Trabajo Final. Instalación ACS (2014)

Trabajo Español
Universidad Universidad Politécnica de Valencia (UPV)
Grado Ingeniería de la Energía - 3º curso
Asignatura Energias Renovables Termicas
Año del apunte 2014
Páginas 60
Fecha de subida 11/04/2016
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PROYECTO INSTALACIÓN DE PRODUCCIÓN ACS EN MADRID ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Pablo Carnero Melero Guillermo Navarro Conesa Energías Renovables Térmicas Grado en Ingeniería de la Energía ENTREGA Índice Introducción 1. Caracterización del consumo del colegio...................................................1 2. Diseño de la instalación ACS.......................................................................1 2.1. Circuito primario...................................................................................1 2.1.1. Superficie de captación...........................................................1 2.1.2. Sistema de captación...............................................................1 2.1.3. Distancia mínima entre captadores……………......................2 2.1.4. Pérdidas por sombras y orientación e inclinación...............2 2.1.5. Caudal circulante.....................................................................2 2.1.6. Conducciones...........................................................................3 2.1.7. Bomba hidráulica.....................................................................3 2.1.8. Vaso de expansión………........................................................3 2.1.9. Intercambiador de calor...........................................................4 2.1.10. Sistemas de control……………………..……………………....4 2.2. Circuito secundario..............................................................................4 2.2.1. Caudal circulante......................................................................4 2.2.2. Conducciones...........................................................................5 2.2.3. Bomba hidráulica......................................................................5 2.2.4. Depósito de almacenamiento..................................................5 2.2.5. Sistema de apoyo.....................................................................5 2.2.6. Vaso de expansión...................................................................5 2.2.7. Tratamiento contra Legionella………………………….……….6 2.3. Circuito de consumo………………………..….………………………....6 2.3.1. Conducciones……………….......…………………………………6 2.3.2. Funcionamiento………………………………..…………………..7 3. Informe y análisis.…………….......................................................................7 Introducción.
El objetivo de este proyecto es plantear el diseño y disposición en la cubierta de un colegio, de una instalación productora de ACS mediante el aporte de energía solar térmica. En los siguientes apartados se van a exponer los parámetros fundamentales para llevarlo a cabo, fraccionando la instalación en los diversos circuitos y apoyándose en documentación de obligado cumplimiento, así como en programas informáticos que facilitarán la labor y ayudarán a obtener una certificación final.
1. Caracterización del consumo del colegio.
Tal y como se indica en el enunciado del presente proyecto, el colegio, situado en la ciudad de Madrid, estará abierto durante todo el año, y se tiene que a lo largo del mismo, sea usado por un total de 240 alumnos. De esos alumnos, 120 permanecerán en el mismo durante el mediodía haciendo uso, por tanto, del servicio de comidas del restaurante. Además, 45 de ellos irán al gimnasio y, por consiguiente, se ducharán en los vestuarios del colegio. Con estos datos se obtiene un caudal de consumo de 2865 litros al día. Para mayor claridad sobre el cálculo del caudal de consumo, se remite al apartado 3.1. Caracterización del consumo en los cálculos en el Anexo.
2. Diseño de la instalación ACS.
A continuación van a establecerse las características de diseño y de funcionamiento del sistema. Las especificaciones del proyecto se hacen según normativa vigente, para mayor concreción técnica se remite al Código Técnico de la Edificación (CTE). Por otro lado, cada apartado hace referencia a cálculos y planos contenidos en el apartado de Anexo. Se ha evitado la presencia en el informe en sí para facilitar la claridad y manejo del proyecto. De igual modo, los elementos que la componen, que se encuentran en detalle en el plano 1.4. Esquema General de la Instalación en el Anexo, han sido omitidos en el resto de planos en mayor o menor medida para dotar de mayor claridad al resto de componentes.
2.1.
Circuito primario.
En este apartado se hace referencia al primer circuito hidráulico de que consta la instalación, los elementos que lo componen son descritos en los apartados sucesores. Para mayor claridad sobre la disposición de la instalación, se remite a los apartados 1.1. Cubierta de los edificios y 1.2. Circuito primario en los planos en el Anexo.
2.1.1. Superficie de captación.
Según establece el CTE, la relación entre los litros/día necesarios de ACS y superficie a instalar de captadores será de 70-75 l/m2 de captador.
Así pues, siendo conservadores y tomando el valor de 70 l/m 2 de captador, si se divide el valor de consumo, 2865 litros al día, entre 70, se obtiene una superficie de captadores de 41 metros cuadrados aproximadamente.
2.1.2. Sistema de captación.
El sistema de captación escogido viene proporcionado por el proveedor Salvador Escoda S.A., se trata del modelo SOL 2300 Selectivo Titán. Esta opción es una de las mejores del mercado en cuanto a rendimiento máximo y prestaciones tecnológicas. Además, muestra la mejor relación calidad-precio dentro de la gama, tiene un coste de 510,00 €. En la instalación en cuestión se van a instalar un total de 20 captadores, luego el sistema de captación tendrá un coste total de 10.200 €. Para mayor claridad sobre la cantidad de captadores a instalar, se remite al apartado 3.2.1.1. Sistema de captación en los cálculos en el Anexo. También se destaca que los captadores se conectarán en grupos de 5 módulos en paralelo, que a su vez se asociarán en paralelo con el resto de grupos.
Los captadores se colocarán sobre un soporte básico, adaptable a cualquier tipo de captador. Este soporte, no aportará altura al captador, simplemente hará de unión entre el mismo y la fachada del colegio. Consta de un sistema de apoyo de gran robustez de perfil galvanizado, y está formado por el sistema de apoyo y por el sistema 1 de fijación. Para cubierta plana, se tendrán soportes tipo escuadra a 45º unidos por la parte posterior mediante sendos perfiles como puede observarse en la figura adjunta.
2.1.3. Distancia mínima entre captadores.
Una vez se conoce el tipo de captador que se colocará en la instalación de ACS, ya es posible obtener la distancia mínima que se debe respetar entre cada fila de captadores con el fin de que las pérdidas por sombras no sean excesivamente elevadas. La distancia mínima entre captadores no está reglamentada en el CTE, sin embargo el IDAE sí que establece unas posibles configuraciones a seguir. Para realizar el cálculo de la separación mínima entre captadores se hará uso del software CTE Solar que está basado en las pautas del propio IDAE. Para ello, se cuenta además con los datos de la Latitud en la ciudad de Valencia, 40,41°, la inclinación de los captadores, 45° (valor óptimo y recomendado en España, para instalaciones que funcionan a lo largo de todo el año), y longitud de captador, 1,9 metros. Con todo ello, introduciendo dichos datos en el software CTE Solar, se obtiene una distancia mínima entre cada fila de captadores de 3.576 milímetros, la cual se tomará como 3,6 m. En el apartado 3.2.1.2. Distancia mínima entre captadores en los cálculos del Anexo puede verse la introducción de datos a CTE Solar y la obtención de la distancia mínima entre filas de captadores.
2.1.4. Pérdidas inclinación.
por sombras y por orientación e La instalación, al estar situada en la cubierta del colegio, puede llegar a estar sombreada por edificios cercanos. Hay un edificio próximo al colegio, de 55 metros de altura, situado al este del mismo. Será dicho edificio, el que principalmente pueda proporcionar sombras a la instalación y hacer que, en determinadas horas del día, su rendimiento disminuya. Además de este edificio, existe un muro que rodea la terraza del colegio y podrá ser también causante de posibles sombras; sin embargo, con la disposición realizada para los captadores y manteniendo, además, la distancia mínima entre ellos, las pérdidas ocasionadas por el mismo serás nulas.
Así, se tendrá en cuenta este hándicap y, de nuevo, con la ayuda de CTE Solar, se estudiarán las pérdidas máximas que pueden aparecer por sombras, que sumadas a las pérdidas por orientación e inclinación, deben estar por debajo de un cierto porcentaje límite, tal y como impone el CTE.
Introduciendo en CTE Solar las coordenadas cartesianas - que se traducirán a coordenadas angulares - del edificio, respecto al punto central de la instalación de captadores, se puede obtener el porcentaje total de pérdidas que aparecerá en la instalación. Con todo, dichas pérdidas serán: - Pérdidas por sombras: 0,085% - Pérdidas por orientación e inclinación: 1,345% - Pérdidas totales: 1,43% Dichas pérdidas se encuentran dentro del rango posible, impuesto por el CTE, ya que son menores al 10% cada una de ellas, y además, el total de las mismas, menor al 15%. En el apartado 3.2.1.3. Pérdidas por sombras y por orientación e inclinación en los cálculos del Anexo puede verse la introducción de datos a CTE Solar y la de los porcentajes de pérdidas de cada tipo.
2.1.5. Caudal circulante.
A través del programa CheQ4, programa acreditado para proporcionar certificaciones según el Código Técnico de la Edificación; y tras introducir los parámetros de localización y altura del edificio, junto con las características del captador solar escogido, se obtiene el caudal circulante por el circuito primario de la 2 instalación, 3.110 l/h. En el apartado 3.2.1.4. Caudal circulante en los cálculos del Anexo puede verse el procedimiento seguido para su obtención.
2.1.6. Conducciones.
En este punto se toma una decisión determinante en cuanto a la instalación.
Dado que el proveedor seleccionado es Acero Solar y el modelo AK FMH012DN32NB-50, y proporciona las tuberías en rollos de 50 metros, se va a instalar la misma tubería en todo el circuito primario, con diámetro interior de 32mm.
Para consultar los parámetros de las tuberías, se remite a los catálogos en el Anexo.
Esto supondrá de cara a dicho circuito, dado que tiene una longitud de 98,5 metros, la compra de 2 rollos de 50 metros de tubería. Se tendría pues un coste de 2.129 €. El metraje no utilizado en este circuito, podrá ser guardado para labores de mantenimiento futuras. Conviene destacar que tener el mismo diámetro en toda la instalación del primario resulta más beneficioso de cara a las pérdidas de carga, y hace más sencillo el mantenimiento. Para mayor detalle sobre la obtención del diámetro a instalar, se remite al apartado 3.2.1.5. Conducciones en los cálculos del Anexo.
Por otro lado, las conducciones deben estar correctamente aisladas para minimizar las pérdidas térmicas que son profundamente perjudiciales para la instalación. El aislamiento es de tipo genérico y tendrá un espesor de 45mm. Para mayor detalle sobre la obtención del espesor del aislante a instalar, se remite al apartado 3.2.1.5. Conducciones en los cálculos del Anexo.
Conviene destacar en este apartado la inclusión del retorno invertido en las conducciones por las cuales circula el fluido frío para así tener un circuito equilibrado.
2.1.7. Bomba hidráulica.
El siguiente elemento necesario a instalar en el circuito primario es una bomba hidráulica capaz de vencer las pérdidas de carga y mantener al fluido en circulación.
Se deben vencer unas pérdidas de carga algo menores de 7,35 metros de columna de agua y debe ser capaz de trasegar 3.110 l/h como se ha mencionado anteriormente. Para mayor detalle sobre la obtención de las pérdidas de carga a vencer, se remite al apartado 3.2.1.6. Bomba hidráulica en los cálculos del Anexo. La bomba escogida es del proveedor Wilo, concretamente la 30/1-12 GG de la serie Stratos-Z. Dicha bomba tiene un coste de 1.969,00€. Para consultar las curvas características de la bomba, se remite al apartado 2.3. Bombas hidráulicas en los catálogos del Anexo.
2.1.8. Vaso de expansión.
De igual modo que la bomba hidráulica es necesaria para vencer las caídas de presión ocasionadas en el trasiego del fluido primario, se precisa también un elemento capaz de absorber las sobrepresiones que puedan tener lugar. Este elemento es el vaso de expansión, el cual debe tener un volumen de 66,27 l como mínimo; se selecciona un volumen nominal de 80 l. El seleccionado es del proveedor Salvador Escoda S.A., concretamente el artículo 80 AMR-P. Para consultar los parámetros del vaso de expansión, se remite al apartado 2.4. Vasos de expansión en los catálogos del Anexo. Este modelo tiene un precio de 213,16€. Para mayor detalle sobre la obtención del volumen del vaso de expansión a instalar, se remite al apartado 3.2.1.7. Vaso de expansión en los cálculos del Anexo.
3 2.1.9. Intercambiador de calor.
La instalación del circuito primario debe tener un intercambiador de calor, que permita transferir el calor contenido en el fluido mezcla de agua y anticongelante en el circuito primario, al fluido de consumo, agua de red, en el circuito secundario. El intercambiador debe tener una potencia de 23.305 kcal/h. Se escoge el modelo M3FG-H de 28 placas y 30 paneles del proveedor Salvador Escoda S.A. Para consultar los parámetros del intercambiador de calor, se remite al apartado 2.6.
Intercambiador de calor en los catálogos del Anexo. Tiene un precio de 1.295,00€.
Para mayor detalle sobre la obtención de la potencia del intercambiador, se remite al apartado 3.2.1.8. Intercambiador de calor en los cálculos del Anexo.
2.1.10. Sistemas de control.
Para evitar un funcionamiento ineficiente de la instalación conviene instalar sistemas de control en la misma. El sistema por el que se ha optado consiste en una regulación del circuito primario y secundario por termostatos diferenciales con acción sobre bombas. Para mayor detalle sobre la disposición de termostatos y bomba, se remite al apartado 1.4. Esquema general de la instalación en los planos del Anexo.
El funcionamiento tiene una doble funcionalidad, permite detectar cuando conviene empezar a circular el fluido de trabajo porque se puede aprovechar la energía solar, y también permite proteger a la instalación frente a temperaturas extremas. Una secuencia habitual de trabajo constaría en que el termostato 1 detectaría una temperatura superior a su umbral e inferior respecto a la temperatura máxima admisible. A continuación se compararía con la temperatura del termostato 4, en caso de ser superiores a un valor de tarado, se pondría en marcha la bomba del circuito primario y ya se estaría en condiciones de ceder calor al agua circulante por el secundario.
En lo respectivo al circuito secundario se produce un funcionamiento análogo prácticamente, cuando los termostatos 2 y 3 den un salto térmico favorable en comparación con el de 1 y 4, entonces se pondrá en marcha la bomba del secundario.
Si no se hiciera así, en algunos momentos sería posible que fuese el fluido del secundario el que le estuviera cediendo calor al primario; cosa del todo inadmisible.
Por otro lado, los valores aportados por el termostato 2 permiten controlar la temperatura máxima del fluido de consumo, detectando, entre otros, si se están cumpliendo las condiciones de protección frente a Legionella. Para mayor detalle sobre el tratamiento contra Legionella, se remite al apartado 2.2.7. de la Entrega.
2.2. Circuito secundario.
En este apartado se hace referencia al segundo circuito hidráulico de que consta la instalación, los elementos que lo componen son descritos en los apartados sucesores. Para mayor claridad sobre la disposición de la instalación, se remite al apartado 1.3. Sala de máquinas en los planos del Anexo.
2.2.1. Caudal circulante.
El caudal que circula por este circuito viene determinado por el CTE, teniendo un valor 20% mayor que el circulante por el primario, de este modo, el caudal circulante por el secundario será de 3.732 l/h. Para mayor claridad sobre la obtención del caudal circulante, se remite al apartado 3.2.2.1. Caudal circulante en los cálculos del Anexo.
4 2.2.2. Conducciones.
En este caso, para el circuito secundario, debido a su mayor caudal circulante, se va a optar por unas conducciones de 35 mm de diámetro interior, el modelo Tubería Pre-aislada de Cobre Efiterm, del fabricante Efiterm Solar. Para mayor claridad sobre la obtención del diámetro interior, se remite al apartado 3.2.2.2.
Conducciones en los cálculos del Anexo.
Por otro lado, las conducciones deben estar correctamente aisladas para minimizar las pérdidas térmicas que son profundamente perjudiciales para la instalación. El aislamiento es de tipo genérico y tendrá un espesor de 35mm. Para mayor detalle sobre la obtención del espesor del aislante a instalar, se remite al apartado 3.2.2.2. Conducciones en los cálculos del Anexo.
2.2.3. Bomba hidráulica.
Para la bomba del circuito secundario se va a recurrir al mismo proveedor; esto es, Wilo. En este caso el modelo sería el 25(30)/1-8 GG de la serie Stratos-Z. La cual debe ser capaz de trasegar 3732 l/h y vencer una caída de presión de aproximadamente 2,32 metros de columna de agua. Para mayor detalle sobre la obtención de las pérdidas de carga a vencer, se remite al apartado 3.2.2.3. Bomba hidráulica en los cálculos del Anexo. El coste de esta bomba será de 1.371,00€. Para consultar las curvas características de la bomba, se remite al apartado 2.3. Bombas hidráulicas en los catálogos del Anexo.
2.2.4. Depósito de almacenamiento.
Dado que la producción de Agua Caliente Sanitaria, en adelante ACS, no va a coincidir necesariamente con el consumo, es necesaria la inclusión de un sistema de almacenamiento en la instalación. El volumen que tendrá el depósito será de 3000 l, y será provisto por Lapesa, el modelo de la gama Máster Vitro de acero vitrificado MVV-3000-RB. El precio de este depósito de almacenamiento ascenderá hasta los 5.736,00 €. Para mayor detalle sobre la obtención del volumen de almacenamiento a instalar, se remite al apartado 3.2.2.4. Depósito de almacenamiento en los cálculos del Anexo.
2.2.5. Sistema de apoyo.
A causa que no es admisible que cuando no exista producción de ACS mediante energía solar el usuario se quede sin suministro, es necesaria la instalación de un sistema de apoyo que permita obtener la energía necesaria para cubrir los defectos de la energía solar. La caldera de apoyo debe estar contenida en un volumen auxiliar de 2000 l. El proveedor seleccionado para proporcionar este elemento es Salvador Escoda S.A., con un depósito Vitrificado Idrogas IMVV 2000 SB, con un aislamiento de 50mm de espesor ITE 03-12. El cual tiene un coste de 5.374,00€. Para mayor detalle sobre la obtención del volumen del sistema de apoyo a instalar, se remite al apartado 3.2.2.5. Sistema de apoyo en los cálculos del Anexo.
Por otro lado, la caldera en sí debe tener una potencia mínima de 115,4 kW.
Para mayor detalle sobre la obtención de la potencia de la caldera a instalar se remite al apartado 3.2.2.5. Sistema de apoyo en los cálculos del Anexo. El modelo concreto será una caldera de gasóleo Bentone, modelo B30 A2.2H. El coste de esta caldera auxiliar será de 1.294,00 €.
2.2.6. Vaso de expansión.
De igual modo que para el circuito primario, es necesario la instalación de un vaso de expansión capaz de absorber los excesos de presión que pudieran ocasionarse. Este debe tener un volumen no menor de 218,21 l; se selecciona un volumen nominal de 300 l. El seleccionado es del proveedor Salvador Escoda S.A., concretamente el artículo 300 AMR.B160. Este modelo tiene un precio de 653,27 €.
5 Para mayor detalle sobre la obtención del volumen del vaso de expansión a instalar, se remite al apartado 3.2.2.6. Vaso de expansión en los cálculos del Anexo.
2.2.7. Tratamiento contra Legionella.
Para llevar a cabo la protección del circuito de consumo de ACS contra la bacteria de la Legionella se optará por el método de mantener el acumulador auxiliar, de forma continua, a una temperatura igual o mayor a 60ºC. La encargada de llevar a cabo dicha labor de calentamiento adicional del agua, tal y como se vio en el apartado anterior, 2.2.5. Sistema de apoyo, será la caldera de gasóleo Bentone B30. De esta forma, el depósito auxiliar de 2000 litros, estará sometido siempre a esta temperatura y se solucionará el problema de la aparición y desarrollo de la Legionella. Cabe destacar que el consumo de ACS no se realizará a dicha temperatura, pues el agua, tras salir del depósito secundario al circuito de consumo, gracias a la acción de válvula mezcladoras termostáticas, se mezclará con agua de red hasta alcanzar las temperaturas deseadas por los usuarios. Para mayor detalle sobre la disposición de la válvula mezcladora, se remite al apartado 1.4. Esquema general de la instalación en los planos del Anexo.
Además, para asegurar y reforzar el tratamiento contra Legionella, se tendrá la posibilidad de aplicar en ocasiones un segundo método de prevención de dicha bacteria. Este se basará en mantener periódicamente el depósito acumulador de ACS a una temperatura mayor o igual a 70°C. Para ello, se tendrá que implementar una tubería, dispuesta de una válvula, que recircule el agua caliente, a dicha temperatura desde el depósito auxiliar al depósito de acumulación. Para mayor detalle sobre la disposición de dicha válvula, se remite al apartado 1.4. Esquema general de la instalación en los planos del Anexo. Para mayor detalle sobre las condiciones de trabajo de la caldera para llevar a cabo dicha tarea, se remite al apartado 3.2.2.7.
Condiciones de operación de la caldera para el tratamiento contra Legionella en los cálculos del Anexo.
2.3. Circuito de consumo.
Para finalizar con el proyecto de la presente instalación de energía solar térmica se mostrará el diseño de la instalación del circuito de consumo. Este diseño es necesario para así poder introducir en el software CheQ4 la longitud total del circuito de consumo. Se implementará un sistema de recirculación para mantener en todo momento agua caliente a disposición de los consumidores en todos los puntos dispuestos para ello. Para mayor detalle sobre el circuito de recirculación, se remite al apartado 1.5. Esquema de recirculación en los planos del Anexo.
2.3.1. Conducciones.
Tras realizar el esquema de las conexiones entre sala de máquinas y vestuario y cocina - situados estos en la primera planta -, se mide una longitud total del circuito de consumo de 160 metros. Los nudos de consumo estarán situados en la cocina, vestuarios y aseos. La cocina y vestuarios estarán situados en la planta baja, y los aseos, por su parte, de dispondrán en diferentes plantas, uno en la planta baja, otro en la segunda planta y otro en la tercera planta - en total tres, situados en el mismo lugar, pero cada uno en una planta distinta-. Para mayor detalle sobre la disposición de los nudos de consumo y la longitud del circuito, se remite al apartado 1.5. Esquema de recirculación en los planos del Anexo. Los diámetros interiores a instalar serán 32 mm para la tubería de distribución principal; de 20 mm para las tuberías secundarias que unirán la principal con las subestaciones. El proveedor de ambas será Acero Solar, teniendo el mismo modelo para la de 32 mm que en el primario, y el AK FMH011DN20NB-100. Al instalar en la conducción principal el mismo tipo de tubería 6 que en el primario, se facilita la disponibilidad y aprovechamiento de material durante la vida útil de la instalación.
2.3.2. Funcionamiento.
El circuito secundario tiene una serie de elementos que conviene explicar brevemente para dar una visión más completa de la instalación y su funcionamiento.
Una vez el ACS sale del volumen auxiliar, tras haber obtenido la energía necesaria del apoyo, se encuentra con una válvula mezcladora. Este elemento permite regular la temperatura del agua enviada al consumo final, mediante la mezcla con agua de red.
A continuación el agua se envía por la recirculación a todas las subestaciones con el objetivo de que tengan disponibilidad inmediata de ACS para consumir. A continuación, cuando, tras las subestaciones, se envía de nuevo a la sala de máquinas existe una válvula de cuatro vías. Esta válvula tiene el objetivo de enviar el agua que viene de la recirculación al acumulador de inercia, para aprovechar si fuera posible el nivel térmico del agua para combatir la Legionella; también podría estar cerrada y aprovechar el agua saliente del propio acumulador para volver a introducirla en el mismo; y además es otro lugar a través del cual se produce la recarga de agua proveniente de la red.
3. Informe y análisis.
Tal y como puede comprobarse en el Informe final producido por el software CheQ4 adjunto en el apartado 4.1. Introducción de datos a CheQ4 en los cálculos del Anexo, el resultado del presente proyecto, descrito anteriormente, es favorable y cumple con todos los requisitos de contribución solar mínima exigida por la HE4 del Código Técnico de la Edificación.
De esta forma, se supera la fracción solar del 50% impuesta por el mismo; sin embargo, se observa que únicamente se obtiene un 52%. Esta fracción solar del 52% puede deberse principalmente a que en Madrid, aún tratándose de una de las ciudades con mayor número de días del sol al año en Europa, la radiación directa no es excesivamente elevada debido a la contaminación.
Además, hemos introducido como parte optativa en el trabajo unas subestaciones de consumo aleatorio, instalando un total de tres baños, una cocina y unos vestuarios. La longitud adicional total de tuberías a instalar sería de 160 metros.
Dichas tuberías harían que el sistema sumara mayor cantidad de pérdidas térmicas y que, por tanto, sea el sistema auxiliar, la caldera de gasóleo, la que tenga que trabajar además durante un mayor periodo.
Por lo general cabe destacar que sería correcta la aceptación y puesta en marcha del proyecto ya que además de lo positivo de lo anterior, también se reducen las emisiones de CO2.
7 ANEXO Índice 1. Planos……………………………………………………………………………………..…1 1.1. Cubiertas de los edificios……………………………………………………..1 1.2. Circuito primario………………………………………………………………...2 1.3. Sala de máquinas…………………………………………………………….....2 1.4. Esquema general de la instalación…………………………………………..3 1.5. Esquema de recirculación………………………………………………...…..3 2. Catálogos…………………………………………………………………………………....4 2.1. Sistema de captación……………………….………………………………….4 2.2. Conducciones……………………………………………………………………6 2.3. Bombas hidráulicas…………………………………………...………………..8 2.4. Vasos de expansión…………………………………………………..………11 2.5. Válvulas de seguridad………………………………………………………..13 2.6. Intercambiador de calor………………………………………………………14 2.7. Depósito principal de almacenamiento……………………….…….…….15 2.8. Depósito auxiliar de almacenamiento………………………………....…..16 2.9. Caldera auxiliar…………………………………………………………….…..17 3. Cálculos……………………………………………...…………………………………….18 3.1. Caracterización del consumo……………………………………………….18 3.2. Diseño básico……………………………………………………………….….18 3.2.1. Circuito primario……………………………………………………18 3.2.1.1. Sistema de captación…………………………………...18 3.2.1.2. Distancia mínima entre captadores………………..…19 3.2.1.3. Pérdidas por sombras y por orientación e inclinación.................................................................................20 3.2.1.3.1. Localización y disposición de los captadores………………………………………………….20 3.2.1.3.2. Elección de puntos para software CTE Solar…………………………………………………………21 3.2.1.3.3. Cálculo de pérdidas para la primera fila de captadores……………………………………………….…22 3.2.1.3.4. Cálculo de pérdidas para la segunda fila de captadores………………………………………….………24 3.2.1.3.5. Cálculo de pérdidas para las siguientes filas de captadores……………………………………….……..24 3.2.1.3.6. Pérdidas totales en la superficie de captación. ………………………………………………….25 3.2.1.4. Caudal circulante…………………………...……………25 3.2.1.5. Conducciones……………………………….……………26 3.2.1.6. Bomba hidráulica……………………………...…………27 3.2.1.7. Vaso de expansión…………………………..…………..32 3.2.1.8. Intercambiador de calor……………………..………….33 3.2.2. Circuito secundario………………………………………..……….34 3.2.2.1. Caudal circulante……………………………...…………34 3.2.2.2. Conducciones………………………………..…………..34 3.2.2.3. Bomba hidráulica…………………………………..…….35 3.2.2.4. Depósito de almacenamiento……………….…………37 3.2.2.5. Sistema de apoyo…………………………….………….37 3.2.2.6. Vaso de expansión………………………..……………..38 3.2.2.7. Condiciones de operación de la caldera para el tratamiento contra Legionella………………………..………….40 3.2.3. Circuito de consumo……………………………………………….41 3.2.3.1. Conducciones………………………………….…………41 4. Informe CheQ4…………………………..………………………………………………..42 4.1. Introducción de datos a CheQ4……………………………..………………42 1. Planos.
Los planos a continuación muestran distintas vistas de diversos elementos de la instalación. Las cotas se encuentran expresadas en metros.
1.1. Cubiertas de los edificios.
1 1.2. Circuito primario.
1.3. Sala de máquinas.
2 1.4. Esquema general de la instalación.
1.5. Esquema de recirculación.
3 2. Catálogos.
2.1. Sistema de captación.
Se trata del modelo SOL 2300 Selectivo Titán del fabricante Salvador Escoda S.A.
4 5 2.2. Conducciones.
Se trata del modelo AK FMH012DN32NB-50 del proveedor Acero Solar, para el circuito primario y el modelo Tubería preaislada de Cobre Efiterm del proveedor Efiterm Solar para el circuito secundario respectivamente.
6 7 2.3. Bombas hidráulicas.
Se trata de los modelos 30/1-12 GG y 25(30)/1-8 de la serie Stratos-Z del proveedor Wilo, para primario y secundario respectivamente.
8 9 10 2.4. Vasos de expansión.
Se trata del modelo 80 AMR-P y el 300 AMR.B160 para primario y secundario, respectivamente, del proveedor Salvador Escoda S.A.
11 12 2.5. Válvulas de seguridad.
Se trata del modelo 2530.4 del fabricante Caleffi, instalada tanto en el primario como en el secundario.
13 2.6. Intercambiador de calor.
Se trata del modelo M3FG-H de 28 placas de Salvador Escoda S.A.
14 2.7. Depósito principal de almacenamiento.
Se trata del modelo Master Vitro-3000-RB de Lapesa.
15 2.8. Depósito auxiliar de almacenamiento.
Se trata del modelo IMVV 2000 SB del fabricante Salvador Escoda S.A.
16 2.9. Caldera auxiliar.
Se trata del modelo B30 A2.2H del fabricante Bentone.
17 3. Cálculos.
3.1. Caracterización del consumo.
En el colegio se imparte clase a 240 alumnos, de los cuales, 45 de ellos usan las duchas de los vestuarios y 120 comen al medio día en el comedor, haciendo uso por tanto del restaurante-cocina del colegio. Por lo tanto se tiene lo siguiente: - 45 duchas al día - 120 comidas al día - 240 alumnos que acuden (harán uso de los aseos del colegio, lavabos, p.e) Acudiendo al Código Técnico de la Edificación (en adelante CTE), se puede obtener la equivalencia en litros/servicio de los anteriores. Serán pues los indicados a continuación: - Duchas: 21 litros/ducha.
- Restaurante: 8 litros/comida.
- Escuela sin ducha: 4 litros /alumno.
Dimensionamiento: − 45 duchas⁄día ∗ 21 litros⁄ducha = 945 litros/día − 120 comidas⁄día ∗ 8 litros⁄comida = 960 litros⁄día − 240 alumnos⁄día 4 ∗ litros⁄alumnos = 960 litros⁄día Con el aporte de los tres servicios en total se tendrá un consumo de 2865 litros al día.
3.2. Diseño básico.
3.2.1. Circuito primario.
3.2.1.1. Sistema de captación.
Según establece el CTE, la relación entre los litros/día necesarios de ACS y superficie a instalar de captadores será de 70-75 l/m2 de captador. Así pues, siendo conservadores se toma el valor de 70 l/m 2 de captador. Si se divide el valor de consumo, 2865 litros al día, entre 70, se obtiene una superficie de captadores de 40,93 metros cuadrados (m2).
Por otro lado, el captador escogido es el SOL 2300 Selectivo Titán de Salvador Escoda S.A., el cual según el catálogo tiene una superficie de captación efectiva de 2,07 m2. Para mayor detalle sobre la identificación de la superficie efectiva de captación, se remite al apartado 2.1. Sistema de captación en los catálogos del 18 Anexo. Por lo tanto, si se divide la superficie de captadores entre la superficie de captación de cada captador se obtiene que es necesario instalar 20 captadores.
Estos captadores elegidos tienen la ecuación del rendimiento siguiente: ɳ = ɳ0 − 𝑎1 .
(𝑇𝑚−𝑇𝑎) 𝐺𝛽 = 0,775 − 3,67 .
(𝑇𝑚−𝑇𝑎) 𝐺𝛽 Siendo: 𝑇𝑚 : 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑦 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
𝑇𝑎 : 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
𝐺𝛽 : 𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑙𝑎 𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑢𝑛 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜. 𝑆𝑒𝑔ú𝑛 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 800𝑊/𝑚2 .
3.2.1.2. Distancia mínima entre captadores.
Se introducen los datos en CTE Solar: latitud de Madrid, inclinación y longitud del captador para obtener la distancia mínima entre captadores, 3,6 metros.
19 3.2.1.3. Pérdidas por sombras y por orientación e inclinación.
3.2.1.3.1. Localización y disposición de los captadores.
La disposición de los captadores será en la parte superior izquierda de la cubierta del colegio. Para mayor claridad sobre la disposición de captadores, se remite a los planos en el Anexo. Además, estarán orientados al sur y colocados con una inclinación de 45o.
Se situará el punto medio del rectángulo formado por las dos primeras filas de captadores y la distancia entre ellas aproximadamente en el punto medio del rectángulo de la parte superior izquierda (Rectángulo de 40m x 43 m). La decisión es esta, ya que así se evitaran posibles pérdidas por sombras en horas iniciales y finales del día causadas por los muros laterales de la cubierta; y pérdidas por sombras en horas centrales del día, causadas por el muro frontal. Además, en un primer momento, se creyó que solamente se necesitarían un total de 10 captadores, de ahí que se tomará el punto medio de los mismos. Tras realizar bien los cálculos y comprobarlos con el software CHEQ4, se llegó a la conclusión que serían realmente 20 captadores.
Así, estos 10 captadores restantes se colocarán justo detrás de las anteriores filas, de forma que la predicción del cálculo de las pérdidas por sombras sea coherente.
Además, de esta manera, se cumpliría con la estética de un campo de captadores, y también se verían minimizadas las pérdidas por sombras producidas por cada uno de los muros y por el edificio.
20 3.2.1.3.2. Elección de puntos para software CTE Solar.
El siguiente paso para el cálculo y verificación de sombras según CTE Solar será elegir los puntos que representarán aquellos edificios u objetos cuya presencia pueda dar sombra a los captadores. Dichos objetos serán en este caso un edificio de 55 metros de altura, 25 metros más que el colegio donde se lleva a cabo la instalación; así como el muro de 1,6 metros que rodea la cubierta del colegio. Los puntos que se tomarán de dichos edificios, cuyas coordenadas serán introducidas en el programa CTE Solar, serán los representados en la imagen que se adjunta en la siguiente página.
Se tomarán los puntos A, B, C, D, E, F, G, H, I1 y J1 para el cálculo de las pérdidas por inclinación y por orientación para la primera fila de captadores. Por otra parte, para la segunda fila de captadores se tomarán los puntos A, B, C, D, E, F, G, H, I2 y J2. Las coordenadas de todos ellos, están tomadas desde un origen de referencia situado en el centro del tercer captador de cada fila, es decir, el captador situado en posición central de la fila. Se observa también en la imagen a continuación la disposición de cada sistema de referencia.
21 Las coordenadas de cada uno de los puntos citados respecto el propio sistema de referencia son las siguientes: X (m) Y (m) Z (m) A -50 39,0395 24,3285 B -50 39,0395 24,3285 C -50 19,0395 24,3285 D -75 19,0395 24,3285 E -100 19,0395 24,3285 F 20 19,0395 0,9285 G 0 19,0395 0,9285 H -20 19,0395 0,9285 I1 20 9,0395 0,9285 J1 -20 9,0395 0,9285 I2 20 2,4385 0,9285 J2 -20 2,4385 0,9285 3.2.1.3.3. Cálculo de pérdidas para la primera fila de captadores.
El primer paso que se realiza con el software CTE Solar es pasar las coordenadas lineales de cada punto a coordenadas angulares, puede observarse dicha operación en la siguiente figura.
22 Posteriormente se realizará un trazado sobre el plano angular situando así los puntos para que el programa pueda calcular las pérdidas por sombras producidas por el edificio contiguo al colegio y por el muro que rodea la cubierta. Esto se muestra en a continuación: Tal y como se observa en el recuadro situado en la parte superior izquierda de la figura anterior, se tendrán en esta primera fila de captadores un porcentaje de pérdidas por sombras del 0,085%, y por tanto, menor que el 5-10% recomendado por el CTE.
Es posible extraer también de CTE Solar las pérdidas por orientación e inclinación, como se muestra en la figura adjunta.
23 Como se puede observar, las pérdidas por orientación e inclinación son del 1,345% y por tanto, junto con las pérdidas por sombras son menores aún que el 10% que impone el programa, según el CTE.
Las pérdidas totales son: 0,085% + 1,345% = 1,43% 3.2.1.3.4. Cálculo de pérdidas para la segunda fila de captadores.
De nuevo, se debe repetir la misma acción que para la primera fila de captadores, sabiendo de antemano, que, al colocar dicha fila algo más lejana que la anterior al edificio contiguo al colegio, las pérdidas serán menores. En cualquier caso, tanto las pérdidas que se encuentren aquí como las del caso anterior son ínfimas y prácticamente nulas. Se puede observar Por otra parte, las pérdidas por orientación e inclinación serán las mismas que en el caso anterior, pues los captadores siguen estando orientados al sur, con una inclinación de 45o.
Las pérdidas totales serán: 0,0675 + 1,345 = 1,4125 % 3.2.1.3.5. Cálculo de pérdidas para las siguientes filas de captadores.
Como bien se dijo anteriormente, en un primer momento se pensó que con dos filas únicamente hubiera bastado para satisfacer las necesidades de ACS, pero no fue así, y en lugar de 10 captadores, se necesitaron 20 finalmente. Estas dos filas de captadores estarán situadas detrás de las anteriores y, por tanto, aún mostrarán menos pérdidas por sombras que las mismas. Con ello, no será necesario realizar el cálculo de pérdidas para cada fila.
Es posible hacer una estimación conservadora y proponer que las pérdidas en la tercera y cuarta fila serán aún las mismas que en la segunda y, de este modo, 24 seguirían encontrándose dentro del límite indicado por el CTE. De esta forma y con esta disposición de los captadores se cumpliría con el reglamento del CTE y sería posible continuar con la realización del proyecto.
3.2.1.3.6. Pérdidas totales en la superficie de captación.
Una vez han sido anteriormente calculadas las pérdidas en cada una de las filas de captadores conviene hacer aquí un inciso sobre el valor de pérdidas totales que finalmente se recogerá. El resultado es el siguiente: en la primera fila de captadores se tiene un 1,43% de pérdidas, y en la segunda fila un 1,41%; además, se ha impuesto que las pérdidas en la tercera y cuarta fila sean similares y siempre algo menores, por estar situadas mas lejos del principal edificio causante de sombras. De este modo, siendo conservadores, se tomará como valor final para las pérdidas en captadores el valor de la primera fila, 1,43%. En cierto modo, se asumiría que las demás filas de captadores también tienen estas pérdidas, teniendo realmente unas menores. Sin embargo, esto es insignificante, pues las diferencias entre ellas son ínfimas, estando muy lejos aún del límite impuesto por el CTE, del 15%.
3.2.1.4. Caudal circulante.
Para obtener el caudal circulante por el circuito primario, se muestra el procedimiento seguido a continuación, ha sido realizado mediante el programa CheQ4, programa acreditado por el CTE: 25 3.2.1.5. Conducciones.
A partir de esta gráfica, perteneciente al Anexo 3 del CTE, y con los límites de velocidad en 2m/s al estar en zonas habitadas y de pérdidas específicas por rozamiento en 40mm c.a, se tienen los diámetros posibles para el caudal circulante por el primario, 3.110 l/h.
Se decide tomar para el caudal máximo un diámetro interior de 32 mm, dado que resulta algo más conservador de cara a estar más alejado de las pérdidas específicas máximas. Cabe destacar que en según qué tramos de la instalación circularía un caudal diferente y admitirían un diámetro menor, sin embargo para facilitar las labores de mantenimiento se opta por instalar a todos los tramos del primario el mismo diámetro. Se debe señalar que, con los valores que se manejan, se está en una zona muy alejada del límite de velocidad de circulación del fluido.
Para determinar el espesor del aislante a instalar en las conducciones del circuito primario, se debe recordar la información obtenida en el catálogo de Acero Solar sobre el diámetro exterior, contenida en el apartado de Catálogos del Anexo.
Con dicho valor y la temperatura de diseño para las pérdidas térmicas del circuito primario, 60ºC, se acude a la tabla siguiente, contemplada en el CTE: Por lo tanto se obtiene que el espesor de aislante genérico a instalar sea de 30mm. Sin embargo, a este valor, se le deben sumar 5mm por el hecho de estar en funcionamiento continuo y 10mm si se trata de tuberías exteriores.
Como en el caso del circuito primario en cubierta se cumplen ambas disposiciones, el aislamiento que se tendrá que implementar en las tuberías será de 45mm.
26 3.2.1.6. Bomba hidráulica.
Para obtener las pérdidas de carga en las conducciones del circuito primario, en primer lugar, lo que se ha hecho ha sido dividir el circuito hidráulico en tramos. Para mayor detalle sobre la identificación de los tramos, se remite al apartado 1.2. Circuito primario en los planos del Anexo. Los tramos se recogen en la siguiente tabla: Por lo tanto, para cada tramo se tendrá un caudal circulante, y unas pérdidas de carga por metro lineal de tubería. Los valores de las pérdidas de carga se obtendrán mediante el procedimiento propuesto por el CTE, a través de la gráfica expuesta en el apartado 3.2.1.5.
Conducciones. Entrando con el diámetro de la conducción y con el caudal circulante se obtienen las pérdidas específicas de cada tramo. Sin embargo, dichas pérdidas de carga deben ser corregidas dado que se tabulan para una temperatura de 45ºC y un fluido circulante de agua pura. En el caso que se tiene las condiciones de diseño para el cálculo de las pérdidas de carga son de 40ºC y una mezcla de agua con propilenglicol, para evitar la congelación.
Por lo tanto, las pérdidas obtenidas en el gráfico anteriormente mencionado, deberían ser corregidas con la siguiente fórmula: 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎.𝐺𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑜 ∗ 𝑘1 ∗ 𝑘2 Siendo: 𝑘1 : 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎.
𝑘2 : 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 El valor para el primer coeficiente se encuentra tabulado en el Anexo 3, en la tabla siguiente: El valor del segundo coeficiente corrector se encuentra determinado a través de la siguiente fórmula: 4 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑘2 = √ 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 La viscosidad del agua en función de la temperatura es un parámetro tabulado. Lo vemos en la tabla adjunta.
27 La viscosidad de la mezcla requiere de un procedimiento más complejo, pero contemplado en el CTE. En primer lugar se debe hallar la cantidad de anticongelante presente en la mezcla. Para determinarlo, se establece el criterio que la temperatura de congelación de la mezcla debe ser mayor que la mínima histórica registrada en la localización de la instalación, con un margen de seguridad de 5ºC.
Para el caso de Madrid, se tiene: Por lo tanto, la temperatura de congelación debe cumplir: 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑔𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 > 𝑇𝑚𝑖𝑛.ℎ𝑖𝑠𝑡ó𝑟𝑖𝑐𝑎 − 5º𝐶 = −21º𝐶 Entonces, la concentración en peso de anticongelante debe ser: Se escoge como anticongelante propilenglicol a causa de su menor toxicidad respecto al etilenglicol. Debido a que la temperatura de congelación debe ser menor que -21ºC, se optará por una concentración de 41% para proporcionar más seguridad en el diseño.
28 Entonces un fluido circulante con esas características tendrá una viscosidad determinada por la siguiente gráfica, presente también en el Anexo 3 del CTE: Se obtiene de la gráfica que para una concentración de anticongelante del 41% en peso y una temperatura de 40ºC, la mezcla tiene una viscosidad dinámica de aproximadamente 2,3 centipoises.
Para poder relacionar ambas viscosidades conviene que estén expresadas en las mismas unidades, por ejemplo, las del sistema internacional. Luego se debe hacer uso de la conversión siguiente: 1 𝑃𝑎 = 1000 𝑐𝑝 𝑠 Por lo tanto, introduciendo valores numéricos en la ecuación anterior se tiene: 4 2,3/1000 𝑃𝑎/𝑠 𝑘2 = √ = 1,37 0,000653 𝑃𝑎/𝑠 Con lo que el valor de las pérdidas de carga para cada tramo se debe modificar de la siguiente manera: 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎_𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎𝑠 = 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎_𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎𝑠.𝐺𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑜 ∗ 1.02 ∗ 1,37 29 Además de las pérdidas de carga, en el circuito primario existirán pérdidas en accesorios, las cuales se van a estimar como un 30% de las pérdidas de carga; pérdidas en los captadores, de las cuales se va a tomar el valor máximo admisible, 1 m.c.a; y las pérdidas en el intercambiador de calor, las cuales tienen un valor de 2,08 m.c.a. Para mayor detalle sobre la pérdida de carga a través del intercambiador, se remite al apartado 2.6. Intercambiador de calor en los catálogos del Anexo. Los valores de las pérdidas de carga desglosadas por tramos, así como el resto de pérdidas hidráulicas se muestran en la tabla adjunta a continuación. De ella se obtiene que la bomba además de trasegar un caudal de 3.110 l/h, debe ser capaz de vencer una altura de columna de agua de aproximadamente 7,35 metros.
Para la selección de la bomba a instalar en el circuito primario, se acude al catálogo de BOMBAS WILO Serie Stratos-Z. Acudiendo a las curvas de modelo se obtiene el modelo 30/1-12 GG.
Para consultar las curvas características de la bomba, se remite al apartado 2.3.
Bombas hidráulicas en los catálogos del Anexo.
30 31 3.2.1.7. Vaso de expansión.
El vaso de expansión, de acuerdo con la norma UNE 100-155, se puede realizar utilizando la ecuación: 𝑉𝑡 = 𝑉 ∗ 𝐶𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑟𝑒 Siendo: - Vt: el volumen total del vaso de expansión.
- V: el volumen de nuestro circuito hidráulico.
- Ce: coeficiente de expansión o dilatación del fluido.
- Cpre: coeficiente de presión.
Para calcular el volumen total del vaso de expansión, se necesita en un primer momento conocer el volumen del circuito hidráulico, en este caso, el circuito hidráulico primario. Se compone del volumen de captadores, volumen de tuberías y volumen del intercambiador. Se tiene pues: - Volumen de captadores: 𝑉𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ 𝑁𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 1,7 ∗ 20 = 34 litros.
- Volumen de tuberías: Se tiene una longitud total de tuberías de 98,5 metros con un diámetro constante de 32 mm.
De este modo y con ambos valores, se puede calcular el volumen en tuberías: 𝜋 4 𝑉𝑡𝑢𝑏𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝑆𝑡𝑢𝑏 ∗ 𝐿𝑡𝑢𝑏 = ( ∗ 𝐷𝑡𝑢𝑏 2 )* 𝐿𝑡𝑢𝑏 = 𝜋 4 = ( ∗ 0,032𝑚2 )* 98,5 = 79,22𝑙 - Volumen del intercambiador de placas: 5 litros.
Con ello, se tendrá un volumen total en el circuito primario 118,22 litros.
-𝐶𝑝𝑟𝑒 se calculará como: 𝐶𝑝𝑟𝑒 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 + 1 𝑃𝑚𝑎𝑥 − 𝑃𝑚𝑖𝑛 𝑏𝑎𝑟 𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 = ℎ(𝑚) ∗ 0,1 ( ) = 0 𝑏𝑎𝑟 𝑚 Siendo h(m) la diferencia de cotas entre el punto más alto de la instalación y el lugar donde se encuentra el vaso de expansión. Es igual a 0 metros, por encontrarse a la misma cota.
𝑃𝑚𝑖𝑛 = 𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 + 0,5 𝑏𝑎𝑟 = 0,5 𝑏𝑎𝑟 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑣𝑠 − 0,3 𝑏𝑎𝑟 = 4 − 0,3 = 3,7 𝑏𝑎𝑟 La válvula de seguridad se encontrará situada a la misma cota que el vaso de expansión y tarada a 4 bar. Para mayor detalle sobre la válvula de seguridad, se remite al apartado 2.5. Válvulas de seguridad en los catálogos del Anexo.
32 𝐶𝑝𝑟𝑒 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 + 1 3,7 + 1 = = 1,47 𝑏𝑎𝑟 𝑃𝑚𝑎𝑥 − 𝑃𝑚𝑖𝑛 3,7 − 0,5 El coeficiente de expansión del fluido 𝐶𝑒 tiene valores de aproximadamente 0,065. Se trata de un valor normalizado para instalaciones de esta magnitud.
Así pues, ya es posible calcular el volumen total del vaso de expansión del circuito primario: 𝑉𝑡 = (𝑉 ∗ 𝐶𝑒 + 1,1 ∗ 𝑉𝑣𝑎𝑝 ) ∗ 𝐶𝑝𝑟𝑒 Siendo Vvap el volumen de líquido total contenido en captadores, 34 litros.
𝑉𝑡 = (𝑉 ∗ 𝐶𝑒 + 1,1 ∗ 𝑉𝑣𝑎𝑝 ) ∗ 𝐶𝑝𝑟𝑒 = = (118,22 ∗ 0,065 + 1,1 ∗ 34) ∗ 1,47 = 66,27 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 3.2.1.8. Intercambiador de calor.
La potencia de intercambio recomendada debe estar incluida entre 600 y 660 W por m 2 de superficie de captación. El CTE, además, indica que dicha potencia debe ser mayor que 500*S, siendo S el área de captadores. De esta forma, tomando el valor de 660 W/m 2 se cumplirían ambas recomendaciones.
Como se tiene una superficie de captación de, aproximadamente, 41 metros cuadrados, haciendo el producto entre ambos, se obtiene una potencia en de intercambio de 27,06 kW, equivalente a 23,3 Kcal/h.
33 3.2.2. Circuito secundario.
3.2.2.1. Caudal circulante.
La fórmula utilizada para la obtención del caudal circulante por el circuito secundario es la siguiente: 𝑄2 = 1,2 . 𝑄1 = 1,2 . 3.110 𝑙 𝑙 = 3.732 ℎ ℎ Siendo: -𝑄2 : el caudal circulante por el secundario.
-𝑄1 : el caudal circulante por el primario.
3.2.2.2. Conducciones.
A partir de esta gráfica, idéntica a la del apartado 3.2.1.5. Conducciones, perteneciente al Anexo 3 del CTE, y con los límites de velocidad en 2m/s al estar en zonas habitadas y de pérdidas específicas por rozamiento en 40mm c.a, se obtiene el diámetro posible para el caudal circulante secundario, 3.732 l/h.
34 Teniendo en mente los límites mencionados anteriormente, se obtiene un valor de diámetro interior mínimo de 32mm. Sin embargo, se opta por instalar el siguiente diámetro nominal más grande para tener mayor seguridad. Esto es, 35 mm. Cabe destacar que con los valores que se manejan se está en una zona muy alejada del límite de velocidad de circulación del fluido, de nuevo.
Para determinar el espesor del aislante a instalar en las conducciones del circuito secundario, se debe recordar la información obtenida en el catálogo de Efiterm Solar sobre el diámetro exterior, contenida en el apartado 2.2.
Conducciones en los catálogos del Anexo. Con dicho valor y la temperatura de diseño para las pérdidas térmicas del circuito secundario, 60ºC, se acude a la tabla siguiente, contemplada en el CTE.
Por lo tanto se obtiene que el espesor de aislante genérico a instalar sería de 30mm. Sin embargo, a este valor, se le debería sumar 5mm por el hecho de estar en funcionamiento continuo, sin embargo los 10mm adicionales incluidos en el aislamiento del circuito primario no se deberían incluir al tratarse de tuberías interiores.
Para mayor detalle sobre la situación tuberías del secundario, se remite al apartado 1.3. Sala de máquinas en los planos del Anexo.
Cabe destacar que este sería el aislante a instalar en una tubería normal; sin embargo, en nuestro caso, el proveedor Efiterm Solar, las suministra con un aislante equivalente de 57 mm, por lo que no será necesario adicionar este aislante calculado.
3.2.2.3. Bomba hidráulica.
Para poder dimensionar la bomba hidráulica a instalar en el circuito secundario se necesita conocer las pérdidas de carga que habrá en el mismo. Este conjunto de pérdidas hidráulicas estará compuesto de tres sumandos: pérdidas por rozamiento en tuberías, pérdidas menores en accesorios (codos, válvulas, etc) y pérdidas de carga en intercambiador de calor. Se muestran a continuación cada una de ellas: - Pérdidas por rozamiento en tuberías.
La longitud del tramo total de impulsión será de 6 metros, se tendrá una tubería de 3 metros para conducir el agua del depósito al intercambiador de calor, y otra de la misma longitud para llevar el caudal del intercambiador de calor al depósito. Con dicha longitud no se aumenta en gran cantidad las pérdidas de carga, y se tiene suficiente magnitud de tubería para colocar los accesorios pertinentes (vaso de expansión, válvulas, conectores de entrada y salida...) y para que, del mismo modo, los operarios de la instalación puedan trabajar y mantener la misma con mayor comodidad.
35 Recuperando la gráfica de donde se obtiene el diámetro de las conducciones del circuito secundario, 3.2.2.2. Conducciones, se obtienen unas pérdidas de para el caudal y diámetro del circuito secundario de 35 mm c.a. Se calcula a partir de dicho valor y de la longitud total del circuito el valor de las pérdidas totales por rozamiento.
ℎ𝑓 = 35 𝑚𝑚𝑐𝑎 . 6 𝑚 = 210 𝑚𝑚𝑐𝑎 = 0,21 𝑚𝑐𝑎 𝑚 Cabe señalar además que en este caso no habrá que multiplicar este valor de pérdidas por fricción por ningún coeficiente tal y como se hizo en el cálculo de pérdidas en el circuito primario. En este caso el coeficiente k 1 es igual a 1 ya que la temperatura media a la que estará sometida el agua es de 45 oC; y por su parte, el coeficiente k2 también será igual a 1 pues el caudal circulante por el circuito es agua.
- Pérdidas menores en accesorios.
Para calcular las pérdidas menores en accesorios, se partirá de la hipótesis de que estas son aproximadamente un 30% de las pérdidas en tuberías. Procediendo de esta manera: ℎ𝑚 = 0,3 . ℎ𝑓 = 0,3 . 0,21 = 0,063 𝑚𝑐𝑎 - Pérdidas de carga en intercambiador de calor.
Al igual que para el cálculo de pérdidas en el circuito primario, realizado ya anteriormente, se tomará el valor para las pérdidas de carga en el intercambiador de calor presentes en el apartado 2.6. Intercambiador de calor en los catálogos del Anexo. Se debe pues tomar el mismo valor, ya que el intercambiador es único y el fluido recorre en él el mismo espacio, tanto en la parte de circuito primario como en la de secundario. Serán pues unas pérdidas de 2,08 mca.
Una vez obtenidas ya todas las pérdidas hidráulicas que aparecerán en el presente circuito, se puede realizar el sumatorio de las mismas y proceder así con el dimensionamiento de la bomba a colocar en el circuito secundario, que se adelanta será de pequeña potencia o bien trabajará a baja frecuencia debido a que las pérdidas hidráulicas en este caso son ínfimas.
Sumatorio de pérdidas hidráulicas en el circuito secundario: ℎ𝑇 = 0,21 + 0,063 + 2,08 = 2,353 𝑚 Por lo tanto, la bomba debe vencer dichas pérdidas y trasegar 3.732 l/h.
De nuevo, para la selección de la bomba a instalar, en este caso en el circuito secundario, se acude al catálogo de BOMBAS WILO Serie Stratos-Z. Acudiendo a las curvas de modelo se obtiene que el modelo ideal será el Wilo 25(30)/1-8.
36 3.2.2.4. Depósito de almacenamiento.
Para dimensionar el sistema de almacenamiento, según el CTE, se utiliza como criterio el consumo diario de ACS, 2865 litros. Puesto que será difícil encontrar un depósito de 2865 litros, lo correcto será buscar uno de 3000 litros que cumplirá perfectamente con los requisitos que nos impone el CTE, y tendrá la misma o mejor funcionalidad que uno de 2865 litros.
Debe verificarse pues que el volumen total del depósito de almacenamiento tenga un valor que cumpla la condición: 50 < V/A < 180 Siendo: -V: el volumen de depósito de la instalación.
-A: el área total de captación.
Así, en la instalación se tendrá un volumen de 3000 litros y una superficie de captación de 41 metros cuadrados aproximadamente. De esta forma, haciendo la división, se obtiene un valor de 73, comprendido entre 50 y 180. Con un volumen de estos litros se verifican las exigencias del CTE.
Se acude al catálogo de Lapesa y se selecciona la gama de modelos Máster Vitro de Acero Vitrificado. Dentro de la misma se busca aquel cuya capacidad de almacenamiento de ACS sea de 3000 litros. Será entonces el modelo MVV-3000-RB.
Para mayor detalle sobre el depósito de almacenamiento principal, se remite al apartado 2.7. Depósito de almacenamiento principal en los catálogos del Anexo.
3.2.2.5. Sistema de apoyo.
La primera hipótesis de la que se parte para dimensionar el sistema de apoyo de la instalación será que el consumo de ACS en hora punta será el 70% de consumo diario, suposición conservadora, pero permitirá tener una capacidad de consumo puntual muy alta.
De este modo, el volumen de caldera de apoyo a instalar será: 𝑉𝑐𝑎𝑙𝑑_𝑎𝑝𝑜𝑦𝑜 = 0,7 ∗ 2865 litros = 𝟐𝟎𝟎𝟓, 𝟓 𝐥𝐢𝐭𝐫𝐨𝐬 No se encontrará una caldera, depósito auxiliar, con dicho volumen, pero se puede optar por colocar una de 2000 litros, dada la escasa diferencia entre el deseado y el disponible; esta decisión abarataría la instalación.
Dentro del catálogo de Salvador Escoda S.A. se selecciona el depósito Vitrificado Idrogas IMVV 2000 SB el cual tiene una capacidad de 2000 litros de acumulación. Para mayor detalle sobre el depósito de almacenamiento auxiliar, se remite al apartado 2.8. Depósito auxiliar de almacenamiento en los catálogos del Anexo.
Para dimensionar la potencia de la caldera de apoyo se supondrá que esta tiene que ser capaz de calentar en 1 hora todo el volumen del acumulador de apoyo desde la temperatura media del agua de la red hasta 60ºC. Se aplica para ello la siguiente expresión: 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑦𝑜 ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 𝑃𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 = 𝑡 37 Siendo: - Vapoyo: el volumen de apoyo en litros.
- Cp: el calor específico del agua, 4,18 KJ/Kg.ºC - ∆T: la diferencia de temperaturas que debemos vencer. Según CENSOLAR, la temperatura media del agua de red en Madrid es de 10,3 ºC. De este modo, ∆T = 60 – 10,3 = 49,7 ºC.
- t: el tiempo en el que se debe calentar el agua, el cual se ha supuesto de 1 hora, 3600 segundos.
Luego: 𝑃𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 = 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑦𝑜 ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 2000 ∗ 4,18 ∗ 49,7 = = 𝟏𝟏𝟓, 𝟒 𝑲𝑾.
𝑡 3600 Se tomará el modelo de caldera de gasóleo Bentone B30 A2.2H de la casa Salvador Escoda S.A. Tiene una potencia regulable entre 53 y 178 kW. Así, se asegura que pueda trabajar dando una potencia de 115,4 kW sin que trabaje a plena carga. Para mayor detalle sobre la caldera de apoyo, se remite al apartado 2.9.
Caldera Auxiliar en los catálogos del Anexo.
3.2.2.6. Vaso de expansión.
Según el procedimiento marcado en la norma UNE 100-155-88 se tiene que el volumen del vaso de expansión viene dado por la siguiente expresión: 𝑉𝑡 = 𝑉 ∗ 𝐶𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑟𝑒 Siendo: - 𝑉: el volumen contenido en el circuito secundario.
-𝐶𝑒 : el coeficiente de dilatación del fluido.
-𝐶𝑝𝑟𝑒 : el coeficiente de presión.
El volumen contenido en el circuito secundario viene definido por todos los volúmenes conectados en dicho circuito. Esto es, el volumen total de tuberías del secundario, el volumen del acumulador solar y el volumen del acumulador de apoyo.
Siendo sus valores: -Volumen total de tuberías del secundario: 𝜋 4 𝑉𝑡𝑢𝑏𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝑆𝑡𝑢𝑏 ∗ 𝐿𝑡𝑢𝑏 = ( ∗ 𝐷𝑡𝑢𝑏 2 )* 𝐿𝑡𝑢𝑏 = 𝜋 4 = ( ∗ 0,035𝑚2 )* 6𝑚 = 5,77𝑙 Las dimensiones del circuito secundario son aproximadamente 6 metros.
Para mayor detalle sobre las dimensiones del circuito secundario, se remite al apartado 1.3. Sala de máquinas en los planos del Anexo.
38 -Volumen del acumulador solar, 𝑉𝑎𝑐_𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 , según el valor obtenido en el apartado 3.2.2.4. Depósito de almacenamiento, se tiene un valor de 3000 l.
-Volumen del acumulador de apoyo, 𝑉𝑎𝑐_𝑎𝑝𝑜𝑦𝑜 , según el valor obtenido en el apartado 3.2.2.5. Sistema de apoyo, se tiene un valor de 2000 l.
Por lo tanto, el volumen contenido en el circuito secundario viene determinado por: 𝑉 = 𝑉𝑡𝑢𝑏𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 + 𝑉𝑎𝑐_𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 + 𝑉𝑎𝑐_𝑎𝑝𝑜𝑦𝑜 = 5,77 l+3000 l+2000 l=5005,77 l El siguiente parámetro de interés es el coeficiente de dilatación y expansión del fluido, viene dado por la siguiente expresión, presente en la norma UNE 100-155-88, en la cual se asume que la temperatura máxima del fluido es aquella que evita la proliferación de la Legionela, 70ºC: 𝐶𝑒 = (−1,75 + 0,064 (70º𝐶)2 ) ∗ 10−3 = 0,02037 ∗ 𝑇 + 0,0036 ∗ 𝑇 2 ) ∗ 10−3 =(−1,75 + 0,064 ∗ 70º𝐶 + 0,0036 ∗ Por lo tanto, el coeficiente de dilatación-expansión del fluido es de 0,02037.
Finalmente, el último parámetro necesario es el coeficiente de presión. Este, viene determinado por la siguiente expresión: 𝐶𝑝𝑟𝑒 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 + 1 𝑃𝑚𝑎𝑥 − 𝑃𝑚𝑖𝑛 Siendo: -𝑃𝑚𝑎𝑥 : Presión máxima del circuito.
-𝑃𝑚𝑖𝑛 : Presión mínima del circuito.
La presión mínima del circuito es la presión de llenado del circuito, la cual se asume como 1,5 bar. La presión máxima del circuito viene determinada por la presión que marca la válvula de seguridad con un margen de seguridad de 0,3 bar. La válvula de seguridad escogida es del fabricante CALEFFI SOLAR, la serie 253 y el código 4.
Para mayor detalle sobre la válvula de seguridad, se remite al apartado 2.5. Válvulas de seguridad en los catálogos del Anexo.
Por lo tanto, el coeficiente de presión anterior resulta: 𝐶𝑝𝑟𝑒 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 + 1 3,7 + 1 = = 2,14 𝑃𝑚𝑎𝑥 − 𝑃𝑚𝑖𝑛 3,7 − 1,5 Por lo tanto, una vez definidos los parámetros que determinan el valor del volumen del calderín, el cual tiene el siguiente valor: 𝑉𝑡 = 5005,77 𝑙 ∗ 0,02037 ∗ 2,14 = 218,21 𝑙 Este es el valor deseado para el volumen del vaso de expansión; sin embargo, la elección viene condicionada por los volúmenes disponibles en el mercado. Por lo tanto, se escogerá el volumen de 300l del fabricante Salvador Escoda S.A. el artículo 300 AMR.B160.
39 3.2.2.7. Condiciones de operación de la caldera para el tratamiento contra Legionella.
Anteriormente se seleccionó una caldera de gasóleo que era capaz de calentar el agua hasta los 60°C; sin embargo, lo hacía sin trabajar a plena potencia. Para asegurar que la caldera seleccionada será capaz de aportar energía al depósito hasta someter el agua a 70°C como mínimo, se estudiará el incremento de temperaturas resultante tras aplicar en la expresión general de la caldera el valor de su potencia térmica máxima.
Acudiendo al catálogo del fabricante se observa que la potencia térmica máxima que podrá suministrar la caldera es de 178 KW.
Pcaldera = Vapoyo ∗ Cp ∗ ∆T 2000 ∗ 4,18 ∗ ∆T = = 𝟏𝟕𝟖 𝐊𝐖 t 3600 Despejando de la anterior ecuación obtendríamos un incremento de temperaturas de : ∆T = 76,7 °C . Contando con que se partiría de una temperatura de agua fría de red de unos 10,3°C, la caldera podría calentar el agua hasta someterla a unos 87°C.
No obstante, seremos conscientes de que tan elevada temperatura no será necesaria y simplemente con alcanzar los 75°C sería más que suficiente. Se puede obtener la potencia de trabajo real de la caldera en este caso y comprobar así que está no trabajará a plena carga.
En este caso el incremento de temperaturas será: ∆T = 75 − 10,3 = 64,7 °C Y con esto, la potencia: Pcaldera = Vapoyo ∗ Cp ∗ ∆T 2000 ∗ 4,18 ∗ 64,7 = = 𝟏𝟓𝟎, 𝟐𝟓 𝐊𝐖 t 3600 Potencia totalmente asumible por la caldera Bentone B30 instalada, en referencia con lo obtenido en el apartado 3.2.2.5. Sistema de apoyo.
40 3.2.3. Circuito de consumo.
3.2.3.1. Conducciones.
Como se ha establecido en el apartado 1. Caracterización del consumo del colegio de la entrega, el caudal total circulante por este circuito es de 2865 l al día, y por las condiciones establecidas en dicho apartado la distribución de caudales es: -Aseo: 320 l/día.
-Cocina: 960 l/día.
-Vestuario: 945 l/día.
Entonces, siguiendo un procedimiento similar al mencionado en los apartados 3.2.1.5. y 3.2.2.2. relativos a las conducciones del Anexo, mediante la siguiente gráfica se obtendrían los diámetros mínimos a instalar para cumplir las limitaciones de pérdidas por fricción y velocidad.
Siendo la línea más oscura aquella que corresponde a la tubería de distribución principal y la más clara la que hace referencia a las tuberías secundarias que conectarían las subestaciones con la conducción principal. Por lo tanto, la conducción principal debería tener un diámetro mínimo de 30mm y la de las subestaciones uno mínimo de 20mm.
Sin embargo se puede optar por instalar en la principal un diámetro algo mayor en la conducción principal, el de 32mm para así tener un margen mayor de seguridad por si en algún momento existieran sobreconsumos no contempladas; además de este modo se haría uso del metraje sobrante de tubería escogida para el circuito primario, reduciendo los costes y facilitando el mantenimiento futuro. Se observa que no es necesario proceder del mismo modo para las conducciones de distribución a subestaciones, dado que al asumir en la elección del diámetro en la gráfica un caudal de 1000 litros/hora ya se está sobredimensionando la tubería.
41 4. Informe CheQ4.
4.1. Introducción de datos a CheQ4 Introducción de datos en el apartado de circuito primario y obtención del caudal circulante por el circuito primario.
Introducción de datos en el apartado de circuito primario de consumo.
42 En la siguiente imagen se puede observar un resumen del informe certificativo que proporciona el software CheQ4.
43 CERTIFICADO CHEQ4 CHEQ4 La instalación solar térmica especificada CUMPLE los requerimientos mínimos especificados por el HE4 Datos del proyecto Nombre del proyecto Comunidad Localidad Dirección Instalación ACS Madrid Madrid Madrid Avda. Carla Montagud, Nº153 Datos del autor Nombre Empresa o institución Email Teléfono Pablo y Guille Pau&XunXun Asociados pau&xunxun@gmail.com 661049144 Características del sistema solar Localización de referencia Altura respecto la referencia [m] Sistema seleccionado Demanda [l/dia a 60ºC] Ocupación Ene Feb % 100 100 Mar Abr 100 100 Madrid (Madrid) 0 Instalación con consumo múltiple totalmente centralizada 2.865 May Jun Jul Ago Sep Oct 100 100 Resultados Fracción solar [%] Demanda neta [kWh] Demanda buta [kWh] Aporte solar [kWh] Consumo auxiliar [kWh] Reducción de emisiones de [kg de CO2] 52 57.031 70.088 36.241 37.908 10.659 100 100 100 100 Nov Dic 100 100 CHEQ4 La instalación solar térmica especificada CUMPLE los requerimientos mínimos especificados por el HE4 Parámetros del sistema Verificación en obra Campo de captadores Captador seleccionado Contraseña de certificación Número de captadores Número de captadores en serie Pérdidas por sombras (%) Orientación [º] Inclinación [º] ESCOSOL SOL 2300 TITAN ( Salvador Escoda) GPS-8395 - Verificar vigencia 20,0 1,0 1,0 0,0 45,0 Circuito primario/secundario Caudal circuito primario [l/h] Porcentaje de anticongelante [%] Longitud del circuito primario [m] Diámetro de la tubería [mm] Espesor del aislante [mm] Tipo de aislante 3.110,0 41,0 98,5 29,0 40,0 genérico Sistema de apoyo Tipo de sistema Tipo de combustible Caldera convencional Gasóleo Acumulación Volumen [l] 3.000,0 Distribución Longitud del circuito de distribución [m] Diámetro de la tubería [mm] Espesor del aislante [mm] Tipo de aislante Temperatura de distribución [ºC] 160,0 30,0 30,0 genérico 50,0 Distribución subestaciones Longitud del circuito de distribución [m] Diámetro de la tubería [mm] Espesor del aislante [mm] Tipo de aislante 10,0 20,0 30,0 genérico ...

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