCint, para el que el Pliego del
IDAE recomienda tomar un valor de 0,95.
31
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
La superficie de captadores, SC, suele asociarse con el área de apertura de cada
captador, multiplicada por el número de equipos a instalar.
El parámetro adimensional asociado a las pérdidas del captador se puede obtener
mediante la siguiente expresión:
El parámetro Kglobal es el coeficiente global de pérdidas, obtenido de las curvas
características de rendimiento en aproximación lineal del captador seleccionado,
como se explicó en temas anteriores.
Además, se aplican dos factores de corrección, uno para el acumulador, FCacum, y
otro por temperatura del agua, FCACS. Para estos dos parámetros el Pliego del IDAE
propone unas ecuaciones empíricas, que se muestran a continuación.
Con una relación entre el volumen de acumulador y superficie de captadores que el
CTE DB HE4 sitúa entre:
Por ejemplo, en viviendas unifamiliares, tomando un colector de 2,5 m2 de superficie
de captación, el volumen mínimo de depósito será de 125 litros y el volumen máximo
de 450 litros. Para edificios residenciales multifamiliares, con unos 2m2 de captación
32
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
por cada vivienda, el volumen mínimo en el caso de disponer de acumulación
descentralizada es de 100 litros por vivienda.
Ya se mencionó en el tema anterior que el CTE da preferencia a la acumulación
centralizada frente a la descentralizada, sin embargo, la tendencia actual en el
mundo de la construcción es la individualización de los sistemas (excepto los
captadores) debido al recelo que existe entre propietarios en cuanto a los consumos
de cada uno de los vecinos.
En ocasiones el edificio no dispone del espacio adecuado apara la ubicación de un
depósito de grandes dimensiones y un peso muy elevado.
En el Pliego del IDAE se indica, a su vez, que la relación entre el volumen de
acumulación y la demanda diaria estará entre 0,8 y 1. En la práctica como dato de
referencia se suele seleccionar un acumulador de volumen similar al consumo de
ACS diario, debiendo siempre adaptarlo a las medidas comerciales existentes en el
mercado y a su coste.
Un criterio adicional de ajuste en el dimensionado del acumulador se puede
establecer en función del desfase entre el momento de generación del calor y el del
consumo. Si este desfase es breve, es decir, si el consumo se realiza
fundamentalmente durante el día, cabe seleccionar un depósito en la zona inferior
del rango admisible. Por el contrario, si el desfase es mayor, en horas o más de un
día conviene incrementar el volumen.
El valor del volumen de acumulación influye sobre el cálculo de la fracción solar,
aunque en menor proporción que la superficie o número de captadores.
El factor de corrección por temperatura se calcula como:
33
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Este último parámetro corrector, FCACS, relaciona la temperatura mínima de ACS,
establecida en 60ºC, la temperatura del agua de red y la temperatura ambiente.
Una vez calculada la fracción solar mensual, se obtiene la energía solar útil aportada
como:
EUsolar,mes = fmes.DEmes
Si se realiza el mismo cálculo para cada mes del año, finalmente se obtiene la
fracción solar anual, que es la que evalúa el CTE DB HE4 como contribución solar
mínima:
Además de esta fracción solar anual que se obtiene al aplicar el método de
dimensionado del sistema, debe tenerse en cuenta también la evolución mensual de
la aportación solar calculada.
Al respecto, el CTE DB HE4 indica que 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 tres meses seguidos el
100 %, deben adoptarse cualquiera de las siguientes medidas:
a. Dotar a la instalación de la posibilidad de disipar dichos excedentes (a través
de equipos específicos o mediante la circulación nocturna del circuito
primario).
b. Tapado parcial del campo de captadores. En este caso el captador está
aislado del calentamiento producido por la radiación solar y a su vez evacua
los posibles excedentes térmicos residuales a través del fluido del circuito
primario (que seguirá atravesando el captador).
34
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
c. 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 entre las labores del contrato de mantenimiento.
d. Desvío de los excedentes energéticos a otras aplicaciones existentes.
Las dos opciones intermedias sólo se recomiendan cuando existe un servicio de
mantenimiento permanente en el lugar. Si no es así, es recomendable aplicar el
desvío de los excedentes a otros usos y, si no se dispone de los medios para ello,
recurrir a la recirculación o disipación del calor.
En realidad, la necesidad de aplicar una o varias de estas medidas por exceso de
generación no se pueden evaluar en esta evolución mensual de la fracción solar, ya
que, una vez en operación, las condiciones iniciales de diseño varían enormemente.
Así, tanto el consumo esperado como la radiación incidente pueden variar, por lo
que siempre deben disponerse las medidas de protección y control de la instalación,
como se explica en el tema correspondiente. Los resultados mensuales del diseño sí
ofrecen, sin embargo, una primera idea de las condiciones de funcionamiento del
sistema.
En el caso de ocupaciones parciales de instalaciones de uso residencial turístico, se
deben detallar los motivos, modificaciones de diseño, cálculos y resultados tomando
como criterio de dimensionado que la instalación deberá aproximarse al máximo al
nivel de contribución solar mínima.
El dimensionado de la instalación estará limitado por el cumplimiento de la condición
de que en ningún mes del año la energía producida por la instalación podrá superar
el 110 % de la demanda energética y en no más de tres meses el 100 % y a estos
efectos no se tomarán en consideración aquellos periodos de tiempo en los cuales la
demanda energética se sitúe un 50 % por debajo de la media correspondiente al
resto del año, tomándose medidas de protección.
35
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Por último, junto a la fracción solar, debe calcularse el rendimiento medio anual de la
instalación, tal y como prescribe el CTE. Se obtiene como el cociente entre la
energía solar útil aportada al agua y la radiación solar incidente sobre los captadores,
multiplicada por la superficie de captación.
Se puede calcular en valores mensuales o en media anual:
El CTE DB HE4 señala que en una instalación de energía solar, el rendimiento del
captador, independientemente de la aplicación y la tecnología usada, debe ser
siempre igual o superior al 40%.
Adicionalmente se deberá cumplir que el rendimiento medio dentro del periodo al
año en el que se utilice la instalación, deberá ser mayor que el 20 %.
Como repaso del proceso de cálculo del sistema de captación y acumulación se
indican las etapas principales:
Identificar la zona climática de ubicación y el tipo de fuente auxiliar.
Determinar la demanda de Agua Caliente Sanitaria.
Localizar la contribución solar mínima exigida por el CTE DB HE4.
Determinar la demanda energética mensual a partir de la demanda diaria de
ACS, la temperatura de red y la temperatura final de acumulación del agua.
Obtener la irradiación solar diaria incidente sobre el plano de los captadores
(orientación e inclinación) y la energía mensual recibida (irradiación diaria por
número de días del mes).
Seleccionar un modelo de captador solar, con sus características básicas:
área de apertura, rendimiento óptico y coeficiente global de pérdidas.
36
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Proponer un volumen comercial para el depósito y comprobar que cumple con
los requisitos exigidos en el CTE de mínima y máxima acumulación.
Aplicar el método de cálculo, obtener las fracciones solares mensuales y la
contribución anual y verificar el cumplimiento del valor mínimo requerido en el
CTE.
Aumentar o reducir el número de captadores y su inclinación y variar el
volumen de acumulación hasta ajustar la contribución solar a lo exigido.
Verificar la evolución mensual de la fracción solar y comprobar que ningún
mes incumple los preceptos del CTE.
Las aplicaciones informáticas de diseño de instalaciones se basan en una hoja de
cálculo f-chart sobre la que programan las expresiones anteriores.
4.8. Pérdidas de posición y por sombreado 4.8.1. Aspectos generales
En un proyecto de instalación, el estudio de dimensionado efectuado hasta el
momento debe integrarse en las características específicas del edificio donde se va
a ubicar, lo cual puede modificar algunos aspectos del diseño o incluso imposibilitar
su aplicación.
El edificio se encuentra situado en un entorno urbanístico, ya formado o en
construcción, que puede provocar el sombreado parcial del lugar previsto de
instalación de los captadores. El propio edificio también puede modificar la recepción
solar por sombras (chimeneas o cualquier otro elemento saliente) o por la
disposición de las cubiertas adecuadas para la colocación de los captadores.
En este sentido, deben evaluarse las posibles pérdidas por una posición (orientación
e inclinación) del campo de captadores diferente de la óptima y los efectos del
sombreado de elementos de su entorno.
37
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
En realidad, el efecto de una posición no óptima (orientación Sur e inclinación
alrededor de los 30-35º en la península) ya se ha tenido en cuenta en el
dimensionado, puesto que los datos de radiación incidente, Gdm, empleados en el
cálculo de la energía solar absorbida, deben ser los obtenidos para la orientación e
inclinación real de los captadores, como se explica en detalle en el tema 2 y se
recuerda en secciones anteriores del presente tema.
Sin embargo, para que una ubicación de los captadores sea autorizada deben
cumplirse unos requisitos adicionales sobre límites admisibles de pérdidas.
El CTE DB HE4 establece que la orientación e inclinación del sistema de captación y
las posibles sombras sobre el mismo serán tales que las pérdidas sean inferiores a
los límites de la tabla siguiente:
Caso Orientación e
inclinación Sombras Total
General 10% 10% 15%
Superposición 20% 15% 30%
Integración
arquitectónica 40% 20% 50%
Tabla 4.11: Pérdidas límite por orientación e inclinación, por sombreado y totales, según CTE
DB HE4. Fuente: Código Técnico de la Edificación
Se diferencian tres casos: general, superposición de módulos e integración
arquitectónica. Se considera que existe integración arquitectónica cuando los
módulos cumplen una doble función energética y arquitectónica y además sustituyen
elementos constructivos convencionales o son elementos constituyentes de la
composición arquitectónica.
Se considera que existe superposición arquitectónica cuando la colocación de los
captadores se realiza paralela a la envolvente del edificio, no aceptándose en este
concepto la disposición horizontal con el fin de favorecer la autolimpieza de los
módulos.
38
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
En ejemplo más habitual del caso general es la colocación de los captadores sobre
una azotea horizontal, donde las posibilidades de posicionamiento de los equipos
son mayores que sobre cubierta inclinada.
Una regla fundamental a seguir para conseguir la integración o superposición de las
instalaciones solares es la de mantener, dentro de lo posible, la alineación con los
ejes principales de la edificación.
En todos los casos se han de cumplir las tres condiciones: pérdidas por orientación e
inclinación, pérdidas por sombreado y pérdidas totales inferiores a los límites
estipulados respecto a los valores obtenidos con orientación e inclinación óptimas y
sin sombra alguna.
Se observa en la tabla anterior cómo los valores de sombras totales son inferiores,
para cada caso, a la suma de las sombras de posición y de sombreado. Es decir, no
se admite un máximo de sombras en ambos conceptos, ya que entonces la total
superaría los límites admisibles.
Se considera como la orientación optima el sur y la inclinación óptima, dependiendo
del periodo de utilización, uno de los valores siguientes:
a. Demanda constante anual: la latitud geográfica.
b. Demanda preferente en invierno: la latitud geográfica + 10 º.
c. Demanda preferente en verano: la latitud geográfica – 10 º.
Cuando, por razones arquitectónicas excepcionales no se pueda dar toda la
contribución solar mínima anual correspondiente, cumpliendo los requisitos de
pérdidas límite indicados, se justificará esta imposibilidad, analizando las distintas
alternativas de configuración del edificio y de ubicación de la instalación, debiéndose
optar por aquella solución que dé lugar la contribución solar lo más cerca posible de
lo exigido.
39
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.8.2. Estimación de las pérdidas por orientación e inclinación
El CTE DB HE4 establece el método de evaluación de las pérdidas por orientación e
inclinación y sombras de la superficie de captación.
Figura 4.3: Referencia de ángulos de inclinación (β) y orientación o acimut (α) de los captadores.
Fuente: Código Técnico de la Edificación
La inclinación de los captadores toma como referencia la horizontal, mientras que
para la orientación, se toma como origen de ángulos la dirección Sur (ángulo 0º de
acimut), con valores negativos hacia el Este y positivos hacia el Oeste. La línea que
marca la orientación es la perpendicular al plano del captador.
En el proyecto inicial, en realidad antes de realizar el dimensionado de la instalación
solar, deben determinarse las posibles ubicaciones del campo de captadores entre
las cubiertas disponibles en el edificio. En obra nueva la instalación solar debe
contemplarse en paralelo al resto de instalaciones del edificio, participando de esta
forma en el propio proyecto arquitectónico.
El CTE DB HE4 ofrece una herramienta gráfica para la estimación de las pérdidas
por orientación e inclinación, en valor anual. Este gráfico, que se reproduce a
continuación, es válido para una la latitud (φ) de 41º, debiendo corregirse los
resultados para otras latitudes.
40
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Los ejes radiales representan las diferentes orientaciones, con eje Norte-Sur en la
vertical. Las circunferencias concéntricas marcan las inclinaciones de los captadores,
siendo el punto central del gráfico la posición horizontal y la circunferencia exterior la
vertical (inclinación de 90º). La intersección de una radial con una circunferencia es
una posición concreta del campo de captadores.
Las diferentes secciones indican el porcentaje de energía anual recibida respecto al
óptimo, situado (punto negro) en orientación Sur e inclinación 34-35º. Las pérdidas
anuales se obtienen restando dicho porcentaje de 100.
Para conocer si una posible ubicación es válida de acuerdo con el CTE y su criterio
de pérdidas límite, se determina primero la orientación de los captadores (acimut),
que se recomienda que estén en línea con la orientación de las cubiertas existentes.
Para dicha orientación, se calculan los límites de inclinación aceptables de acuerdo
a las pérdidas máximas respecto a la inclinación óptima establecidas en la tabla
correspondiente, en función del tipo de integración.
Figura 4.4: Herramienta gráfica con porcentajes de energía anual respecto a la orientación e
inclinación diferentes de la óptima, para latitud de 41º. Fuente: Código Técnico de la Edificación
41
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Ejercicio:
En el proyecto de una vivienda (latitud 41º) se planea una posible ubicación para los
captadores solares. La cubierta tiene orientación Sureste, con 45º de acimut
respecto al Sur. Determinar la inclinación máxima y mínima de los captadores para
cumplir los requisitos del CTE sobre pérdidas límite, suponiendo los tres casos:
general, superposición en cubierta e integración arquitectónica.
La orientación viene definida por el eje radial indicado en la figura:
Figura 4.5: Aplicación de la herramienta gráfica con porcentajes de energía anual respecto a la
orientación e inclinación diferentes de la óptima, para latitud de 41º.
Fuente: Código Técnico de la Edificación
Las pérdidas límite por orientación e inclinación son del 10% para el caso general,
del 20% para superposición y del 40% para integración arquitectónica. La energía
generada mínima debe ser, por tanto del 90%, 80% y 60% respecto al óptimo. Se
localizan estos valores en la tabla de sectores y se obtienen las intersecciones con el
eje de orientación.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Se extraen los valores límite de inclinación siguiendo las circunferencias
concéntricas, con los resultados que se muestran en la tabla siguiente:
Caso Inclinación
Máxima
Inclinación
Mínima
General 40º 10º
Superposición 60º 0º (5º)
Integración
arquitectónica 85º 0º(5º)
Tabla 4.12: Inclinaciones máximas en el ejercicio propuesto.
Se puede observar cómo para los casos de superposición e integración el límite
mínimo sería la propia horizontal. Sin embargo, debe siempre realizarse el montaje
con una cierta inclinación, de al menos 5º, para favorecer la circulación del fluido y la
limpieza externa de los captadores con el agua de lluvia.
Si existe flexibilidad a la hora de posicionar los captadores debe buscarse siempre la
orientación e inclinación óptima, dentro de unos parámetros arquitectónicos
aceptables, para lograr la mayor generación solar posible.
Para latitudes diferentes de los 41º se corrigen los valores de inclinación obtenidos
mediante las siguientes expresiones:
a. inclinación máxima = inclinación (φ = 41º) – (41º - latitud).
b. inclinación mínima = inclinación (φ = 41º) – (41º-latitud), siendo 5º su valor
mínimo.
En casos cerca del límite y como instrumento de verificación, se utilizará las
siguientes fórmulas:
Pérdidas (%) = 100.(1,2·10−4·(β − βopt)2 + 3,5·10−5.α2), para 15º < β< 90º
Pérdidas (%) = 100.(1,2·10−4·(β − βopt)2, para β ≤15º
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.8.3. Estimación de las pérdidas por sombreado
El CTE DB HE4 establece el método a emplear para calcular las pérdidas de
radiación incidente sobre los captadores debido a las sombras producidas por
elementos del entorno.
Estas pérdidas se expresan como porcentaje de la radiación solar global anual que
incidiría sobre los captadores de no existir sombra alguna. En caso de superar los
valores límites establecidos por el CTE y no poder eliminar el elemento causante de
la sombra se debe buscar otra ubicación más favorable, en las condiciones
expuestas anteriormente.
El procedimiento de cálculo propuesto en el CTE consiste en la comparación del
perfil de obstáculos que afecta a la superficie de estudio con el diagrama de
trayectorias del sol de la figura:
Figura 4.6: Diagrama de trayectorias del Sol.
Fuente: Código Técnico de la Edificación
Este diagrama es válido para localidades de la Península Ibérica y Baleares (para
las Islas Canarias el diagrama debe desplazarse 12º en sentido vertical ascendente).
Se encuentra dividido en porciones, delimitadas por las horas solares (negativas
antes del mediodía solar y positivas después de éste) e identificadas por una letra y
un número (A1, A2,... D14).
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Cada una de las porciones representa el recorrido del sol en un cierto periodo de
tiempo (una hora a lo largo de varios días) y tiene, por tanto, una determinada
contribución a la irradiación solar global anual que incide sobre la superficie de
estudio. Así, el hecho de que un obstáculo cubra una de las porciones supone una
cierta pérdida de irradiación.
Los pasos a seguir son los siguientes:
Localizar los principales obstáculos que afectan a los captadores, en términos
de sus coordenadas de posición: acimut (ángulo de desviación con respecto a
la dirección sur) y elevación (ángulo de inclinación con respecto al plano
horizontal), vistos desde los captadores.
Representar el perfil de obstáculos en el diagrama de trayectorias del sol a lo
largo de todo el año.
Identificar las porciones ocultas por el obstáculo, total o parcialmente (factor
de llenado 1, 0,75, 0,5 ó 0,25).
Sumar los efectos de cada porción oculta según las tablas correspondientes,
para la orientación e inclinación del captador más próxima.
No debe confundirse el ángulo de acimut del obstáculo con el del propio captador. El
acimut del obstáculo es el ángulo respecto al Sur de la línea que une el obstáculo
con el captador, independientemente de la orientación de este. El acimut u
orientación del captador indica hacia dónde está inclinado.
Se muestra a continuación una de las tablas de referencia para la estimación de
pérdidas anuales por sombreado incluidas en el CTE DB HE4, en concreto la
correspondiente a orientación Sur e inclinación de paneles 35º.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Tabla 4.13: Tabla de referencia para la estimación de pérdidas anuales por sombreado.
Fuente: Código Técnico de la edificación
4.8.4. Distancia entre filas de captadores
Una vez que se ha determinado la cantidad de captadores necesaria para cumplir
con la contribución solar mínima establecida, debe diseñarse su ubicación física
sobre la cubierta elegida cumpliendo los requisitos del apartado anterior.
En este caso, no se trata ya del sombreado de los elementos del entorno, sino de los
posibles efectos de unas filas de captadores sobre otras.
Cuando los paneles se disponen en filas sobre una cubierta plana, deben guardar
una distancia mínima entre ellas para evitar el sombreado de unas sobre otras. La
estimación de esta distancia se esquematiza en la figura 4.7.
Conociendo la longitud del panel l (en su lado vertical) y la inclinación β, por simples
reglas de trigonometría se puede determinar la distancia d entre paneles que
garantiza que al mediodía del día del año con el Sol más bajo (solsticio de invierno),
la sombra de una fila no alcanza a la siguiente.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Figura 4.7: Esquema de cálculo de la distancia mínima entre captadores fijos orientados
al Sur, en función de su longitud de inclinación.
La expresión de cálculo es:
La distancia mínima entre el final de un captador (u otro obstáculo) y el siguiente,
dmin en el eje Norte-Sur, se puede simplificar a:
Figura 4.8: Distancia mínima entre final de un captador (u otro obstáculo) e inicio
del siguiente, en orientación Sur.
Antes de calcular la separación entre filas debe decidirse cuál es el criterio a aplicar,
esto es, cuál es la elevación mínima del Sol a la que no debe haber sombras entre
una fila y otra de paneles.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Por ejemplo, en el Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE, se propone la ecuación
La aplicación de esta expresión implica que el criterio de separación es la ausencia
de sombreado entre filas al mediodía solar del solsticio de invierno.
En el tema 2 se mostró que la elevación del sol al mediodía solar se puede obtener,
para cada lugar y día del año, mediante la expresión:
= 90º - Φ + δ
En el solsticio de inverno la declinación δ es de -23,45º, por lo que restando de 90º
se llega al valor aproximado de 67º de la expresión anterior.
La latitud en España varía entre los 36,5º y 43,5º en la península, con Ceuta y Melilla
alrededor de los 35,5º y las Islas Canarias sobre los 28-29º. Para estas latitudes la
elevación del sol en el mediodía solar el 21 de Diciembre oscila entre los 23º del
Norte de la península y los 31º del Sur, con unos 38º de elevación en las Islas
Canarias.
Aplicando la ecuación de distancia anterior a diversas latitudes se pueden obtener
valores del coeficiente k que relaciona directamente la separación mínima entre el
final de un panel y el inicio del siguiente con la altura h.
Latitud 29º 37º 39º 41º 43º 45º
Coeficiente k 1,280 1,732 1,881 2,050 2,246 2,475
Tabla 4.14: Coeficientes de separación, con criterio de ausencia de sombras al mediodía solar del
solsticio de invierno. mFuente: Elaboración propia con datos de JCyL
Sin embargo, en el Pliego del IDAE se aplica un criterio diferente. En este caso se
exige ausencia de sombreado entre filas no sólo al mediodía solar del solsticio de
invierno, sino también 2 horas antes y 2 horas después.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Estas 4 horas sin sombreado implican que la elevación mínima del sol a aplicar a la
expresión general de separación va a ser inferior; el Sol está más bajo, por lo que el
sombreado es más alargado y la distancia entre filas debe ser mayor.
Recuperando también del tema 2 la ecuación que permite calcular la elevación del
sol a cualquier hora del día de cualquier día del año, en un lugar de latitud dada:
Se obtiene que la elevación del sol 2 horas antes (o después) del mediodía solar
(ω=±30º, ya que cada hora equivale a 15º) en el solsticio de invierno varía,
aproximadamente, entre los 17º del Norte de la península y los 24º del Sur, Ceuta y
Melilla, pasando por los 21º del centro. En las Islas Canarias la elevación del sol en
ese momento se sitúa sobre los 30º.
Así, en el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del
IDAE se propone la siguiente aproximación, basada en lo aquí expuesto, con los 6º
de diferencia en elevación:
Aplicando esta ecuación a diferentes latitudes se obtienen otros valores del
parámetro k:
Latitud 29º 37º 39º 41º 43º 45º
Coeficiente k 1,600 2,246 2,475 2,747 3,078 3,487
Tabla 4.15: Coeficientes de separación, con criterio de ausencia de sombras durante 4 horas
alrededor del mediodía solar del solsticio de invierno. Fuente: Elaboración propia con datos de IDAE
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Comparando los resultados de la aplicación de ambos criterios puede comprobarse
cómo la distancia exigida en este segundo caso es entre un 25 y un 40% superior al
primero, en función de la latitud.
En realidad es posible aplicar el método de cálculo de sombras especificado en el
CTE DB HE4 también a la separación entre filas. Sin embargo, la simplificación a las
expresiones expuestas en este apartado facilita enormemente su aplicación práctica.
4.9. Condiciones de diseño del intercambiador
El CTE DB HE4 establece que la potencia térmica de un intercambiador
independiente debe ser de al menos 500 veces la superficie de captadores:
Pintercambio (W)≥500.Scaptación(m2)
En otros documentos se recomienda un factor de 600 para esta estimación (Pliego
IDAE).
Si el intercambiador está incorporado al acumulador se indica en el mismo CTE que
la relación entre la superficie útil de intercambio interno y la superficie total de
captación no será inferior a 0,15. En ocasiones se recomienda aumentar este valor a
0,20, si bien siempre se depende de la oferta de equipos existentes en el mercado.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.10. Condiciones de diseño del circuito hidráulico
El diseño del circuito primario parte del dato de caudal que debe circular por los
captadores. Es una información que deben proporcionar los fabricantes. En su
defecto, el CTE indica un rango de valores entre los 43-72 l/h.m2, debiendo
contabilizarse sólo la superficie de captadores en paralelo, ya que por los elementos
en serie circula el mismo caudal. El RITE un valor máximo algo inferior, entre los 43
y los 57 l/h.m2. Como se ha comentado, algunos fabricantes estipulan el caudal en
10–30 l/h.m2 en lo que se conoce como low-flow.
Existe una relación entre el caudal de fluido Q y la velocidad de circulación v, en
función del diámetro interior D de la tubería:
En el interior de locales habitados la velocidad de circulación está limitada a 1,5m/s
por cuestiones acústicas y no menos de 0,5m/s para evitar sedimentaciones. En el
exterior puede aumentarse hasta los 2,5m/s, si bien siempre a expensas de los
requisitos de caudal suministrados por los fabricantes.
Asimismo, con el caudal de diseño y su distribución por tramos, se calculan las
pérdidas de carga en cada tramo del circuito, utilizando los ábacos o las
herramientas informáticas al efecto. Estas pérdidas de carga, por unidad de longitud,
dependen del diámetro interno de la tubería y de la viscosidad del fluido de trabajo.
La longitud de tuberías debe ser la menor posible y su trazado lo más recto que
permita la edificación y ubicación de los equipos. Asimismo, los tramos horizontales
deben tener siempre una pendiente mínima del 1% en el sentido de la circulación,
como establece el CTE DB HE4.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Además de las pérdidas en los tramo lineales deben sumarse las singularidades,
como pérdidas en codos, reducciones de sección, válvulas y todo elemento que
interfiera en la circulación del fluido. Asimismo, deben contabilizarse las pérdidas en
el intercambiador y en los propios captadores.
Las pérdidas de carga totales en las tuberías, Pdctuberías, expresadas en milímetros
de columna de agua (mmca), se pueden obtener como:
Donde Pdcunitaria son las pérdidas por unidad de longitud (mmca/m) en cada tramo de
tubería, Lequivalente es la longitud por tramo, corregida para la circulación del fluido de
trabajo (m) y Pdcsingular las pérdidas de carga en las singularidades (mmca).
La corrección debida a la mayor viscosidad del fluido de trabajo respecto al agua
puede estimarse en un 30%. Así:
Lequivalente=1,3. Lreal
Uno de los métodos más habituales para contabilizar las pérdidas de carga en las
singularidades consiste en establecer su equivalencia en metros de longitud lineal de
tubería lisa y añadir esa longitud a la del tramo lineal correspondiente.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Las equivalencias es obtienen de forma experimental y en muchos casos son
suministradas por los propios fabricantes. Si no se dispone de información precisa
del fabricante se puede emplear la siguiente tabla:
Diámetro interior nominal de tubería (mm) Accesorio
12 18 22 28 35 42 54 66,7 76,1
Curva de 45º 0,20 0,34 0,43 0,47 0,56 0,70 0,83 1,00 1,18
Codo de 90º 0,38 0,50 0,63 0,76 1,01 1,32 1,71 1,94 2,01
Curva de 90º 0,18 0,33 0,45 0,60 0,84 0,96 1,27 1,48 1,54
Reducción 0,2 0,3 0,5 0,65 0,85 1,00 1,30 2,00 2,30
T confluencia 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80
T derivación 1,50 1,68 1,80 1,92 2,40 3,00 3,60 4,20 4,80
Válvula
antirretorno 0,20 0,30 0,55 0,75 1,15 1,50 1,90 2,65 3,40
Válvula de
compuerta 0,14 0,18 0,21 0,26 0,36 0,44 0,55 0,69 0,81
Válvula de
asiento 1,10 1,34 1,74 2,28 2,89 3,46 4,53 5,51 6,69
Tabla 4.16: Equivalencia en longitud lineal de singularidades.
Fuente: P. Pereda, 2006
Las pérdidas de carga en cada singularidad se determinan, por tanto, como:
Pdcsingular = Pdcunitaria.Lequivalente
Pudiendo sumarse al tramo correspondiente. S el fluido es agua + anticongelante la
longitud equivalente anterior debe multiplicarse también por 1,3.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Para determinar las pérdidas de carga unitarias se puede emplear una expresión
empírica que relaciona caudal y diámetro con dicha pérdida. Es una ecuación
obtenida a partir de la fórmula de Flamant, aplicable a tuberías de cobre liso (Pereda,
2006):
Con el caudal expresado en l/h y el diámetro interior de tubería en mm, resultando la
pérdida de carga unitaria en mm de columna de agua por metro lineal de tubería
(mmca/m).
Se pueden utilizar también los ábacos para el cálculo de las pérdidas de carga
unitarias, en función del caudal y del diámetro de tubería, para cada tipo de material
(acero inoxidable y cobre). Se muestra en la siguiente figura:
Figura 4.9: Gráfico de pérdidas de carga unitaria en conducciones hidráulicas.
Fuente: Asociación de Fabricantes de Tubos y Accesorios
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
En el circuito secundario el tratamiento es similar, teniendo en cuenta que en este
caso el fluido es agua, por lo que no es necesario aplicar el factor de corrección del
30% por viscosidad elevada que se utilizaba para el fluido caloportador en el
primario.
4.11. Condiciones de diseño de la bomba
La bomba debe tener potencia suficiente para superar las pérdidas de carga del
circuito y de esta forma garantizar la circulación del fluido en las condiciones de
diseño. Cuanto mayor sea la pérdida de carga, mayor es la bomba necesaria, su
coste y su consumo eléctrico.
El CTE DB HE4 limita la potencia eléctrica máxima de la bomba a instalar, con los
valores especificados son los siguientes:
Sistema Potencia eléctrica de la bomba
Sistema pequeño 50W o 2% de la mayor potencia calorífica que pueda
suministrar el grupo de captadores
Sistemas grandes 1% de la mayor potencia calorífica que pueda
suministrar el grupo de captadores
Tabla 4.17: Potencia eléctrica máxima de la bomba, según CTE DB HE4.
Fuente: Código Técnico de la Edificación
Para la estimación de las pérdidas de carga totales se toma el valor de las pérdidas
en tuberías del apartado anterior, en su tramo más desfavorable. Asimismo, deben
sumarse las pérdidas en el intercambiador (ver apartado 8.2.2 del Tema 3) y las
pérdidas en el paso por los captadores (ver apartado 6.3.3 del Tema 3), ambos
datos suministrados por los fabricantes.
HT= Pdctuberías + Pdccaptadores + Pdcintercambiador
Una vez conocido el caudal de circulación Q, en m3/h y la altura manométrica total,
HT, expresada en metros, como suma de las pérdidas anteriores, se selecciona una
bomba cuya característica de funcionamiento cubra las condiciones de diseño.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Figura 4.10: Ejemplo de curva característica de bomba de circulación para 0,948 m3/h de caudal y
5,45m de altura manométrica, resultado de cálculo: bomba, UPS Solar 15-80 130.
Fuente: Software Wincaps de Grundfos
El CTE DB HE4 indica que para instalaciones con más de 50m2 de captación deben
disponerse dos bombas en paralelo, tanto en el primario como en el secundario. Una
de ellas actúa de reserva, de forma alterna, para prolongar su vida y garantizar un
buen funcionamiento.
4.12. Dimensionado del vaso de expansión
El vaso de expansión del circuito primario tiene una función básica en toda
instalación solar. Se encarga de recoger el exceso de volumen de líquido debido a la
dilatación por calentamiento. Si no existiera, se produciría una sobrepresión en el
circuito que debería aliviarse en las válvulas de seguridad, con la consiguiente
pérdida de fluido.
Así pues, su tamaño debe ser tal que permita guardar ese exceso de volumen.
Depende, por tanto, del volumen total del circuito primario, de la temperatura máxima
del fluido y del coeficiente de dilatación del fluido a dicha temperatura.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
En los vasos de expansión cerrados, hay que tener en cuenta las presiones. Así, el
volumen del vaso se determina como:
Donde Pf es la presión absoluta final del vaso de expansión, en bar o en kg/cm2 y Pi
la presión absoluta inicial, en las mismas unidades. La presión absoluta es la suma
de la presión manométrica más la presión atmosférica, de aproximadamente 1 bar.
La presión final del vaso es la presión máxima que puede alcanzar el circuito
primario, que es la de tarado de la válvula de seguridad, normalmente 10bar en
sistemas grandes y 6 bar en los pequeños.
La presión inicial de llenado del circuito puede establecerse, en frío, como mínimo en
1,5bar esto es, una presión de columna de agua de 0,5bar, para evitar la entrada de
aire durante el llenado. Si el vaso no se encuentra en la zona alta de la instalación, a
este valor hay que sumar la presión estática, que es la presión de la columna de
agua situada entre el vaso y el punto más elevado del sistema (10m equivale a 1 bar
aproximadamente).
En realidad se están asumiendo unos errores debidos a las diferencias entre las
diversas unidades relativas a la presión. Se sabe que 1 bar = 0,987 atm = 1,0197
kg/cm2, además de 1 bar =105Pa, en unidades Internacionales, menos utilizadas en
este tipo de aplicaciones.
El plan de mantenimiento engloba todas las operaciones necesarias durante la vida
de la instalación para asegurar el funcionamiento, aumentar la fiabilidad y prolongar
la duración de la misma. El CTE DB HE4 incluye el cumplimiento del plan de
mantenimiento como una de las exigencias, al mismo nivel que el de la contribución
solar mínima y las condicione de diseño y dimensionado.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Establece dos etapas de mantenimiento, que se pueden complementar con otras
actuaciones derivadas de normativas adicionales:
a. Plan de vigilancia.
b. Plan de mantenimiento preventivo.
4.12. Plan de 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.
En la siguiente tabla, extraída del CTE, se definen las tareas a realizar y su
frecuencia:
Elemento de
la instalación Operación
Frecuencia
(meses) Descripción
Limpieza de cristales A determinar
Con agua y
productos
adecuados
Cristales 3
IV
condensaciones
en horas
centrales del día
Juntas 3 IV agrietamientos
y deformaciones
Absorbedor 3
IV corrosión,
deformación,
fugas, etc.
Conexiones 3 IV fugas
CAPTADORES
Estructura 3 IV degradación,
indicios de
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
corrosión
Tubería, aislamiento
y sistema de llenado 6
IV ausencia de
humedad y fugas CIRCUITO
PRIMARIO Purgador manual 3
Vaciar aire del
botellín
Termómetro Diaria IV temperatura
Tubería y aislamiento 6 IV ausencia de
humedad y fugas
CIRCUITO
SECUNDARIO
Acumulador solar 3
Purgado de la
acumulación de
lodos en parte
inferior de
depósito
Tabla 4.18: Plan de vigilancia de las instalaciones, según CTE DB HE4. Nota: IV: Inspección Visual.
Fuente: Código Técnico de la Edificación.
4.13. Plan de mantenimiento
El plan de mantenimiento incluye las operaciones de inspección visual, verificación
de actuaciones y otros, que aplicados a la instalación deben permitir mantener
dentro de límites aceptables las condiciones de funcionamiento, prestaciones,
protección y durabilidad de la instalación.
EL CTE establece, como mínimo, una revisión anual de la instalación para
instalaciones con superficie de captación inferior a 20 m2 y una revisión cada seis
meses para instalaciones con superficie de captación superior a 20 m2.
El plan de mantenimiento debe realizarse por personal técnico competente que
conozca la tecnología solar térmica y las instalaciones mecánicas en general. La
instalación tendrá un libro de mantenimiento en el que se reflejen todas las
operaciones realizadas así como el mantenimiento correctivo. Asimismo, el
mantenimiento ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento y sustitución de
elementos fungibles ó desgastados por el uso, necesarias para asegurar que el
sistema funcione correctamente durante su vida útil.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
En las tablas siguientes se desarrollan de forma detallada las operaciones de
mantenimiento que deben realizarse en las instalaciones de energía solar térmica
para producción de agua caliente, la periodicidad mínima establecida (en meses) y
observaciones en relación con las prevenciones a observar, según establece el CTE
DB HE4.
En primer lugar se muestran las tareas de inspección para el mantenimiento a
aplicar al sistema de captación:
Equipo/componente Frecuencia
(meses)
Descripción
IV diferencias sobre original Captadores 6
IV diferencias entre captadores
Cristales 6 IV condensadores y suciedad
Juntas 6 IV agrietamientos, deformaciones
Absorbedor 6 IV corrosión, deformaciones
Carcasa 6 IV deformación, oscilaciones,
ventanas de respiración
Conexiones 6 IV aparición de fugas
Estructura 6 IV degradación, indicios de corrosión
y apriete de tornillos
Captadores* 12 Tapado parcial del capo de
captadores
Captadores* 12 Destapado parcial del campo de
captadores
Captadores* 12 Vaciado parcial del campo de
captadores
Captadores* 12 Llenado parcial del campo de
captadores
Tabla 4.19: Plan de mantenimiento del sistema de captación, según CTE DB HE4.
Nota: IV: Inspección Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Las tareas identificadas con un asterisco se refieren únicamente a los casos en los
que para evitar el sobrecalentamiento por exceso de producción solar, se aplican
medidas de tapado parcial o de vaciado parcial del campo de captadores, ya
explicadas en secciones anteriores.
En cuanto al sistema de acumulación, el CTE establece un conjunto de tares de
mantenimiento, que se resumen en la siguiente tabla:
Equipo/componente Frecuencia
(meses)
Descripción
Depósito 12 Presencia de lodos en el fondo
Ánodos de sacrificio 12 Comprobación de desgaste
Ánodos de corriente
impresa 12
Comprobación de buen
funcionamiento
Aislamiento 12 Comprobación de ausencia de
humedad
Tabla 4.20: Plan de mantenimiento del sistema de acumulación, según CTE DB HE4.
Fuente: Código Técnico de la Edificación
Los ánodos de sacrificio están fabricados en un material de electronegatividad
menor que el material que quieren proteger (depósito). De esta forma, son estos
ánodos los que se oxidan, reduciendo la corrosión del elemento principal. Si están
ya muy oxidados agotan su función.
En la protección catódica mediante ánodos de corriente impresa se utiliza una fuente
continua para imprimir la corriente necesaria para la protección frente a la corrosión
del depósito.
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
En cuanto al sistema de intercambio, el CTE establece las siguientes tareas de
mantenimiento:
Equipo/componente Frecuencia
(meses)
Descripción
12 Control de funcionamiento, eficiencia
y prestaciones Intercambiador de
placas 12 Limpieza
12 Control de funcionamiento, eficiencia
y prestaciones Intercambiador de
serpentín 12 Limpieza
Tabla 4.21: Plan de mantenimiento del sistema de intercambio, según CTE DB HE4.
Fuente: Código Técnico de la Edificación
El circuito hidráulico requiere una especial atención, debido a los elevados
gradientes de temperatura que soportan sus componentes y los esfuerzos
mecánicos que ello conlleva. Durante el día, con la incidencia solar, el fluido de
trabajo que circula por las tuberías puede alcanzar temperaturas muy elevadas,
mientras que por la noche, en invierno, las temperaturas exteriores pueden ser muy
bajas.
Junto a la inspección de los elementos pasivos, como aislamientos o juntas, debe
atenderse a los elementos de control y regulación del sistema como bombas y
válvulas, especialmente a las de uso menos frecuente, que podrían agarrotarse.
El CTE DB HE4 establece las siguientes tareas de mantenimiento en el circuito
hidráulico primario:
Equipo/componente Frecuencia
(meses)
Descripción
Fluido refrigerante 12 Comprobar su densidad y pH
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Estanqueidad 24 Efectuar prueba de presión
Aislamiento al exterior 6 IV degradación protección uniones y
ausencia de humedad
Aislamiento al interior 12 IV uniones y ausencia de humedad
Purgador automático 12 Control de funcionamiento y limpieza
Purgador manual 6 Vaciar aire del botellín
Bomba 12 Estanqueidad
Vaso de expansión
cerrado 6 Comprobación de la presión
Vaso de expansión
abierto 6
Control de funcionamiento y
actuación
Sistema de llenado 6 Control de funcionamiento y
actuación
Válvula de corte 12
Control de funcionamiento y
actuación (abrir y cerrar) para evitar
agarrotamiento
Válvula de seguridad 12 Control de funcionamiento y
actuación
Tabla 4.22: Plan de mantenimiento del circuito hidráulico, según CTE DB HE4. Nota: IV: Inspección
Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación
El sistema eléctrico y de control también requiere una serie de revisiones periódicas
para garantizar su buen funcionamiento.
Equipo/componente Frecuencia
(meses)
Descripción
Cuadro eléctrico 12
Comprobar que está siempre bien
cerrado para que no entre polvo y su
estado
Control diferencial 12 Control de funcionamiento y
actuación
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Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Termostato 12 Control de funcionamiento y
actuación
Verificación del sistema
de medida 12
Control de funcionamiento y
actuación
Tabla 4.23: Plan de mantenimiento del sistema eléctrico y de control, según CTE DB HE4.
Nota: IV: Inspección Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación
En cuanto al sistema de generación auxiliar, se requiere una comprobación anual de
su operación y de las sondas de temperatura, además de lo exigido por la normativa
aplicable en función del tipo de tecnología.
Se quiere desarrollar un proyecto de instalación solar térmica para suministro de
Agua Caliente Sanitaria en una vivienda unifamiliar de 3 dormitorios, de nueva
construcción. La vivienda está situada en Alcalá de Henares, provincia de Madrid.
La instalación está compuesta por el sistema de captación solar, con captador solar
plano, situado en el tejado del edificio y un sistema de intercambio y acumulación
conjunto (interacumulador) y centralizado, único en la vivienda. El sistema de aporte
de energía convencional auxiliar es de gas natural.
El proyecto se realiza cumpliendo el R.D. 314/2006 Código Técnico de la Edificación,
documento básico DB HE, Ahorro de energía, Sección HE 4, Contribución solar
mínima de agua caliente sanitaria.
A continuación se desarrollan los puntos básicos del proyecto.
64
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.14. Datos de entrada del proyecto
Localidad: Alcalá de Henares (Madrid).
Latitud: 40,5º N.
Zona climática: IV.
Tipo de edificio: Vivienda unifamiliar.
Nº de dormitorios: 3.
Tipo de integración de captadores: integración arquitectónica.
Sistema de energía auxiliar: gas natural.
Orientación de campo de captadores: Sur
Inclinación de campo de captadores: 35º.
Condiciones del entorno: sin sombras posibles.
Figura 4.11: Esquema de instalación solar para suministro de ACS en vivienda unifamiliar.
Fuente: Expert Sistemas Solares
65
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.15. Estimación de la demanda energética de A.C.S.
Según lo estipulado en el CTE DB HE4 y a falta de información específica sobre el
número de residentes de la vivienda, se supone una ocupación de 4 personas:
Número de
dormitorios 1 2 3 4 5 6 7 >7
Número de
personas 1,5 3 4 6 7 8 9
Una persona
por dormitorio
Tabla 4.24: Grado de ocupación por defecto. Fuente: Código Técnico de la Edificación
El consumo de ACS estimado se toma según el valor mínimo recomendado por el
CTE para vivienda unifamiliar: 30 litros por día.
Así pues, el consumo diario total de la vivienda es:
Nº viviendas 1
Nº personas por vivienda 4
Consumo por persona 30 l/día
120 l/día Consumo total de ACS (Ddía)
0,12m3/día
La temperatura final de acumulación se supone TACS=60ºC.
Para el cálculo de la demanda energética mensual falta conocer los valores de
temperatura media del agua de red. Para ello, se hace uso de las tablas
suministradas en el Pliego del IDAE, por provincias (ver anexo).
Como se ha expuesto en la sección correspondiente, la demanda energética
mensual se puede obtener cómo:
66
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Donde Cp = 1kcal/kg.ºC y ρ = 1.000 kg/m3.
Los datos de entrada y resultados se muestran en la siguiente tabla:
Mes Tª agua
red
Ddia a 60ºC
(m3/día)
Nº días
mes
Dmes(60ºC)
(m3/mes)
DEmes(60ºC)
(kWh/mes)
Ene 6 0,12 31 3,72 233,0
Feb 7 0,12 28 3,36 206,6
Mar 9 0,12 31 3,72 220,1
Abr 11 0,12 30 3,60 204,6
May 12 0,12 31 3,72 207,1
Jun 13 0,12 30 3,60 196,3
Jul 14 0,12 31 3,72 198,5
Ago 13 0,12 31 3,72 202,8
Sep 12 0,12 30 3,60 200,4
Oct 11 0,12 31 3,72 211,4
Nov 9 0,12 30 3,60 213,0
Dic 6 0,12 31 3,72 233,0
Año 10,3 0,12 365 43,80m3/año 2526,9kWh
Las diferencias en demanda de agua mensual se deben al diferente número de días,
mientras que en el caso de la demanda energética se añade la diferente temperatura
del agua de red para cada mes.
67
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.16. Contribución solar mínima de ACS
La contribución solar mínima depende del tipo de aporte auxiliar, de la demanda
diaria de agua y de la zona climática. En las condiciones del proyecto en desarrollo
(0,12m3/día, zona climática IV y aporte auxiliar convencional) se obtiene una
contribución solar anual o fracción solar f= 60%:
Zona climática Demanda total de
ACS del edificio
(m3/día) I II III IV V
0,05-5 30 30 50 60 70
5-6 30 30 55 65 70
6-7 30 35 61 70 70
7-8 30 45 63 70 70
8-9 30 52 65 70 70
9-10 30 55 70 70 70
10-12,5 30 65 70 70 70
12,5-15 30 70 70 70 70
15-17,5 35 70 70 70 70
17,5-20 45 70 70 70 70
>20 52 70 70 70 70
Tabla 4.25: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4.
Caso general (gas, gasóleo, propano, etc.). Fuente: Código Técnico de la Edificación
Así pues, la demanda mínima a cubrir con el sistema solar debe ser:
EUsolar,año=f.DEaño = 0,6.2526,9kWh/año = 1516,14kWh/año
Para la determinación del número de captadores necesarios y del volumen de
acumulación debe hacerse, sin embargo, el análisis mensual utilizando el método de
cálculo adecuado.
68
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.17. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores
Antes de abordar el dimensionado de la instalación deben conocerse los datos de
radiación solar incidente para la orientación e inclinación real de los captadores.
En las condiciones de ubicación del proyecto actual, las pérdidas por estos dos
conceptos son nulas.
La radiación solar diaria sobre superficie inclinada se obtiene como:
Gdi (β) = k.Gdi(0º)
Según las tablas de radiación, los valores mensuales de radiación solar diaria sobre
superficie horizontal Gdi(0º) y su corrección k para inclinación de 35º son los
mostrados en la tabla siguiente, junto con los valores ya modificados Gdi(35º):
Mes Gdi (0º)
(kWh/m2día) k (35º)
Gdi(35º)
(kWh/m2dia)
EImes (kWh/m2mes)
Enero 1,86 1,37 2,55 79,10
Febrero 2,94 1,28 3,77 105,61
Marzo 3,78 1,17 4,42 137,13
Abril 5,22 1,06 5,54 166,20
Mayo 5,81 0,98 5,69 176,51
Junio 6,53 0,95 6,20 186,19
Julio 7,22 0,98 7,08 219,59
Agosto 6,42 1,07 6,87 213,01
Septiembre 4,69 1,21 5,68 170,54
Octubre 3,17 1,37 4,34 134,60
Noviembre 2,08 1,47 3,06 91,95
Diciembre 1,64 1,45 2,38 73,73
Año 4,28 4,81 1.754,17
Tabla 4.26: Tabla de valores diarios de radiación solar y energía solar mensual incidente.
Fuente: Elaboración propia con datos del IDAE y CENSOLAR
69
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.18. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart
Para la aplicación del método de cálculo f-chart, junto a los valores calculados de
demanda energética mensual y energía solar disponible, es necesario conocer una
serie de datos adicionales:
Modelo de captador Fagor Solaria 2.4
Superficie apertura 2,40 m2
Eficiencia óptica 0,67
Coeficiente global de
pérdidas 3,14 W/m2.ºC
MAI 0,95
FCint 0,95
Para completar los datos de entrada del método, sólo queda conocer los valores
medios mensuales de temperatura ambiente durante el día, según lo recomendado
por el IDAE sobre datos de CENSOLAR.
En la tabla siguiente se resumen los principales resultados de la aplicación del
método f-chart para 1 captador. De aplicación directa del método se obtienen los
valores mensuales de contribución solar, fmes.
Con la fracción solar mensual se obtiene la energía solar útil aportada al fluido:
EUsolar,mes = fmes.DEmes
70
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Mes Tamb
(ºC)
DEmes
(kWh)
fmes
(%)
EUsolar,mes
(kWh)
Enero 6 233,0 32,12 74,85
Febrero 8 206,6 50,88 105,11
Marzo 11 220,1 61,22 134,73
Abril 13 204,6 76,47 156,48
Mayo 18 207,1 80,44 166,62
Junio 23 196,3 88,37 173,44
Julio 28 198,5 99,45 197,41
Agosto 26 202,8 96,17 195,04
Septiembre 21 200,4 81,40 163,17
Octubre 15 211,4 62,16 131,44
Noviembre 11 213,0 41,86 89,15
Diciembre 7 233,0 29,70 69,20
Anual 15,60 2.526,9 1.656,65
Tabla 4.27: Resultados de aplicación del método f-chart.
Fuente: elaboración propia
Como verificación principal del análisis, se obtiene una fracción solar o contribución
solar anual f superior a la exigida por el CTE:
El rendimiento medio anual de la instalación es:
71
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Es decir, el rendimiento medio anual es del 40%, en el límite de lo establecido por el
CTE.
Resulta interesante analizar la evolución mensual del sistema en diseño, con la
relación entre energía demandada y energía solar aportada al agua de consumo. De
la relación entre ambos surge la contribución solar mensual, útil para detectar
posibles situaciones de sobrecalentamiento.
Los valores de la tabla anterior se representan en las siguientes figuras:
Figura 4.12: Relación entre demanda energética y aportación solar mensual.
Fuente: Elaboración propia
Se observa en primer lugar cómo, a pesar de que el consumo de ACS se ha
considerado constante durante todo el año, no lo es la demanda energética, debido
a las diferencias en la temperatura del agua de red. Al estar más fría en invierno el
salto térmico a suministrar es mayor que en verano.
Hay diferencias menores debidas al diferente número de días de cada mes.
Se observa también que en los meses de verano la aportación solar prácticamente
cubre la demanda, mientras que en inverno se requiere de la aportación fuerte del
gas natural.
72
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Este hecho se refleja en la fracción solar mensual, con valores invernales sobre el
30%, que ni mucho menos son despreciables en términos de ahorro de combustible.
Mientras, en verano, no se sobrepasa el 100%, con lo que al menos en diseño la
instalación parece equilibrada.
Figura 4.13: Fracción solar mensual.
Fuente: Elaboración propia
4.19. Volumen de acumulación y potencia de intercambio
Teniendo en cuenta el rango admitido por el CTE DB HE4:
50 < Vacum/SC < 180 l/m2
y valorando las opciones comerciales existentes en el mercado en cuanto a
volúmenes de acumulación, proponemos un depósito interacumulador de 150 litros y
comprobamos que es válido.
Vacum/Sc = 150/2,4 = 62,5 → Válido
73
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Siempre debe buscarse un acumulador entre los equipos del mercado, teniendo en
cuenta costes, plazos de entrega, etc. Con el valor definitivo puede corregirse el
dimensionado, si bien su influencia es reducida.
Para un sistema pequeño como éste, se selecciona un intercambiador incorporado al
acumulador (serpentín).
El requisito exigido por el CTE DB HE4 para los interacumuladores es:
Sinter ≥ 0,15·SC = 0,15·2,4m2 = 0,36m2
Para el diseño del resto de componentes, del circuito primario y secundario deben
conocerse las características constructivas completas del edificio. Con esta
información se aplica lo descrito en apartados anteriores. En caso de no disponer de
dichos datos, deberemos realizar los cálculos estimando las particularidades de una
instalación tipo para calcular, por ejemplo, el vaso de expansión y la bomba para lo
cual necesitamos conocer el volumen de fluido caloportador y caudal del circuito
primario, y la altura manométrica.
Se quiere desarrollar un proyecto de instalación solar térmica para suministro de
Agua Caliente Sanitaria en un edificio residencial multifamiliar a rehabilitar. El edificio
está situado en Alcalá de Henares, provincia de Madrid.
La instalación está compuesta por el sistema de captación solar, con panel solar
plano, situado en una cubierta del edificio con orientación Sur e inclinación 60º; un
sistema de intercambio y una acumulación centralizada. El sistema de aporte de
energía convencional auxiliar es de gas natural, en línea descentralizado, en cada
vivienda.
El proyecto se realiza cumpliendo el R.D. 314/2006 Código Técnico de la Edificación,
documento básico DB HE, Ahorro de Energía, Sección HE 4, Contribución solar
mínima de agua caliente sanitaria.
74
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
A continuación se desarrollan los puntos básicos del proyecto.
4.20. Datos de entrada del proyecto
Localidad: Alcalá de Henares (Madrid).
Latitud: 40,5º N.
Zona climática: IV.
Tipo de edificio: Residencia multifamiliar, 10 viviendas de 4 dormitorios, 40 viviendas
de 3 dormitorios y 20 de 2 dormitorios.
Tipo de integración de captadores: superposición.
Sistema de energía auxiliar: gas natural.
Orientación de campo de captadores: Sur.
Inclinación de campo de captadores: 55º.
Condiciones del entorno: sin sombras posibles.
4.21. Estimación de la demanda energética de A.C.S.
Según lo estipulado en el CTE DB HE4 y a falta de información específica sobre el
número de residentes de la vivienda, se supone una ocupación de 4 personas:
Número de
dormitorios 1 2 3 4 5 6 7 >7
Número de
personas 1,5 3 4 6 7 8 9
Una persona
por dormitorio
Tabla 4.28: Grado de ocupación por defecto.
Fuente: Código Técnico de la Edificación
El consumo de ACS estimado se toma según el valor mínimo recomendado por el
CTE para vivienda unifamiliar: 30 litros por día.
75
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Así pues, el consumo diario total de la vivienda es:
Nº viviendas 4 dorm. 10
Nº personas por vivienda 6
Nº viviendas 3 dorm. 40
Nº personas por vivienda 4
Nº viviendas 2 dorm. 20
Nº personas por vivienda 3
Nº total residentes 280
Consumo por persona 22 l/día
6.160 l/día Consumo total de ACS (Ddía)
6,16m3/día
La temperatura final de acumulación se supone TACS=60ºC.
Para el cálculo de la demanda energética mensual falta conocer los valores de
temperatura media del agua de red. Para ello, se hace uso de las tablas
suministradas en el Pliego del IDAE, por provincias (ver anexo).
Como se ha expuesto en la sección correspondiente, la demanda energética
mensual se puede obtener cómo:
Donde Cp= 1kcal/kg.ºC y ρ = 1.000 kg/m3.
76
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Los datos de entrada y resultados se muestran en la siguiente tabla:
Mes Tª agua
red
Ddia a 60ºC
(m3/día)
Nº días
mes
Dmes(60ºC)
(m3/mes)
DEmes(60ºC)
(kWh/mes)
Ene 6 6,16 31 190,96 11.961,73
Feb 7 6,16 28 172,48 10.604,07
Mar 9 6,16 31 190,96 11.297,19
Abr 11 6,16 30 184,80 10.504,03
May 12 6,16 31 190,96 10.632,65
Jun 13 6,16 30 184,80 10.075,30
Jul 14 6,16 31 190,96 10.189,63
Ago 13 6,16 31 190,96 10.411,14
Sep 12 6,16 30 184,80 10.289,66
Oct 11 6,16 31 190,96 10.854,17
Nov 9 6,16 30 184,80 10.932,77
Dic 6 6,16 31 190,96 11.961,73
Año 10,3 6,16 365 2248,4m3/año 129.714kWh
Las diferencias en demanda de agua mensual se deben al diferente número de días,
mientras que en el caso de la demanda energética se añade la diferente temperatura
del agua de red para cada mes.
77
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.22. Contribución solar mínima de ACS
La contribución solar mínima depende del tipo de aporte auxiliar, de la demanda
diaria de agua y de la zona climática. En las condiciones del proyecto (6,16m3/día,
zona climática IV y aporte auxiliar convencional), se obtiene una contribución solar
anual o fracción solar f= 70%:
Zona climática Demanda total de
ACS del edificio
(m3/día) I II III IV V
0,05-5 30 30 50 60 70
5-6 30 30 55 65 70
6-7 30 35 61 70 70
7-8 30 45 63 70 70
8-9 30 52 65 70 70
9-10 30 55 70 70 70
10-12,5 30 65 70 70 70
12,5-15 30 70 70 70 70
15-17,5 35 70 70 70 70
17,5-20 45 70 70 70 70
>20 52 70 70 70 70
Tabla 4.29: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso general (gas, gasóleo,
propano…). Fuente: Código Técnico de la Edificación
Así pues, la demanda mínima a cubrir con el sistema solar debe ser:
EUsolar,año=f.DEaño = 0,7x129.714kWh /año = 90.800kWh/año
Para la determinación del número de captadores y del volumen de acumulación
debe hacerse, sin embargo, el análisis mensual utilizando el método de cálculo
adecuado.
78
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.23. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores
Antes de abordar el dimensionado de la instalación deben conocerse los datos de
radiación solar incidente para la orientación e inclinación real de los captadores.
En las condiciones de ubicación del proyecto actual, las pérdidas por sombreado son
nulas, mientras que por la inclinación de 55º se estiman en un 8%, dentro de los
márgenes admisibles.
La radiación solar diaria sobre superficie inclinada se obtiene como:
Gdi (β) = k.Gdi(0º)
Según las tablas de radiación, los valores mensuales de radiación solar diaria sobre
superficie horizontal Gdi(0º) y su corrección k para inclinación de 55º son los
mostrados en la tabla siguiente, junto con los valores ya modificados Gdi(55º):
Mes Gdi (0º)
(kWh/m2día) k (55º)
Gdi(55º)
(kWh/m2dia)
EImes (kWh/m2mes)
Enero 1,86 1,40 2,61 80,84
Febrero 2,94 1,27 3,74 104,79
Marzo 3,78 1,10 4,16 128,93
Abril 5,22 0,94 4,91 147,38
Mayo 5,81 0,82 4,76 147,70
Junio 6,53 0,78 5,09 152,87
Julio 7,22 0,82 5,92 183,74
Agosto 6,42 0,95 6,10 189,12
Septiembre 4,69 1,15 5,40 162,09
Octubre 3,17 1,38 4,37 135,58
Noviembre 2,08 1,54 3,21 96,33
Diciembre 1,64 1,52 2,49 77,29
Año 4,28 4,40 1.606,64
Tabla 4.30: Tabla de valores diarios de radiación solar y energía solar mensual incidente, por unidad
de superficie. Fuente: Elaboración propia con datos del IDAE y CENSOLAR
79
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
4.24. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart
Para la aplicación del método de cálculo f-chart, junto a los valores calculados de
demanda energética mensual y energía solar disponible, es necesario conocer una
serie de datos adicionales:
Modelo de captador Isotherm Plus Isofotón
Superficie apertura 2,205 m2
Eficiencia óptica 0,773
Coeficiente global de
pérdidas 3,24 W/m2.ºC
MAI 0,922
FCint 0,95
Tabla 4.31: Datos de entrada del método de cálculo.
Fuente: Elaboración propia
Para completar los datos de entrada del método, sólo queda conocer los valores
medios mensuales de temperatura ambiente durante el día, según lo recomendado
por el IDAE sobre datos de CENSOLAR.
Después de probar con diferente número de captadores, en la tabla siguiente se
resumen los principales resultados de la aplicación del método f-chart para 60
unidades. Por aplicación directa del método se obtienen los valores mensuales de
contribución solar, fmes.
Con la fracción solar mensual se obtiene la energía solar útil aportada al fluido:
EUsolar,mes = fmes.DEmes
80
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Mes Tamb (ºC)
DEmes
(kWh)
fmes
(%)
EUsolar,mes
(kWh)
Enero 6 11.961,73 40,14 4.801,55
Febrero 8 10.604,07 60,04 6.366,96
Marzo 11 11.297,19 68,00 7.682,54
Abril 13 10.504,03 80,03 8.406,64
Mayo 18 10.632,65 80,38 8.546,65
Junio 23 10.075,30 87,22 8.787,94
Julio 28 10.189,63 99,68 10.157,20
Agosto 26 10.411,14 100,30 10.411,14
Septiembre 21 10.289,66 89,85 9.245,23
Octubre 15 10.854,17 73,32 7.958,51
Noviembre 11 10.932,77 52,85 5.778,04
Diciembre 7 11.961,73 38,42 4.596,20
Anual 15,60 129.714,17 92.738,60
Tabla 4.32: Resultados de aplicación del método f-chart (60 captadores).
Fuente: Elaboración propia
Como verificación principal del análisis, se obtiene una fracción solar o contribución
solar anual f superior a la exigida en el CTE:
El rendimiento medio anual de la instalación es:
81
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Es decir, el rendimiento medio anual es del 43%, ligeramente por encima de los
límites establecidos por el CTE.
Resulta interesante analizar la evolución mensual del sistema en diseño, con la
relación entre energía demandada y energía solar aportada al agua de consumo. De
la relación entre ambos surge la contribución solar mensual, útil para detectar
posibles situaciones de sobrecalentamiento.
Los valores de la tabla anterior se representan en las siguientes figuras:
Figura 4.14: Relación entre demanda energética y aportación solar mensual.
Fuente: Elaboración propia
En este caso, en comparación con el anterior de vivienda unifamiliar, la mayor
exigencia del CTE sobre contribución solar, conduce a un sistema más grande, en
proporción, con una mayor aportación energética y fracción solar en todo el año.
Se observa también en el gráfico de la fracción solar mensual, mayor aportación en
invierno con valores cercanos al 40% en el mes más desfavorable. A esto contribuye,
además del tamaño del sistema, una inclinación (55º) que favorece la generación
solar térmica en invierno, ya que el Sol en dicha estación presenta un recorrido más
bajo en el cielo.
82
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
Figura 4.15: Fracción solar mensual.
Fuente: Elaboración propia
4.25. Volumen de acumulación y potencia de intercambio
Como variable del método de dimensionado se ha seleccionado una relación entre
volumen de acumulación y superficie de captadores de 50l/m2, que se encuentra en
el mínimo del rango admitido por el CTE DB HE4:
50 < Vacum/SC < 180 l/m2
Como la superficie total de captación es de 132,3m2, el volumen total de
acumulación mínimo es:
Vacum=50l/m2.132,3m2= 6.650l
Este volumen de acumulación puede distribuirse en uno o varios acumuladores
centralizados conectados en serie, lo que implica disponer de un espacio de uso
común de grandes dimensiones. La opción opuesta es disponer de acumuladores
descentralizados, uno por vivienda, si bien el control del conjunto se complica y la
eficiencia se resiente. Una tercera opción, intermedia, es instalar un acumulador
colectivo parcial y acumuladores individuales en cada vivienda en función de su
tamaño y consumo previsto. Sobre estos acumuladores, ya de ACS, actúan los
sistemas auxiliares cuando sea necesario.
83
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
En este sentido, y tomando valores existentes en el mercado, se puede realizar la
siguiente distribución:
Acumulador colectivo: 2.000.
Acumuladores individuales viviendas 4 dormitorios: 100.
Acumuladores individuales viviendas 3 dormitorios: 75.
Acumuladores individuales viviendas 4 dormitorios: 50.
El volumen total de acumulación resulta ser 7.000l, poco por encima del volumen
diario del edificio y dentro de los límites del CTE.
Figura 4.16: Esquema acumulación solar mixta.
Fuente: Termicol
En todo caso, en instalaciones de gran tamaño, al igual que ocurre con los sistemas
normales de suministro de ACS convencionales, al esquema anterior se le debe
añadir una tubería de retorno que garantice una temperatura de agua adecuada en
la vivienda más alejada del punto de generación.
De esta forma, si la temperatura en esa vivienda no es suficiente, se recircula el
agua, aumentando su temperatura.
84
Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas
85
En instalaciones grandes, se dispone un intercambiador externo al acumulador.
El requisito exigido por el CTE DB HE4 para los intercambiadores externos es:
Pinter (W)≥ 500.SC = 500.132,3m2 = 66,15kW
Volviendo al sistema de captación el fabricante del captador solar recomienda un
caudal de 110l/h, que equivale a 50l/h.m2, dentro del rango admisible de 43-72l/h.m2.
Para este caudal, se indica una pérdida de carga al paso por el captador de
9,5mmca.
Una posible configuración del campo de captadores es en 20 baterías en paralelo de
3 elementos en serie. Para esta configuración, el caudal total del primario resulta:
Q (l/h) =50(l/h.m2).Nparalelo.Scaptador (m2)
Q (l/h) =50(l/h.m2).20.2,21 (m2)=2210l/h=2,21m3/h
El fabricante recomienda una tubería de 35mm de diámetro interior.
Para el diseño del resto de componentes, vaso de expansión, bomba, tuberías, etc.,
tanto del circuito primario y secundario deben conocerse las características
constructivas completas del edificio. Con dicha información se aplica lo descrito en
apartados anteriores.
Un aspecto importante es la propia ubicación de los equipos sobre la cubierta del
edificio. En este caso, los 60 captadores ocupan una superficie total de
60x2,4m2=144m2, que se ve ampliada por la necesaria separación entre filas de
captadores, como se analizó en el apartado correspondiente. Para realizar la
configuración completa debe conocerse las dimensiones de la cubierta real.