Dimensionamiento de una instalación solar térmica para ACS

En este artículo te explicamos paso a paso cómo realizar el dimensionamiento de una instalación de producción de Agua Caliente Sanitaria con contribución de energía solar térmica. En España, existe una exigencia de contribución solar mínima para edificios de nueva construcción o en los que se renueve íntegramente la instalación térmica si existe una demanda de ACS superior a 50 litros diarios.

1. Determinar el consumo diario de ACS

Para el dimensionamiento de tu instalación solar térmica, lo primero es determinar el consumo diario de agua caliente sanitaria. Para ello, en primer lugar deberías responder a las siguientes preguntas:
– ¿Cuánta gente va a hacer uso de las instalaciones?
– ¿Cómo es el ciclo de uso de las instalaciones? ¿Se trata de un lugar de trabajo donde hay turnos? ¿Gimnasio? ¿Polideportivo? ¿Hospital? ¿Vivienda? En cada caso la frecuencia de uso de las duchas es muy diferente…

En el CTE DB HE4, se indica la demanda diaria de referencia por persona en función del uso del edificio, utilizando como temperatura de referencia 60ºC:

Consumo de ACS por persona

Para viviendas, la ocupación se calcula en función del número de dormitorios:

Cálculo de ocupación en viviendas

Y si se trata de un bloque con varias viviendas, se aplica un factor de centralización, que se multiplica a la demanda calculada:

Factor de centralización en viviendas

Si la temperatura en el acumulador no es de 60ºC, habría que convertir la demanda así calculada a dicha temperatura para dimensionar el acumulador. Sin embargo, a efectos del dimensionamiento de la instalación solar, os aconsejamos partir de la demanda de referencia a 60ºC (obtendréis exactamente el mismo resultado).

2. Determinar el porcentaje de contribución solar mínima

Ahora que ya tenemos calculada la demanda, hay que determinar cuál es el porcentaje de contribución solar mínima aplicable en nuestro caso. El CTE impone unos porcentajes anuales mínimos, pero es importante que verifiquéis también las ordenanzas municipales, ya que en algunas ciudades las exigencias van más allá que las del CTE.

Para determinar la contribución solar mínima, primero necesitáis saber en qué zona climática se encuentra vuestro proyecto. Las zonas se definen en función de la Radiación Solar Global media anual sobre una superficie horizontal, según el siguiente criterio:

Zonas climáticas según CTE para determinar contribución solar térmica

Para España, los valores de radiación solar global media anual los encontraréis en el atlas de radiación solar publicado por AEMET:

https://www.aemet.es/documentos/es/serviciosclimaticos/datosclimatologicos/atlas_radiacion_solar/atlas_de_radiacion_24042012.pdf

Una vez conocida nuestra zona climática, nuestro porcentaje de contribución solar mínima será el siguiente, en función de la demanda y de la zona climática:

Contribución solar mínima para el dimensionamiento de una instalación solar térmica

3. Elegir la tecnología de placas solares que más se adapta a tu proyecto

Existen captadores planos y captadores de tubo de vacío. La tecnología elegida condicionará el dimensionamiento de tu instalación solar térmica.

Captadores planos

Los captadores planos se componen de una superficie fabricada en un material absorbedor de la radiación solar (en general, vidrio templado). Bajo dicho material se disponen unos tubos por los que discurre el fluido caloportador, que se calienta por el efecto invernadero (con frecuencia, polipropilenglicol o similar, un líquido con una temperatura de congelación muy baja, para no correr el riesgo de que se congele). Dicho fluido caloportador calienta el agua gracias a un intercambiador de calor.

Captadores de tubo de vacío

Los captadores de tubo de vacío constan de un conjunto de tubos, en cada uno los cuales se encuentra un «tubo de calor» lleno de fluido caloportador. En el interior del tubo de vacío, alrededor del «tubo de calor» se hace el vacío, generando un entorno aislante alrededor del tubo de calor, que permite minimizar las pérdidas de calor. El fluido caloportador, al calentarse, se evapora y va ascendiendo por en interior del tubo hacia la parte superior, donde se encuentra el condensador. Aquí, el fluido caloportador calienta el agua, lo que provoca que pierda temperatura, condense y vuelva a descender.

En el caso de los captadores de tubo de vacío, al tener una superficie cilíndrica en lugar de plana, se aprovecha la radiación solar en una franja horaria más amplia que en el caso de los captadores planos. Además, el vacío es un excelente aislante, por lo que los captadores de tubo de vacío presentan menores pérdidas térmicas que los captadores planos, siendo así más eficientes.

Entre los inconvenientes de los captadores de tubo de vacío se encuentra el mayor coste de la inversión y del mantenimiento. A diferencia de los captadores planos, los tubos de vacío son más delicados y difíciles de manipular, y necesitan un mayor mantenimiento. Además, a lo largo del tiempo la estanqueidad deja de ser perfecta, se pierde gradualmente el vacío y con ello empeora la eficiencia del captador.

4. Calcular la demanda de energía y la aportación exigida

Una vez determinado el porcentaje de contribución solar mínima y el consumo medio diario de nuestra instalación, deberemos calcular la demanda energética que esto supone. Para ello es necesario consultar la temperatura del agua fría, que figura en el apéndice B del CTE DB HE4.

En el CTE figura la temperatura del agua fría en el caso de las capitales de provincia. En cambio, para otras localidades, es necesario introducir un factor de corrección dependiente de la altitud del lugar donde se ubicará nuestra instalación.

Calcularemos la demanda de energía mes a mes, mediante la siguiente expresión:

Demanda de energía para la producción de ACS

Es muy importante que la temperatura que introduzcamos en esta fórmula, sea la misma temperatura de referencia que hemos utilizado para calcular el consumo de referencia. Si hemos calculado el consumo con las tablas del CTE, la temperatura de referencia es de 60ºC.

Una vez que disponemos de un cálculo de consumo de energía mes a mes, en kJ, calcularemos el consumo anual total y, a partir de este valor y del porcentaje mínimo de contribución solar, la cantidad de energía que debe generar nuestra instalación solar térmica.

5. Calcular la irradiación solar en función de la inclinación y orientación de los paneles

En el atlas de radiación solar encontraréis los valores de irradiación solar media sobre una superficie horizontal para cada mes del año, en kWh/m2.día.

A continuación tendremos que corregir el valor de irradiación sobre superficie horizontal en función de la inclinación real de nuestros captadores y de su orientación.

Orientación

Para calcular las pérdidas por orientación tendremos en cuenta el ángulo de acimut, que corresponde al ángulo con respecto al meridiano del lugar de instalación. Así, en el hemisferio norte, el ángulo de acimut sería igual a 0º para módulos orientados hacia el sur y 180º si estuvieran orientados al norte.

Ángulo de orientación de los paneles

Inclinación

El ángulo de inclinación óptimo se determina de la siguiente manera, a partir de la latitud geográfica (LG):
– LG +10º para el caso de una demanda preferente en invierno
– LG -10º para el caso de demanda preferente en verano
– Igual a la latitud geográfica (LG) para el caso de demanda constante anual

En el caso de captadores de tubo de vacío, por tratarse de una superficie de captación cilíndrica, se puede considerar que la pérdidas por inclinación son nulas.

Para instalaciones en España (latitud = 41º), podemos utilizar la figura siguiente para determinar el porcentaje efectivamente aprovechable de irradiancia tras deducir las pérdidas por orientación e inclinación:

Porcentaje de irradiancia aprovechable

Hay que tener en cuenta que el valor de irradiancia que obtenemos del atlas de radiación corresponde a una superficie horizontal (cuya inclinación no es óptima). Como se puede observar en la figura, para un ángulo de inclinación de 0º y orientación sur el % de aprovechamiento es del 90 al 95%. Por este motivo, si nuestra instalación tiene un ángulo de inclinación más cercano al óptimo que el de la superficie horizontal deberemos dividir el valor de irradiancia obtenido del atlas por 0,90-0,95 y trabajaremos con un valor de irradiancia superior al que nos proporciona el atlas.

Como alternativa, se puede calcular el porcentaje de pérdidas mediante las siguientes expresiones:

Porcentaje de pérdidas en instalación solar

También deberemos evaluar las pérdidas por sombras. Tenemos un post completo dedicado al método de cálculo de las pérdidas por sombras.

6. Cálculo de la superficie de nuestra instalación solar térmica

Ahora que ya conocemos el porcentaje de pérdidas por inclinación y orientación, podemos calcular el valor de irradiancia que aprovechamos realmente, para cada mes del año.

Lo primero, a partir de la ficha técnica de los captadores que hayamos seleccionado, determinaremos el rendimiento de los captadores y la superficie de captación unitaria.

Multiplicando el valor de irradiancia (corregida por orientación e inclinación) por el rendimiento de los captadores y la superficie total de captadores instalada, obtendremos un valor de energía aportada para cada mes del año. Entonces, con estos valores y la demanda de energía que hemos calculado en el aportado 4º, conocemos el % de aportación sobre el consumo de energía para cada mes del año. El objetivo es que la media de dichos porcentajes de aportación sea superior al porcentaje de contribución mínimo establecido por la normativa, sin superar el 110% en ningún caso, y sin superar el 100% en más de 3 meses. Para finalizar el dimensionamiento de nuestra instalación solar térmica, iremos ajustando el número de captadores, y por tanto la superficie total instalada hasta cumplir con estos criterios.

Para los meses en los que la contribución solar supera el 100% de la demanda, es necesario adoptar medidas de protección. Pero esa es una historia que dejamos para otra ocasión…

Si este artículo te ha sido útil, por favor déjanos un comentario. Si hay interés por vuestra parte, próximamente publicaremos una herramienta de cálculo que os permitirá dimensionar vuestras instalaciones solares para ACS y presupuestarlas.

Y si tienes cualquier duda, escríbenos a herramientasdeingenieros@gmail.com, te contestaremos lo antes posible.

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