grupos de termotecnia y inclinaci ón, orientaci n y sombras he4 y he5.pdf · colegio oficial de...

Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos TTéécnicos de Ccnicos de Cáádizdiz

Curso CCurso Cóódigo Tdigo Téécnico de la Edificacicnico de la Edificacióónn

DBDB--HE Ahorro de EnergHE Ahorro de Energííaa

Septiembre Septiembre -- Octubre de 2006Octubre de 2006

Departamento de Departamento de IngenierIngenieríía Energa Energééticatica

Grupos de Grupos de Termotecnia y Termotecnia y TermodinTermodináámicamica

HE.4 y HE.5HE.4 y HE.5: Energ: Energíía Solar:a Solar:PPéérdidas de radiacirdidas de radiacióón por n por InclinaciInclinacióón, Orientacin, Orientacióón y n y

SombrasSombrasIsidoro Lillo BravoIsidoro Lillo Bravo

Grupo de TermodinGrupo de Termodináámica y Energmica y Energíías Renovablesas Renovablesisidoro@esi.us.esisidoro@esi.us.es

Departamento de Departamento de IngenierIngenieríía Energa Energééticatica

Grupos de Grupos de Termotecnia y Termotecnia y TermodinTermodináámicamica

1.1.-- INTRODUCCIONINTRODUCCION

TecnologTecnologíías de aprovechamiento del recurso solar.as de aprovechamiento del recurso solar.

2.2.-- CARACTERIZACICARACTERIZACIÓÓN DEL MOVIMIENTO DEL SOLN DEL MOVIMIENTO DEL SOL

RadiaciRadiacióón Solar en Espan Solar en Españña: Zonas clima: Zonas climááticasticas

3.3.-- CALCULO DE PERDIDAS POR INCLINACION Y CALCULO DE PERDIDAS POR INCLINACION Y ORIENTACIONORIENTACION

4.4.-- CALCULO DE PERDIDAS POR SOMBRASCALCULO DE PERDIDAS POR SOMBRAS

5.5.-- PERDIDAS LIMITESPERDIDAS LIMITESIntegraciIntegracióón arquitectn arquitectóónica.nica.SuperposiciSuperposicióón de captadores/mn de captadores/móódulos.dulos.General.General.

6.6.-- APLICACIONES SEGAPLICACIONES SEGÚÚN HEN HE--4 Y HE4 Y HE--5.5.

ÍÍndicendice

RENOVABLERENOVABLE

SOSTENIBLESOSTENIBLE

DISPERSADISPERSA

DENSIDAD ENERGETICADENSIDAD ENERGETICA-- Potencia: 0 Potencia: 0 -- 1000 W/m1000 W/m2; 2;

-- EnergEnergíía diaria: 3 a diaria: 3 -- 7 7 kWhkWh/m/m22··ddííaa

ALEATORIA ALEATORIA

CONSIDERACION SOCIALCONSIDERACION SOCIAL

ESTRUCTURA Y COSTES INSTALACIONES SOLARES.ESTRUCTURA Y COSTES INSTALACIONES SOLARES.

““Alta inversiAlta inversióón y bajo coste de operacin y bajo coste de operacióón y mantenimienton y mantenimiento””

TECNOLOGIAS SOLARESTECNOLOGIAS SOLARES

1.- INTRODUCCIONCONSIDERACIONES GENERALES DE LA ENERGIA SOLAR

Energías Primarias11 Gtep

Consumo: calor, frío, luz, etc.

SOSTENIBILIDAD DEL SISTEMA ENERGETICO ACTUAL

Combustibles, 6112 Mtep

Electricidad, 1175 Mtep

Energías Intermedias

Rendimiento: 3 %

Renovables: 2 Gtep (18 %)

Agotables: 9 Gtep (82 %)

6,2 %

Com

bust

ible

s fó

sile

s: 7

5,8

%

“Abrigamos”y “Calentamos”

RECURSO SOLAR

POTENCIA: 0 POTENCIA: 0 -- 1000 W/m1000 W/m2 2

ENERGIA DIARIA: (Sur, InclinaciENERGIA DIARIA: (Sur, Inclinacióón n óóptima) ptima) 3 3 -- 7 7 kWhkWh/m/m22··ddííaa Media anual: 3,2Media anual: 3,2--4,9 4,9 KwhKwh/d/dííaa

1. PASIVA

- VITAL PARA EL PLANETA : SER HUMANO, ANIMALES y PLANTAS

- ARQ. BIOCLIMATICA (Parcialmente HE-1, HE-3)

2. ACTIVA

- BIOMASA , EÓLICA , HIDRAULICA…. (NO CTE)

- SOLAR:

- Instalaciones producción CALOR/FRIO:

EnergEnergíía Solar Ta Solar Téérmica de Baja Temperatura rmica de Baja Temperatura (HE(HE--4)4)

- Instalaciones para producción de ELECTRICIDAD:

EnergEnergíía Solar Ta Solar Téérmica de Alta Temperatura rmica de Alta Temperatura (NO CTE)(NO CTE)

EnergEnergíía Solar Fotovoltaica a Solar Fotovoltaica (HE(HE--5)5)

TECNOLOGIAS APROVECHAMIENTO DEL RECURSO SOLAR

Cilindro parabólicos

Paraboloide de revolución

Receptor Central

Solar térmica de media y alta temperatura

INSTALACIONES DE ENERGINSTALACIONES DE ENERGÍÍA SOLAR TA SOLAR TÉÉRMICA A RMICA A BAJA TEMPERATURABAJA TEMPERATURA

(HE.4)(HE.4)

Captador

Depósito+

Intercambiador

Energía Auxiliar

Esquema de Principio Básico

OBJETIVO: ELEVAR LA TEMPERATURA DEL AGUA

VIVIENDAS PLURIFAMILIARES, PISCINAS, INDUSTRIA,VIVIENDAS PLURIFAMILIARES, PISCINAS, INDUSTRIA,……

GENERADOR FOTOVOLTAICO INVERSOR

PROTECCIONES

CONTADORES

RED

ELECTRICA

INSTALACION FOTOVOLTAICA CONECTADA A LA RED

Autoconsumo

INSTALACION FOTOVOLTAICA AISLADA DE LA RED

ESTIMACION DE LA PRODUCCION (INSTALACIONES SIN SEGUIMIENTO NI CONCENTRACION NI SOMBRAS)

Radiación anual: Entre 2000 y 1400 kWh/m2

Radiación diaria: 3-7 kWh/m2; Media And: 4,5 kWh/m2

η Inst. FV CONEXIÓN A RED : (8%) ====> Prod. Anual: 160-120 kWh/m2

(eléctricos)

ηInst. SOLAR TERMICA BT: (40%) ====> Prod. Anual: 2880-2000 MJ/m2

(térmicos)

β

Perfil del módulo

S

EO

N

α

β

β

Diagrama de trayectoria solares de referencia (latitud 41Diagrama de trayectoria solares de referencia (latitud 41ºº))

- 7 h

- 6 h

- 5 h

- 4 h

- 3 h

- 2 h

- 1 h0 h

1 h

2 h

3 h

4 h

5 h

6 h

A 1

B 1

C 1

D 1

0 3 0 6 0 9 0 1 2 0- 3 0- 6 0- 9 0- 1 2 0A c im u t ( º )

0

2 0

4 0

6 0

8 0E le v a c ió n ( º )

7 h

A 2

B 2

C 2

D 2

A 4

B 4

C 4

D 4

A 6

A 8

A 1 0

B 6

B 8

B 1 0

B 1 2

C 6

C 8

C 1 0

C 1 2

D 6

D 8

D 1 0

D 1 2

D 1 4A 9

A 7

A 5A 3

B 9

B 7

B 5

B 3

B 1 1

C 3

C 5

C 7

C 9

C 1 1D 1 3

D 1 1

D 9

D 7

D 5

D 3

Ejercicio: Determinar la sombra que da un poste de 2 m, el día 13 de julio a las 11 h. solares, en Madrid. (α= - 40º; β=67º), Longitud sombra = 2/tg 67º = m. ( 40º NOROESTE).

o

TABLAS APÉNDICE B

Tanto por ciento (%) de pérdidas anuales para cada sector del gráfico

ZONAS CLIMATICASZONAS CLIMATICAS

Zona 1: H < 3,8 Zona 2: 3,8 ≤ H < 4,2Zona 3: 4,2 ≤ H < 4,6Zona 4: 4,6 ≤ H < 5,0Zona 5: H ≥ 5,0

H (H (kWhkWh/m/m22))

ZONAS CLIMATICAS SOBRE RADIACION SOLAR

GLOBAL SOBRE SUPERFICIE HORIZONTAL

PERDIDAS LIMITESPERDIDAS LIMITES

CASOCASO OrientaciOrientacióón e n e inclinaciinclinacióónn

OIOI

SombrasSombrasSS

Total Total OI+SOI+S

GeneralGeneral 10 %10 % 10 %10 % 15 %15 %

SuperposiciSuperposicióónn 20 %20 % 15 %15 % 30 %30 %

IntegraciIntegracióón n arquitectarquitectóónicanica 40 %40 % 20 %20 % 50 %50 %

CONCEPTO DE INTEGRACIONCONCEPTO DE INTEGRACION

INTEGRACION ARQUITECTONICAINTEGRACION ARQUITECTONICA: : Cuando mCuando móódulos/captadores cumplen una dulos/captadores cumplen una doble funcidoble funcióón, energn, energéética y arquitecttica y arquitectóónica nica (revestimiento, sombreado y cerramiento) y (revestimiento, sombreado y cerramiento) y ademademáás, sustituyen a elementos s, sustituyen a elementos constructivos constructivos convencionalesconvencionales o son o son elementos de la elementos de la composicicomposicióón arquitectn arquitectóónicanica..

CONCEPTO DE SUPERPOSICIONCONCEPTO DE SUPERPOSICION

SUPERPOSICION: Si estSUPERPOSICION: Si estáá sobrepuesto sobrepuesto en cerramiento/cubierta.en cerramiento/cubierta.

INTEGRACION : Si forma parte del INTEGRACION : Si forma parte del cerramiento/cubierta.cerramiento/cubierta.

SUPERPOSICION ARQUITECTONICA: Cuando SUPERPOSICION ARQUITECTONICA: Cuando los mlos móódulos/captadores se colocan paralelos a dulos/captadores se colocan paralelos a la envolvente del edificio. la envolvente del edificio. No se acepta la envolvente horizontal.No se acepta la envolvente horizontal.

CONCEPTO CONCEPTO ““GENERALGENERAL””

GENERAL: Cuando no es superposiciGENERAL: Cuando no es superposicióón ni n ni integraciintegracióón arquitectn arquitectóónica.nica.

INCLINACION Y ORIENTACION OPTIMASINCLINACION Y ORIENTACION OPTIMAS

TECNOLOGIATECNOLOGIA INCLINACIONINCLINACIONOPTIMAOPTIMA

ORIENTACIONORIENTACIONOPTIMAOPTIMA

FOTOVOLTAICAFOTOVOLTAICA LATITUDLATITUD--1010ºº

TERMICA TERMICA Demanda Anual Demanda Anual

constanteconstante

LATITUDLATITUD

TERMICA TERMICA Demanda Demanda Preferente Preferente InviernoInvierno

LATITUD+10LATITUD+10ººSURSUR

LATITUDLATITUD--1010ºº

SURSUR

TERMICA TERMICA Demanda Demanda Preferente Preferente

VeranoVerano

INCLINACION MINIMA: 5º

100%95% - 100%90% - 95%80% - 90%70% - 80%60% - 70%50% - 60%40% - 50%30% - 40%

< 30%

-45°

N

S

75°

W E

-75°

105°

120° -120°

135° -135°150° -150°

165° -165°

-105°

60° -60°

30° -30°15° -15°

10°

30°

50°

70°

90°

Ángulo de Azimut+ -

Ángulo deinclinación

·

SI LA LATITUD ES DISTINTA DE 41º:

Pérdidas (%)=100·[1,2·10-4·(β- βopt)2 + 3,5·10-5·α2] para 15º< β< 90ºPérdidas (%)=100·[1,2·10-4·(β- βopt)2] para β< 15º

- SI LA LATITUD ES 41º :

α

β

100%95% - 100%90% - 95%80% - 90%

70% - 80%60% - 70%50% - 60%40% - 50%30% - 40%

< 30%

-45°

N

S

75°

W E

-75°

105°

120° -120°

135° -135°

150° -150°165° -165°

-105°

60° -60°

30° -30°15° -15°

10°

30°

50°

70°

90°

Ángulo de Azimut+ -

Ángulo deinclinación

·x·

Datos Pérdidas 0+I

Latitud 41ºSuroeste 50ºInclinación 20ºDemandaconstanteDemanda invierno

→ α=+50º→ β=20º → 92%

Pérdidas O+I = 8%Pérdidas O+I = 8%

α

β

EJEMPLO CASO I:

100%95% - 100%90% - 95%80% - 90%

70% - 80%60% - 70%50% - 60%40% - 50%30% - 40%

< 30%

-45°

N

S

75°

W E

-75°

105°

120° -120°

135° -135°

150° -150°165° -165°

-105°

60° -60°

30° -30°15° -15°

10°

30°

50°

70°

90°

Ángulo de Azimut+ -

Ángulo deinclinación

··

α

β

Datos Pérdidas0+I

Latitud 41ºSureste 20ºInclinación 30º

→ α= - 20º→ β=30º →97%→ Pérdidas O+I= 3%

EJEMPLO CASO II:

PERDIDAS POR SOMBRAS TEMPORALESPERDIDAS POR SOMBRAS TEMPORALES

E. S. TERMICA

E. S. FOTOVOLTAICA

PERDIDAS POR SOMBRASPERDIDAS POR SOMBRASDEBIDAS A LA PROPIA INSTALACION: Distancia entre hilerasDEBIDAS A LA PROPIA INSTALACION: Distancia entre hileras

d1 ≥ 2,5·h

CCáálculo de acimut y altura solarlculo de acimut y altura solar¡¡mejor en el punto medio del campo!mejor en el punto medio del campo!

-7h

-6h

-5h

-4h

-3h

-2h

-1h0h

1h

2h

3h

4h

5h

6h

A1

B1

C1

D1

0 30 60 90 120-30-60-90-120Acimut (º)

0

20

40

60

80Elevación (º)

7h

A2

B2

C2

D2

A4

B4

C4

D4

A6

A8

A10

B6

B8

B10

B12

C6

C8

C10

C12

D6

D8

D10

D12

D14A9

A7

A5A3

B9

B7

B5

B3

B11

C3

C5

C7

C9

C11D13

D11

D9

D7

D5

D3

Diagrama de trayectorias del sol

β=35° α=0° A B C D13 0.00 0.00 0.00 0.0011 0.00 0.01 0.12 0.44

9 0.13 0.41 0.62 1.49

7 1.00 0.95 1.27 2.765 1.84 1.50 1.83 3.87

3 2.70 1.88 2.21 4.67

1 3.17 2.12 2.43 5.04

2 3.17 2.12 2.33 4.994 2.70 1.89 2.01 4.46

6 1.79 1.51 1.65 3.638 0.98 0.99 1.08 2.55

10 0.11 0.42 0.52 1.33

12 0.00 0.02 0.10 0.4014 0.00 0.00 0.00 0.02

Tabla de referenciaAporta valores de coeficientes

Cálculo de pérdidas por sombras

Ejemplo de uso de apEjemplo de uso de apééndicesndices

-7h

-6h

-5h

-4h

-3h

-2h

-1h0h

1h

2h

3h

4h

5h

6h

A1

B1

C1

D1

0 30 60 90 120-30-60-90-120Acimut (º)

0

20

40

60

80Elevación (º)

7h

A2

B2

C2

D2

A4

B4

C4

D4

A6

A8

A10

B6

B8

B10

B12

C6

C8

C10

C12

D6

D8

D10

D12

D14A9

A7

A5A3

B9

B7

B5

B3

B11

C3

C5

C7

C9

C11D13

D11

D9

D7

D5

D3

β=35° α=30° A B C D13 0.00 0.00 0.00 0.0011 0.00 0.00 0.03 0.06 9 0.02 0.10 0.19 0.56

7 0.54 0.55 0.78 1.80

5 1.32 1.12 1.40 3.06 3 2.24 1.60 1.92 4.14

1 2.89 1.98 2.31 4.87

2 3.16 2.15 2.40 5.204 2.93 2.08 2.23 5.02

6 2.14 1.82 2.00 4.46

8 1.33 1.36 1.48 3.54 10 0.18 0.71 0.88 2.26

12 0.00 0.06 0.32 1.17

14 0.00 0.00 0.00 0.22

Supongamos edificio a β=35º, α= + 30º

Sumatorio de porcentajes por coeficientes: 0.25*A1; 0,25*A2; 0,5*A3, ….

H

a1

α1

Norte

h1

d1

Sur

d2

1

0

2

3

β2

α2

b2a2

b1

β1

h2

H

DATOS INICIALES: αp= 0º, βp= 42º;h1 = 7 m, h2 = 7 m, a1 = 5 m, b1 = 6 m, ,a2 = 4 m y b2 = 9 m.Resultan: α1= - 40º, β1= 63,67º, α2 = - 24º y β2= 45º.

βp

-7 h

-6 h

-5 h

-4 h

-3 h

-2 h

-1 h0 h

1 h

2 h

3 h

4 h

5 h

6 h

A 1

B 1

C 1

D 1

0 3 0 6 0 9 0 1 2 0-3 0-6 0-9 0-1 2 0A c im u t (º)

0

2 0

4 0

6 0

8 0E lev ac ió n (º)

7 h

A 2

B 2

C 2

D 2

A 4

B 4

C 4

D 4

A 6

A 8

A 1 0

B 6

B 8

B 1 0

B 1 2

C 6

C 8

C 1 0

C 1 2

D 6

D 8

D 1 0

D 1 2

D 1 4A 9

A 7

A 5A 3

B 9

B 7

B 5

B 3

B 1 1

C 3

C 5

C 7

C 9

C 1 1D 1 3

D 1 1

D 9

D 7

D 5

D 3

1

2

Para α= 0º, β= 35º, que es lo más parecido a α= 0º, β= 42º. Resulta, A5 = 1,84, A3 = 2,70, B3 = 1,88, B5 = 1,50, C3 = 2,21 y D3 = 4,67. Porcentajes, en función del área sombreado , de 0,25 a D3, de 0,75 a C3, de 1 a B3, de 0,25 a B5, de 0,75 a A5 y 0,75 a A3. Sumando los valores de los coeficientes con sus porcentajes, resulta el porcentaje de reducción de la radiación incidente debido a la sombra del muro:

1,84*0,75+2,70*0,75+1,88*1+1,50*0,25+2,21*0,75+4,67*0,25= 8,485%

- 7 h

- 6 h

-5 h

-4 h

-3 h

-2 h

-1 h0 h

1 h

2 h

3 h

4 h

5 h

6 h

A 1

B 1

C 1

D 1

0 3 0 6 0 9 0 1 2 0- 3 0- 6 0- 9 0- 1 2 0A c im u t ( º )

0

2 0

4 0

6 0

8 0E le v a c ió n ( º )

7 h

A 2

B 2

C 2

D 2

A 4

B 4

C 4

D 4

A 6

A 8

A 1 0

B 6

B 8

B 1 0

B 1 2

C 6

C 8

C 1 0

C 1 2

D 6

D 8

D 1 0

D 1 2

D 1 4A 9

A 7

A 5A 3

B 9

B 7

B 5

B 3

B 1 1

C 3

C 5

C 7

C 9

C 1 1D 1 3

D 1 1

D 9

D 7

D 5

D 3

Datos Pérdidas totalesLatitud 41ºSureste 20ºInclinación 30º

→ α= - 20º→ β=30º→ Pérdidas O+I= 3%

→ Pérdidas Sombras = 3%→ Pérdidas totales= 6%

Apéndice: Tabla C.2; β=35º; α= - 30º : Pérdidas sombras= D14+D12+D10+D8+C12+C10+B12+ 0,5·D6+0,5·C8+05·B10+0,5·D13 = 0,08+0,05+0,5+1,64+0,03+0,15+0+0,5·0,65+0,5·0,1+0,5·0,22= 2,935%~ 3%

Ejemplo CASO IIEjemplo CASO II

TerrazasTerrazas planasplanasEstructurasoporte sobreel tejado

Parasol FV:

Claraboyas en cubiertas

TejadosTejados inclinadosinclinados

Montados sobre el tejado

Sustituyendo partedel tejado

Con refrigeraciónposterior

FachadasFachadas

Total o parcialmenteintegrada

Haciendo efectoinvernadero

Cerramiento de balcón

FachadasFachadas: : VoladizosVoladizos

OtrasOtras combinacionescombinaciones (I) (I)