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INSTALACIONES DE PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE PANELES SOLARESINSTALACIONES DE PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE: PANELES SOLARES

Ignacio Javier Acosta García - arquitecto Septiembre 2008

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Aplicación

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AplicaciónA todo edificio en el que exista una demanda de agua caliente sanitaria y/o declimatización depiscina cubiertapiscina cubierta.

Podrá disminuirse justificadamente en los siguientescasos:A. Aprovechamiento de energías renovables, procesos

de cogeneración o fuentes de energía residuales.B. Con el cumplimiento se sobrepasen los criterios de

cálculo que marca la legislación.C. No exista suficiente acceso al sol por barreras

externasóD. Rehabilitación de edificios y existan limitaciones por

el propio edificio o por la normativa urbanística.E. Edificios de nueva planta como consecuencia de la

í ónormativa urbanística imposibilite la disposición decaptadores.

F. Protección histórico-artística

ÁMBITO DE APLICACIÓN

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Aplicación

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AplicaciónSe debe recordar que existen numerosas normativas existentes de carácter localque deben aplicarse además del Documento DB-HE 4.

Habitualmente, las normativas locales son menos estrictas que el Código Técnico.

ÁMBITO DE APLICACIÓN

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Contribución solar mínima

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Contribución solar mínimaSegún la zona climática reflejada en el mapa peninsular de la sección de cálculo ydimensionado, se determina la proporción anual de agua caliente que deben aportarlos paneles solareslos paneles solares.

CONTRIBUCIÓN SOLARSe determinan cinco zonas según la radiación solar diaria.

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Contribución solar mínima

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Contribución solar mínimaLa contribución solar mínima anual es la fracción entre los valores anuales de laenergía solar aportada exigida y la demanda energética anual, obtenidos a partir delos valores mensualeslos valores mensuales.En las tablas 2.1 y 2.2 se indican, para cada zona climática y diferentes niveles dedemanda de agua caliente sanitaria, la contribución solar mínimaanual, considerándose los siguientes casos:u , co s os os s gu s c sos:

a) general: suponiendo que lafuente energética de apoyosea gasóleo propano gassea gasóleo, propano, gasnatural, u otras;b) efecto Joule: suponiendoque la fuente energética deque la fuente energética deapoyo sea electricidadmediante efecto Joule.

Para la provincia de Cádiz lainstalación de paneles solares debecubrir entre el 60 y el 70% de lademanda anual de agua caliente.

CONTRIBUCIÓN SOLAR

demanda anual de agua caliente.

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Sobreproducción

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Sobreproducciónen ningún mes del año la energía producida por la instalación podrá superarel 110 % de la demanda energética y en no más de tres meses el 100 %.

La gráfica del ejemplo inferior muestra en la línea azul la demanda total de agua caliente de un edificio(100%). La línea verde determina la demanda mínima que deben cubrir los paneles solares (70%). El trazorojo representa la demanda de cálculo de los paneles instalados.

En el primer ejemplo de cálculo, se haninstalado 10 paneles solares. La demanda anual

ó

En el segundo ejemplo de cálculo, se haninstalado 12 paneles solares. La demanda anual

áse cubre, y el 100% sólo se excede en losmeses de julio y agosto.

se cubre mucho más, pero el 100% se excedeen los meses de Mayo, Junio, julio, agosto ySeptiembre.

CONTRIBUCIÓN SOLAR

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Sobreproducción

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SobreproducciónEl hecho de que se supere en más de tres meses el 100% de la demanda de aguacaliente implica el sobrecalentamiento de la instalación, pudiendo, de este modo,dañarsedañarse.

Cuando exista una sobredemanda se pueden tomar algunas medidas;a) Disipar dichos excedentesa) Disipar dichos excedentesb) Tapado parcial del campo de captadores (programarse en el Mantenimiento)c) Vaciado parcial del campo de captadores (programarse en el Mantenimiento)d) Desvió del excedente a otras aplicaciones

CONTRIBUCIÓN SOLAR

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Pérdidas de Rendimiento

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Pérdidas de RendimientoIndependientemente de la contribución de agua, los captadores deben disponerse deforma que las pérdidas de rendimiento sean las menores posibles. La tabla 2.4 delapartado 2 del DB-HE4 establece las pérdidas límite según la disposición de losapartado 2 del DB HE4 establece las pérdidas límite según la disposición de lospaneles solares:

Para minimizar las pérdidas hay queprocurar alejar los captadores de lospretiles y otras edificaciones, asícomo dada nuestra latitud orientarloscomo, dada nuestra latitud, orientarlosal sur.

CONTRIBUCIÓN SOLAR

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Montaje de Paneles

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Montaje de PanelesTal y como se observa en la tabla anterior, se consideran tres casos para el montajede paneles:

Caso GeneralLos paneles se montan sobrebastidores en cubierta. Dadoque su ubicación es flexible,las pérdidas admisibles son muybajas.

MONTAJE DE PANELES

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Superposición

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SuperposiciónEl montaje se realiza directamente sobre la cubierta, siendo ésta habitualmenteinclinada, para minimizar las pérdidas.

Dado que la disposición de los paneles está condicionada a la cubierta las pérdidasDado que la disposición de los paneles está condicionada a la cubierta, las pérdidasadmisibles son mayores que en el caso general.

MONTAJE DE PANELES

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Integración

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IntegraciónLos paneles forman parte de la composición del edificio, ya sea como cubierta ofachada.

Posibilidades de integración en la arquitectura.

En la integración de paneles solares se permitenpérdidas muy flexibles

MONTAJE DE PANELESpérdidas muy flexibles.

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Plan de Vigilancia

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Plan de VigilanciaEl plan de vigilancia se limita a la observación del correcto funcionamiento de lainstalación de paneles solares. Es esencial que quede reflejado en nuestroproyecto tal y como especifica el Código Técnico:proyecto, tal y como especifica el Código Técnico:

El plan de vigilancia es responsabilidad

MANTENIMIENTOde la propiedad.

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Plan de Mantenimiento

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Plan de Mantenimiento1. Se realizará por personal técnico especializado.2. Se realizará el mantenimiento:

1 vez al año para superficies de captación menores de 20m21 vez al año para superficies de captación menores de 20m21 vez por semestre para superficies de captación mayores de 20m2

3. El mantenimiento ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento ysustitución de elementos fungibles ó desgastados por el uso.sus uc ó os u g s ó sg s os o uso.

MANTENIMIENTO

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Esquema de la instalación

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Esquema de la instalaciónA continuación se describen los esquemas esenciales de una instalación de panelessolares:

ESQUEMA

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Instalación por Termosifón

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Instalación por Termosifóny Circuito directoLa instalación por termosifón eshabitual en viviendas unifamiliares.

El rendimiento del circuitodirecto es muy alto pero eldirecto es muy alto, pero eldeterioro de la instalación eselevado, dado que el agua deconsumo pasa por los captadoresconsumo pasa por los captadoressolares.

ESQUEMA

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Instalación Forzada por

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Instalación Forzada porCircuito IndirectoLa instalación forzada procura unequipo de bombeo que fuerza elmovimiento del circuito.

La instalación por circuitoLa instalación por circuitoindirecto dispone un circuitoprimario cerrado que intercambiacalor con un circuito secundariocalor con un circuito secundario,que es el que sirve a consumo.

ESQUEMA

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Componentes de la Instalación

INSTALAC IONES DE PRODUCC IÓN DE AGUA CAL I ENTE : PANELES SOLARESCaptación

Componentes de la InstalaciónA continuación se describen laspartes esenciales de una instalacióntipo de paneles solarestipo de paneles solares.

Sistema de captación, formado por loscaptadores solares homologados, encargados detransformar la radiación solar incidente en

S. Hidráulico

transformar la radiación solar incidente enenergía térmica de un fluido de trabajo.

Sistema de acumulación, formado por uno ovarios depósitos, recubiertos de materialaislante, que almacenan el agua caliente hastaque se precisa su uso.

Sistema hidráulico, formado por circuitos decaptación (primario) y de consumo (secundario).

Sistema de intercambio de calor, separando losdos fluidos anteriores (primario y secundario) a

Acumulación Controltravés de los propios depósitos o con unintercambiador específico.

Sistema de regulación y control, formado por

COMPONENTESdeterminados automatismos para elaprovechamiento máximo de la energía solar.

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Sistema de CaptaciónEstá formado por los captadoressolares homologados encargadossolares homologados, encargadosde transformar la radiación solarincidente en energía térmica de unfluido de trabajo. Rendimientomínimo 40%. Conexión en serie oparalelo según zonas climáticas.

COMPONENTES

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Sistema de Captación

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Sistema de CaptaciónExisten distintos tipos de paneles solares, con diferentes rendimientos.

COMPONENTES

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Sistema de Captación

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Sistema de CaptaciónLos captadores se pueden conectar en serie o paralelo, según como se disponga laconexión entre ellos;

C ó C óConexión en serie Conexión en paralelo

La conexión en seriepermite un salto térmicomayor, pero su caudal yrendimiento es menor.

La conexión en paralelopermite un salto térmicomenor, pero su caudal yrendimiento es mayor.

COMPONENTES

rendimiento es menor. rendimiento es mayor.

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Sistema de Captación

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Sistema de CaptaciónEl montaje de los paneles se realiza mediante los siguientes medios;

IntegraciónIntegración

Caso GeneralSuperposición Caso General

En el montaje general, el bastidor se compone de dostriángulos de soporte con el ángulo adecuado, y dos tirantes

COMPONENTESque arriostran la estructura..

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Sistema de Acumulación

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Sistema de AcumulaciónFormado por uno o varios depósitos, recubiertos de material aislante, quealmacenan el agua caliente hasta que se precisa su uso. Existen dos tipos esencialesde acumulador de paneles solares; directos e indirectosde acumulador de paneles solares; directos e indirectos

Los depósitos directos tienenun alto rendimiento, dado quefiltra el agua de los panelesdirectamente a consumo. Sin

Los acumuladores indirectostienen peor rendimiento, pero lainstalación se deteriora menosal no mezclar los circuitos

COMPONENTES

directamente a consumo. Sinembargo, su deterioro esmayor.

al no mezclar los circuitosprimario y secundario.

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Sistema de Acumulación

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Sistema de AcumulaciónEn la actualidad, se utilizan frecuentemente los depósitos de acumulación indirectode tipo serpentín:

Los acumuladores indirectos con serpentín son los más habituales en lasinstalaciones de paneles solares. El circuito primario pasa en forma de

COMPONENTESserpentín por el acumulador, donde se produce la transmisión de calor alagua del circuito secundario.

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Sistema de Acumulación

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Sistema de Acumulación

Los acumuladores indirectos con doble serpentín permiten un segundoserpentín para una fuente de apoyo para el calentamiento del agua fría.

COMPONENTES

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Sistema de AcumulaciónSistema de AcumulaciónEn líneas generales existen dos tipos deinstalación según la disposición de losacumuladores;acumuladores;

Instalación CentralizadaConsiste en un único acumulador ubicadoConsiste en un único acumulador, ubicadohabitualmente en planta cubierta o plantasótano, donde hace el intercambio decalor el circuito primario Desde dichocalor el circuito primario. Desde dichoacumulador, todas las viviendas calientanel circuito secundario.

VentajasNo es necesario tener instalado un acumulador porvivienda.

InconvenientesExisten gran cantidad de conducciones, las pérdidas decalor en los circuitos es considerable.

COMPONENTES

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Sistema de AcumulaciónSistema de AcumulaciónEn líneas generales existen dos tipos deinstalación según la disposición de losacumuladores;acumuladores;

Instalación IndividualConsiste en un acumulador por viviendaConsiste en un acumulador por vivienda,por donde pasa el circuito primario,realizando el intercambio de calor encada una de ellascada una de ellas.

VentajasLas pérdidas de calor son menores, y elaprovechamiento de la instalación es mejor.

InconvenientesDebe disponerse un acumulador en cada vivienda, enocasiones de más de 200l.

COMPONENTES

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Sistema Hidráulico

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Sistema HidráulicoEl sistema hidráulico estáformado por circuitos decaptación (primario) y decaptación (primario) y deconsumo (secundario)independientes, constituido portuberías, válvulas, bombas,u s, u s, o s,vasos de expansión, etc, que seencarga de establecer elmovimiento del fluido caliente.

COMPONENTES

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Sistema Hidráulico

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Sistema HidráulicoLas condiciones de diseño segúnel CTE para el trazado delsistema hidráulico son las quesistema hidráulico son las quesiguen:

Los circuitos primario y secundario debenser independientesser independientes.

Cuando la superficie de captación seasuperior a 10m2, se dispondrá circulaciónforzada (con bomba)forzada (con bomba).

No se podrá usar acero galvanizado entemperaturas superiores a 60º.

No deberían sobrepasarse los 60º detemperatura, para evitar quemaduras,sobretodo en aguas con sales de calcio.

COMPONENTES

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Sistema Hidráulico

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Sistema Hidráulico

El circuito primario debe estar equilibrado, esto significa que elrecorrido del mismo debe estar exento de sobrepresiones, y el caudal yla temperatura del circuito deben acometer de forma uniforme a cadaacumulador.

Para ello, el circuito primario debe disponerse de forma indirecta,o, c cu o o s o s o c ,permitiendo una entrada de flujo de igual caudal y temperatura a todoslos acumuladores.

áEl caudal del fluido portador se determinará de acuerdo con lasespecificaciones del fabricante como consecuencia del diseño de suproducto. En su defecto su valor estará comprendido entre 1,2l/s y 2l/s por cada 100 m² de red de captadores.

COMPONENTES

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Sistema Hidráulico

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Sistema Hidráulico

Los materiales del circuito primario podránser acero inoxidable o cobre, utilizandouniones roscadas y protección exteriorcon pintura anticorrosiva, aisladas segúnRITE.

EEn el circuito secundario o de servicio deagua caliente sanitaria, podrá utilizarsecobre y acero inoxidable. Podrán utilizarsemateriales plásticos que soporten latemperatura máxima del circuito y que letemperatura máxima del circuito y que lesean de aplicación y esté autorizada suutilización por las compañías de suministrode agua potable.

COMPONENTES

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Sistema Hidráulico

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Sistema Hidráulico

En instalaciones superiores a 50 m² semontarán dos bombas idénticas en paralelo,dejando una de reserva, tanto en elcircuito primario como en el secundario.

La potencia eléctrica de la bomba delcircuito primario se define por la siguientetabla:

COMPONENTES

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Sistema de Intercambio de Calor

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Sistema de Intercambio de CalorEl intercambio de calor se produce habitualmente en el acumulador de panelessolares. Este sistema realiza la transferencia de calor entre el circuito primario yel secundario evitando la mezcla de los fluidos de ambos circuitosel secundario, evitando la mezcla de los fluidos de ambos circuitos.

La manera en la que se producela transmisión de calor delcircuito primario al secundarioes habitualmente en forma deserpentín.

COMPONENTES

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Sistema de Intercambio de Calor

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Sistema de Intercambio de CalorTambién existen otros sistemas de intercambio de calor, como el sistema de placas:

Los intercambiadores de placasLos intercambiadores de placasconsisten en un conjunto de placaspreformadas con unos canales endisposición paralela por dondecirculan los fluidos. Estas placasestán montadas sobre un bastidor deacero y dos placas de acerosujetadas por espárragos de aprieteque compactan las placas. Cada placadispone de 4 bocas por dondecirculan los fluidos en paralelomientras que un fluido es conducidopor las placas pares y el otro porlas impares consiguiendo así elnecesario intercambio de calor entreambos.

COMPONENTES

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Sistema de Regulación y Control

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Sistema de Regulación y ControlEl sistema de regulación y control está formado por determinados automatismospara el aprovechamiento máximo de la energía solar así como para evitar situacionesde riesgo para la instalaciónde riesgo para la instalación.

Habitualmente, un regulador recibe el agua calientedel circuito secundario, y en función de latemperatura del circuito el regulador enciende otemperatura del circuito el regulador enciende oajusta el sistema auxiliar de agua caliente.

El regulador también ajusta la temperatura límite delcircuito, y evita el congelamiento del fluido.,

COMPONENTES

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Equipo auxiliar

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Equipo auxiliarAdicionalmente, se dispone de un equipo deenergía convencional auxiliar que se utilizapara complementar la contribución solarpara complementar la contribución solarsuministrando la energía necesaria paracubrir la demanda prevista, garantizando lacontinuidad del suministro de agua caliente enco u su s o gu clos casos de escasa radiación solar odemanda superior al previsto.

Como se observa en el gráfico adjunto, semuestran las combinaciones de aporte deenergía por paneles solares y equipo auxiliar;energía por paneles solares y equipo auxiliar;

1) Energía todo solar2) Energía solar + auxiliar3) Energía todo auxiliar

COMPONENTES

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Dimensionado de la Instalación

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Dimensionado de la InstalaciónA continuación se presentan los criterios de dimensionado de la instalación depaneles solares.

Cálculo de la demandaPara valorar las demandas se tomarán los valores unitarios que aparecen en lasiguiente tabla (Demanda de referencia a 60 ºC)siguiente tabla (Demanda de referencia a 60 C).

DIMENSIONADO

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Cálculo de la demanda

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Cálculo de la demandaPara el caso de que se elija una temperatura en el acumulador final diferente de60ºC, se deberá alcanzar la contribución solar mínima correspondiente a la demandaobtenida con las demandas de referencia a 60 ºC No obstante la demanda aobtenida con las demandas de referencia a 60 C. No obstante, la demanda aconsiderar a efectos de cálculo, según la temperatura elegida, será la que seobtenga a partir de la siguiente expresión:

DIMENSIONADO

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Cálculo de la demanda

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Cálculo de la demandaEn el uso residencial vivienda el cálculo del número de personas por viviendadeberá hacerse utilizando como valores mínimos los que se relacionan acontinuación:continuación:

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Cálculo de la demanda

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Cálculo de la demandaDe este modo, es sencillo obtener la demanda total de agua caliente sanitaria anualde un edificio cualquiera.

EjemploEdificio de 12 viviendas3 dormitorios por viviendaTemperatura de consumo 60º

SoluciónSegún la tabla anterior, a viviendas de 3 dormitorios le corresponden 4 personas:

Si hay 12 viviendas, son un total de 48 personas.

Para viviendas plurifamiliares, le corresponden 22 l/día y persona. Esto equivale a:

48 x 22 x 365 = 385440lDIMENSIONADO

48 x 22 x 365 = 385440l.

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Demanda requerida

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Demanda requeridaA partir del mapa de radiación solar, y conociendo la demanda de agua anual, sedetermina rápidamente la contribución solar mínima:

íHabitualmente del 70% en Andalucía.

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Dimensionado de Captadores

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Dimensionado de CaptadoresEn la memoria del proyecto se establecerá el método de cálculo, especificando, almenos en base mensual, los valores medios diarios de la demanda de energía y de lacontribución solar Asimismo el método de cálculo incluirá las prestacionescontribución solar. Asimismo el método de cálculo incluirá las prestacionesglobales anuales definidas por:

a) la demanda de energía térmica;) g c ;b) la energía solar térmica aportada;c) las fracciones solares mensuales y anual;d) el rendimiento medio anual.

Habitualmente se utilizan los métodos F chart oHabitualmente, se utilizan los métodos F-chart oCensolar, aunque el CTE da libertad para elegircualquiera de ellos.

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Dimensionado de Captadores

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Dimensionado de CaptadoresExisten numerosas herramientas para el cálculo de captadores, entre las que seencuentran dos hojas de cálculo:

HSOLGAS es una hoja gratuita de Gas Natural quepermite el cálculo de captadores a través delmétodo F-Chart.

Actualmente, el CAT de Cádiz está desarrollando unahoja de Excel muy completa de cálculo de paneles,que incluye el método F-Chart y Censolar.

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Rendimiento de Captadores

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Rendimiento de CaptadoresLa incorrecta orientación o inclinación de los captadores pueden producir pérdidasen el rendimiento de los captadores.

En la tabla 3.3 se observan laspérdidas para una latitud de 41º.Determinando el ángulo deinclinación (beta) en la curvaconcéntrica y el ángulo deacimut (alfa) en el radio, seobtiene un punto que determinalas pérdidas por orientación einclinación.

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Rendimiento de Captadores

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Rendimiento de CaptadoresLas sombras también puedenarrojarse sobre loscaptadores provocando uncaptadores, provocando unmenor rendimiento de éstos.

En la figura 3.4 se dibuja, según acimut yelevación la silueta de las distintaselevación, la silueta de las distintasedificaciones que arrojan sombra sobrelos captadores.

óLas tablas incluidas en esta Sección serefieren a distintas superficiescaracterizadas por susángulos de inclinación y orientación (β y α,

) D érespectivamente). Debe escogerse aquéllaque resulte más parecida a la superficieen estudio. Los números que figuran encada casilla se corresponden con elporcentaje de irradiación solar globalporcentaje de irradiación solar globalanual que se perdería si la porcióncorrespondiente resultase interceptadapor un obstáculo.

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Rendimiento de Captadores

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Rendimiento de CaptadoresPara disponer las líneas de captadores, se deja una distancia (d) que depende de lasiguiente fórmula:

D=K·H

Habitualmente, las distanciasentre captadores suponen entre2 y 3 metros de separación.

Normalmente, los captadores enácubierta ocupan más por las

distancias de separación que porla superficie de los captadores.

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Volumen del Acumulador

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Volumen del AcumuladorEl sistema solar se debe concebir en función de la energía que aporta a lo largodel día y no en función de la potencia del generador (captadores solares), por tantose debe prever una acumulación acorde con la demanda al no ser ésta simultánease debe prever una acumulación acorde con la demanda al no ser ésta simultáneacon la generación.

Para la aplicación de ACS, el área total de los captadores tendrá un valor tal quese cumpla la condición:

siendoáA la suma de las áreas de los captadores [m²];

V el volumen del depósito de acumulación solar [litros].

Al menos, el volumen del acumulador debería cubrir lademanda total de agua caliente de un día.

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Sistema de intercambio de calor

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Sistema de intercambio de calorEl sistema de intercambio puede resolverse mediante intercambiadores independienteso incorporados al acumulador:

En intercambiadores incorporadosal acumulador se estima:

S/A > 0 15

En intercambiadores independientesse calcula:

P > 500·AS/A > 0,15

SiendoS: superficie de intercambiador (m2)A: área de captadores (m2)

P > 500 A

SiendoP: potencia del intercambiador (w)A: área de captadores (m2)

DIMENSIONADO

A: área de captadores (m2) A: área de captadores (m2)

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Muchas Gracias por su atención

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Ignacio Javier Acosta García - arquitecto Septiembre 2008