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Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Técnicos de Cádiz Curso Código Técnico de la Edificación DB-HE Ahorro de Energía Departamento de Ingenierí Ingeniería Energé Energética Grupos de Termotecnia y Termodiná Termodinámica HE.4: Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria Germán López Lara Septiembre - Octubre de 2006 HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Contenido 1. Generalidades 2. Caracterización y cuantificación de las exigencias 3. Cálculo y dimensionado 4. Mantenimiento HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Generalidades Existencia de consumo de ACS Piscina cubierta Ámbito de aplicación Energía solar térmica hasta un determinado aporte (30%-70%) En los edificios nuevos y en rehabilitaciones en los que se prevea una demanda de ACS. El porcentaje de aporte variará en función de: • Demanda del edificio (l/día). • Zona climática donde se ubique. • Tipo de combustible convencional a sustituir. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA ÁMBITO DE APLICACIÓN: • Nueva construcción y rehabilitación de edificios existentes • Disminución justificada de la contribución solar mínima en los siguientes casos: a) 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) Sobrepasar los criterios de cálculo que marca la normativa de aplicación. c) Inaccesibilidad al sol por barreras externas. d) Limitaciones no subsanables de la normativa urbanística aplicable. e) Protección histórico-artística. Justificación medidas ahorro térmico o emisiones • Mejora aislamiento térmico • Rendimiento energético equipos HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA CARACTERIZACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE LAS EXIGENCIAS. • Contribución solar mínima (%). Caso General Demanda total de ACS del edificio (l/d) Zona climática I II III IV V 50-5.000 30 30 50 60 70 5.000-6.000 30 30 55 65 70 6.000-7.000 30 35 61 70 70 7.000-8.000 30 45 63 70 70 8.000-9.000 30 52 65 70 70 9.000-10.000 30 55 70 70 70 10.000-12.500 30 65 70 70 70 12.500-15.000 30 70 70 70 70 15.000-17.500 35 70 70 70 70 17.500-20.000 45 70 70 70 70 > 20.000 52 70 70 70 70 HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA CARACTERIZACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE LAS EXIGENCIAS. • Contribución solar mínima (%). Caso Efecto Joule Demanda total de ACS del edificio (l/d) Zona climática I II III IV V 50-1000 50 60 70 70 70 1000-2000 50 63 70 70 70 2000-3000 50 66 70 70 70 3.000-4.000 51 69 70 70 70 4.000-5.000 58 70 70 70 70 5.000-6.000 62 70 70 70 70 > 6.000 70 70 70 70 70 HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA CARACTERIZACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE LAS EXIGENCIAS. • Contribución solar mínima (%). Climatización piscinas Zona climática Piscinas cubiertas I II III IV V 30 30 50 60 70 HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ocupaciones parciales de instalaciones de uso turístico: • Aproximarse al máximo al nivel de contribución solar mínima. • Limitado por el cumplimiento de la condición que en ningún mes del año la energía producida por la instalación podrá superar el 110 % de la demanda de consumo y no más de tres meses el 100 %. • A estos efectos no se tomarán en consideración aquellos periodos de tiempo en los cuales la demanda se sitúe un 50 % por debajo de la media correspondiente al resto del año, tomándose las medidas de protección adecuadas. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Si en un mes del año el aporte solar real sobrepasa el 110 % o en más de tres meses seguidos el 100 % de la demanda energética: a) Disipación excedentes. b) Tapado parcial campo de captadores. c) Vaciado parcial campo de captadores. d) Desvío excedentes a otras aplicaciones existentes. SEGURIDAD INTRÍNSECA HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Límites de pérdidas por orientación, inclinación y sombras: Orientación e inclinación OI Sombras S Total OI+S General 10 % 10 % 15 % Superposición 20 % 15 % 30 % Integración arquitectónica 40 % 20 % 50 % Orientación óptima Sur. Inclinación óptima función del periodo de utilización. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Cálculo y dimensionado • Datos previos • Condiciones generales de la instalación • Criterios generales de cálculo • Componentes • Cálculo de las perdidas por orientación e inclinación • Cálculo de las perdidas de radiación por sombras HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Cálculo de la Demanda • Tabla de referencia de consumos unitarios a 60 ºC (personas, cama, servicio, alumno, etc..). • Adaptación de la temperatura características de uso. de diseño a las • Ocupación plena (salvo uso turístico con ocupaciones parciales justificadas). • A efectos de cálculo se agruparán los edificios de un recinto. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA CÁLCULO Y DIMENSIONADO. • Datos previos. Valores de la demanda según tabla a 60ºC. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA CÁLCULO Y DIMENSIONADO. • Datos previos. Para demandas a diferentes temperaturas, se debe utilizar la siguiente expresión: donde: En el uso residencial vivienda el cálculo del número de personas se obtiene de la siguiente manera: En caso de justificar 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. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Zonas Climáticas Zona 1: H < 3,8 Zona 2: 3,8 ≤ H <4,2 Zona 3: 4,2 ≤ H < 4,6 Zona 4: 4,6 ≤ H<5,0 Zona 5: H ≥ 5,0 H se mide en kWh/m2 Fuente: INM .Generado a partir de isolineas de radiación solar global media diaria anual sobre superficie horizontal. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Cálculo y dimensionado • Datos previos • Condiciones generales de la instalación • Criterios generales de cálculo • Componentes • Cálculo de las perdidas por orientación e inclinación • Cálculo de las perdidas de radiación por sombras HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Cálculo y dimensionado ACS consumo suministro red HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Cálculo y dimensionado Condiciones generales Instalaciones con circuito primario y secundario independientes. Las instalaciones de más de 10 m2 correspondiendo a un solo circuito primario, éste será de circulación forzada. Fijación de unas condiciones en el fluido de trabajo respecto al: • pH • salinidad • contenido en sales de calcio • dióxido de carbono libre Fuera de los rangos establecidos el agua deberá ser tratada. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA CÁLCULO Y DIMENSIONADO. • Condiciones generales de la instalación. El fabricante, suministrador final, instalador o diseñador del sistema deberá fijar la mínima temperatura permitida en el sistema. Todas las partes del sistema que estén expuestas al exterior deben ser capaces de soportar la temperatura especificada sin daños permanentes en el sistema. Cualquier componente que vaya a ser instalado en el interior de un recinto donde la temperatura pueda caer por debajo de los 0 °C, deberá estar protegido contra las heladas. Se debe dotar a las instalaciones solares de dispositivos de control manuales o automáticos que eviten los sobrecalentamientos de la instalación. Sistema disponga de drenajes como protección ante sobrecalentamientos, el agua caliente o vapor del drenaje no puede suponer peligro para los habitantes y no se produzcan daños en el sistema. En sistemas de ACS, temperatura de agua caliente en los puntos de consumo >60 °C debe instalarse un sistema automático de mezcla u otro sistema que limite la temperatura de suministro a 60 °C. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Cálculo y dimensionado • Datos previos • Condiciones generales de la instalación • Criterios generales de cálculo • Componentes • Cálculo de las perdidas por orientación e inclinación • Cálculo de las perdidas de radiación por sombras HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Criterios generales de cálculo Sistema de captación Captador certificado por el organismo competente conforme al RD 891/1980 de 14 de abril. Captadores del mismo modelo (recomendación). Para producción de ACS se recomiendan captadores con coeficiente global de pérdidas <10 Wm2/ºC. Conexionado de captadores en filas de igual número en serie o paralelo: • Filas constituidas, preferentemente, por el mismo número de elementos conectados en serie, en paralelo ó en serie-paralelo. • Dentro de una fila, para la aplicación de ACS entre 6 y 10 m2 de captador en serie dependiendo de la zona climática. • Instalación de válvulas de cierre y de seguridad en cada batería de captadores. La conexión entre captadores y filas equilibradas hidráulicamente. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Conexionado de baterías HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Conexionado de baterías HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Equilibrado de circuitos HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Criterios generales de cálculo Sistema de acumulación solar Cálculo y diseño en función de las características de acumulación de la instalación. 50 < V/A < 180 Si hay varios depósitos se conectarán en serie invertida o en paralelo con los circuitos primario y secundario equilibrados. Instalaciones prefabricadas con termómetro en sitio visible para el usuario. Acumuladores superiores a 2 m3 con válvulas de corte u otros dispositivos para cortar los flujos al exterior del depósito no intencionados en caso de daños al sistema. No se permite la conexión de un sistema de generación auxiliar en el acumulador solar. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Criterios generales de cálculo Sistema de acumulación solar HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Criterios generales de cálculo Sistema de acumulación solar La conexión de entrada de agua caliente procedente de los captadores se realizará preferentemente entre el 5075 % de la altura del acumulador. La salida de agua fría del acumulador hacia los captadores se realizará por la parte inferior de este. La alimentación del agua fría se realizará por la parte inferior y la salida a consumo por la parte superior. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA CÁLCULO Y DIMENSIONADO. • Criterios generales de cálculo. Caudal de diseño entre 1,2 l/s y 2 l/s por cada 100 m2 de red de captadores Los tramos horizontales tendrán siempre una pendiente mínima del 1% en el sentido de la circulación. El aislamiento de las tuberías de intemperie deberá llevar una protección externa que asegure la durabilidad ante las acciones climatológicas. Las bombas en línea se montarán en las zonas más frías del circuito, teniendo en cuenta que no se produzca ningún tipo de cavitación y siempre con el eje de rotación en posición horizontal. En instalaciones superiores a 50 m² se montarán dos bombas idénticas en paralelo, dejando una de reserva, tanto en el circuito primario como en el secundario. Los vasos de expansión preferentemente se conectarán en la aspiración de la bomba. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Criterios generales de cálculo Sistema de energía convencional de apoyo Obligatoriedad de un sistema de energía convencional de apoyo. Diseño del sistema para cubrir el servicio como si no se dispusiera del sistema solar. Prohibido el uso de energía convencional de apoyo en el circuito primario de captadores. Sistema de energía preparado para cumplir con la legislación en prevención y control de la legionelosis. Si el sistema de energía convencional de apoyo es instantáneo, este será modulante. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Criterios generales de cálculo Cálculo y dimensionado Diseño del sistema de control Correcto funcionamiento instalaciones. de Diseño del sistema de medida las Instalaciones mayores de 20 m2 deberán tener al menos un sistema Buen aprovechamiento de la energía solar analógico de medida local que indique como mínimo: • Heladas •Tª y caudal del agua fría de red • Sobrecalentamientos •Tª salida acumulador solar Funcionamiento de las bombas tipo diferencial. S3 S1 S2 El tratamiento S4 datos proporcionará la energía solar térmica acumulada en el tiempo. Q de HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Cálculo y dimensionado • Datos previos • Condiciones generales de la instalación • Criterios generales de cálculo • Componentes • Cálculo de las perdidas por orientación e inclinación • Cálculo de las perdidas de radiación por sombras HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Criterios generales de cálculo Componentes Se recogen las características mínimas que deberán tener los componentes y materiales utilizados en el montaje de las instalaciones solares térmicas. Captadores: • No está permitido el uso de captadores con absorbente de hierro. • Utilizar captadores adecuados para la/s aplicación/es correspondiente/s según las especificaciones del fabricante. Acumuladores: • Listado de tratamientos y características de los acumuladores válidos. Tuberías •Materiales del circuito primario y secundario. Válvulas: • Recomendación del uso de válvulas de acuerdo a la función que desempeñan. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Criterios generales de cálculo Componentes Sistemas de llenado •Recomendación de un llenado automático con depósito de recarga para mantener el circuito presurizado. Casos en los que es obligatorio. •Válvula de llenado automático sin depósito de recarga. •Llenado manual. Sistema eléctrico y de control. •Sensores de temperatura colocados adecuadamente para medir correctamente la temperatura y aislados de las condiciones ambientales. •Sondas de inmersión (preferentemente). HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA MANTENIMIENTO. • Plan de vigilancia. Operaciones que permiten asegurar que los valores operacionales de la instalación sean correctos. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA MANTENIMIENTO. • Plan de mantenimiento. Operaciones de inspección visual, verificación de actuaciones y otros, que aplicados a la instalación deben permitir mantener dentro de limites aceptables las condiciones de funcionamiento, prestaciones, protección y durabilidad de la instalación. 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. Realizado por personal técnico cualificado. Todas las operaciones registradas en el libro de mantenimiento. Deben incluirse todas las operaciones de mantenimiento y sustitución de elementos fungibles o desgastados por el uso. HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA MANTENIMIENTO. • Plan de mantenimiento. Sistema de captación HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA MANTENIMIENTO. • Plan de mantenimiento. Sistema de intercambio HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación 1. Hotel de 3 estrellas con 100 camas en las zonas I y V. Combustible auxiliar caldera de gasóleo. 2. Edificio multifamiliar de 40 viviendas con tres dormitorios cada vivienda en las zonas I y V. Combustible auxiliar gas natural HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación 1. Tipo de edificio 2. Cálculo de la demanda 3. Zona climática 4. Tipo de combustible a sustituir 5. Contribución solar mínima 6. Dimensionado de la instalación para cubrir este aporte HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Tipo edificio Hotel 3* 100 camas Edificio multifamiliar de 40 viviendas Demanda diaria Zona climática Aporte mínimo exigido Superficie instalación (m2) HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Cálculo de la demanda. Ejemplo 1 Criterio de demanda Litros ACS/día a 60º C 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, etc) 55 por cama .../... 100 camas * 55 l/cama (60ºC) = 5.500 l/día HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Tipo edificio Hotel 3* 100 camas demanda diaria 100 camas * 55 l/cama (60 ºC) = 5.500 l/d Zona climática Zona I Zona V Edificio multifamiliar de 40 viviendas Aporte mínimo exigido Superficie instalación (m2) HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Contribución solar mínima. Ejemplo 1 Porcentajes de aporte solar para ACS: Caso General Demanda total de ACS del edificio (I/d) 50-5.000 5.000-6.000 6.000-7.000 7.000-8.000 8.000-9.000 9.000-10.000 10.000-12.500 12.500-15.000 15.000-17.500 17.500-20.000 > 20.000 I 30 30 30 30 30 30 30 30 35 45 52 II 30 30 35 45 52 55 65 70 70 70 70 Zona climática III 50 55 61 63 65 70 70 70 70 70 70 IV 60 65 70 70 70 70 70 70 70 70 70 V 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Tipo edificio Hotel 3* 100 camas Edificio multifamiliar de 40 viviendas demanda diaria 100 camas * 55 l/cama (60 ºC) = 5.500 l/d Aporte mínimo exigido Superficie instalación (m2) Zona I 30 % 56 Zona V 70 % 114 Zona climática HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Cálculo de la demanda. Ejemplo 2 Criterio de demanda Litros ACS/día a 60º C Viviendas unifamiliares 30 por persona Viviendas multifamiliares 22 por persona Hospitales y clínicas 55 por cama Hotel **** 70 por cama Hotel *** 55 por cama ………….. 40 viv. * 4 per/viv. * 22 l/per (60ºC) = 3.520 l/día HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Tipo edificio Hotel 3* 100 camas Edificio multifamiliar de 40 viviendas demanda diaria 100 camas * 55 l/cama (60 ºC) = 5.500 l/d 40 viv. * 4 per./viv. * 22 l/ per.(60ºC)= 3.520 l/d Aporte mínimo exigido Superficie instalació n (m2) Zona I 30 % 56 Zona V 70 % 114 Zona climática Zona I Zona V HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Contribución solar mínima. Ejemplo 2 Porcentajes de aporte solar para ACS: Caso General Demanda total de ACS del edificio (I/d) 50-5.000 5.000-6.000 6.000-7.000 7.000-8.000 8.000-9.000 9.000-10.000 10.000-12.500 12.500-15.000 15.000-17.500 17.500-20.000 > 20.000 I 30 30 30 30 30 30 30 30 35 45 52 II 30 30 35 45 52 55 65 70 70 70 70 Zona climática III 50 55 61 63 65 70 70 70 70 70 70 IV 60 65 70 70 70 70 70 70 70 70 70 V 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Tipo edificio Hotel 3* 100 camas Edificio multifamiliar de 40 viviendas demanda diaria 100 camas * 55 l/cama (60 ºC) = 5.500 l/d 40 viv. * 4 per./viv. * 22 l/ per.(60ºC)= 3.520 l/d Aporte mínimo exigido Superficie instalación (m2) Zona I 30 % 56 Zona V 70 % 114 Zona I 30 % Zona V 70 % Zona climática HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Dimensionado de la instalación para cubrir este aporte. Ejemplo 2 40 viv. * 4 per/viv. * 22 l/per (60ºC) = 3.520 l/día Dimensionado a 45ºC: 12 D (T ) = ∑D 1 i (T) 60 − T i D i ( T ) = D i ( 60 º C ) × T − Ti 40 viv * 4 per./viv. * 32 l/ pers.= 5.120 l/día 32 l/ persona HE 4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA Ejemplos de aplicación Tipo edificio Hotel 3* 100 camas Edificio multifamiliar de 40 viviendas Aporte mínimo exigido Superficie instalación (m2) Zona I 30 % 56 Zona V 70 % 114 40 viv. * 4 per./viv. * 22 l/ per.(60ºC)= 3.520 l/d Zona I 30 % 32 40 viv. * 4 per./viv. * 32 l/per.(45ºC)= 5.120 l/d Zona V 70 % 62 demanda diaria 100 camas * 55 l/cama (60 ºC) = 5.500 l/d Zona climática