Para el consumo doméstico de A.C.S., se suele considerar un nivel que varía entre los 40 y los 70 litros de agua caliente por persona y día. En nuestro país, los consumos rara vez superan los 60 litros. En cuanto a la temperatura de referencia del A.C.S., suele tomarse siempre igual a 45 ºC, si bien en las instalaciones que utilizan energías convencionales para la preparación del A.C.S., ésta se obtiene a veces a una temperatura mucho más alta, lo cual no es necesario en la mayoría de los casos, ni conveniente para la instalación.
La fuente energética que vamos a emplear va a consistir en paneles solares térmicos. Como veremos,
para satisfacer completamente la demanda energética tanto de A.C.S. como de calefacción, vamos a necesitar energía de apoyo. Esa fuente de apoyo va a consistir en una caldera de gas, con quemador para gas propano.
4.1. ENERGÍA NECESARIA PARA A.C.S.
Vamos a analizar la energía necesaria a lo largo del año, para el A.C.S. Para ello, ha sido necesario tener en cuente una serie de datos, de la vivienda y su entorno, como son el número de ocupantes de la vivienda, su nivel de ocupación, y el consumo estimado por persona y día. Consideraremos una vivienda ocupada por un matrimonio con dos hijos, de edades comprendidas entre los 12 y los 18 años, la vivienda va a estar ocupada durante todo el año, y un consumo medio de 60 litros por persona y día. También deberemos considerar datos climatológicos, como la temperatura de la zona en la que va a ir ubicada la vivienda, y la temperatura del agua de red, con el fin de poder calcular el salto térmico que es necesario aplicarle al agua, para conseguir que ésta llegue a los puntos de consumo a una temperatura de 45 ºC.
Con esos datos se ha realizado un estudio de la energía necesaria, y los resultados obtenidos aparecen en la Figura 10. Como podemos observar el máximo nivel de energía corresponde a los meses de invierno, y el mínimo durante los meses de verano. Eso es lógico, si tenemos en cuenta que el salto térmico que es necesario aplicarle al agua para conseguir que ésta alcance una temperatura de 45 ºC, va a ser mayor en invierno que en verano.
118 3 10 12 10 2 7 9 3 4 8 7 2 7 2 3 6 5 4 6 5 4 7 2 3 9 0 3 10 2 4 115 2 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 10 0 0 12 0 0 14 0 0
E n e Feb M ar Abr M ay Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dec
Figura 10: Necesidad energética para A.C.S., por meses, expresada en MJ
4.2. CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE COLECTORES
Una vez conocidas las necesidades energéticas para el A.C.S., vamos a calcular la superficie de colectores necesarios para que aporten esa energía.
Deberemos determinar su inclinación así como la superficie de captación necesaria.
En cuanto a la inclinación, diremos que vamos a favorecer la captación solar en invierno, que va a ser la situación más desfavorable. Con ello, la inclinación de los colectores, va a venir dada por la siguiente regla sencilla: α=latitud + 10º
El siguiente paso, consiste en determinar la superficie de colectores necesaria. El proceso es más largo y laborioso, y es necesario tener en cuenta una serie de datos y consideraciones. Los datos de partida, van a ser los obtenidos en el apartado anterior. Debemos obtener, la energía aprovechable E que incide en un día medio de cada mes sobre cada m2 de la superficie inclinada de los colectores; se parte de la tabla general de irradiación horizontal media H para cada mes en la provincia considerada, realizándose si procede una corrección, en función del grado de polución de la atmósfera. Se aplica un segundo factor de corrección por inclinación, k, que depende de la latitud del lugar, y de la inclinación de los paneles. Hay que tener en cuenta además, una serie de datos como el rendimiento del colector, el número de horas de sol útiles para cada mes del año, las pérdidas a considerar por el desfase entre la captación y el consumo, etc.
Una vez realizados todos los cálculos, hemos obtenido una superficie de colectores de 6 m2, lo que supone que debemos colocar 3 colectores solares. La tabla 4 muestra un balance energético por meses entre la energía necesaria para A.C.S. y la producida por los paneles solares. El déficit lo deberá aportar la fuente de energía auxiliar de apoyo.
Tabla 4: Balance energ. de ACS y paneles térmicos
Mes Necesidad energética mensual en MJ Energía produ- cida en MJ Déficit ener- gético MJ Ene 1213 128 1085 Feb 1067 515 552 Mar 1120 1309 0 Abr 1023 1377 0 May 1026 1594 0 Jun 963 1860 0 Jul 964 2400 0 Ago 995 2437 0 Sep 993 2071 0 Oct 1057 1364 0 Nov 1083 625 458 Dic 1213 136 1077
Vemos que la mayor parte de los meses del año, no va a ser necesario ningún aporte extra de energía por
parte de la fuente auxiliar. Si que va a ser necesario, aportar energía durante los meses de invierno; especialmente, durante los meses de Enero y de Diciembre. Esos datos se representan en la Figura 11.
10 8 5 5 5 2 0 0 0 0 0 0 0 0 4 5 8 10 7 7 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 10 0 0 12 0 0
E n e Feb M ar A br M ay Jun Jul A go S ep Oct Nov Dic
Figura 11:Déficit energético de ACS en MJ
4.3. CÁLCULO DE LA ACUMULACIÓN
Si el volumen de acumulación es demasiado pequeño, la temperatura a la que el calor quedará acumulado será muy elevada. Un correcto dimensionamiento del sistema de acumulación evitará muchos problemas a la instalación. El volumen óptimo de acumulación, depende de tres factores: de la superficie colectora, de la temperatura de utilización del A.C.S., y del tiempo transcurrido entre la captación y el consumo de energía.
4.3.1. Volumen de acumulación, en función de la superficie colectora
La Figura 12 presenta la relación entre el volumen de almacenamiento por metro cuadrado de superficie colectora y el porcentaje de aprovechamiento de la energía captada.
Figura 12: Rendimiento según el volumen de acumulación
Del grafico se puede desprender que el volumen óptimo de acumulación está comprendido entre los 50 y 70 litros por metro cuadrado de superficie colectora. Para valores menores, el rendimiento es muy bajo, y valores mayores, no aumentan
ostensiblemente el rendimiento pero sí encarecen la instalación.
4.3.2. Volumen de acumulación en función de la temperatura de utilización
Cada instalación es un caso especial, y si debemos trabajar con otros rangos de temperatura, deberemos alejarnos del valor anterior. En la Figura 13 podemos obtener el volumen óptimo de acumulación en función de la temperatura de utilización requerida. Si deseamos reducir el volumen de acumulación debemos obtener el A.C.S. a una temperatura mayor.
Figura 13: volumen óptimo en función de la temperatura
4.3.3. Volumen de acumulación, en función del tiempo de almacenamiento
Si el periodo de consumo es similar al de captación podemos reducir el volumen de acumulación a valores entre 35 a 55 litros/m2. (habitual en procesos industriales). Si el desfase entre captación y consumo es menor de 24 horas, (caso más común en instalaciones de A.C.S.) el volumen recomendado estará entre los 55 y 85 litros/m2. Si el desfase se encuentra entre uno y dos días, el volumen recomendado estará entre los 85 a 150 litros/m2. Finalmente, y teniendo en cuenta todas estas consideraciones, ella simulación del modelo ha determinado un depósito acumulador de 300 litros para la vivienda. Este acumulador dispone de dos sistemas para aplicar la energía auxiliar: un serpentín auxiliar de apoyo, al cual vamos a conectar la caldera de gas, y una resistencia eléctrica de 1200 W, a la que le vamos a aplicar los excedentes de energía del sistema eólico solar. Para ello, el regulador de la instalación dispone de una salida, y cuando detecta que el equipo de acumulación se encuentra totalmente cargado, desvía el excedente de energía generada hacia esta resistencia.