INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA PARA ACS EN HOSPITAL.pdf

7/22/2019 INSTALACIN SOLAR TRMICA PARA ACS EN HOSPITAL.pdf

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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

INSTALACIN SOLAR TRMICAPARA ACS EN HOSPITAL DE

ARGANDA DEL REY

JAVIER GALN PEA

MADRID, Junio de 2006


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Autorizada la entrega del proyecto al alumno:

Javier Galn Pea

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Pablo Filgueria Purrios

Fdo: Fecha:

V B del Coordinador de Proyectos

Jos Ignacio Linares Hurtado

Fdo: Fecha:


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INSTALACIN SOLAR TRMICA PARA ACS EN HOSPITAL

DE ARGANDA DEL REY

Autor: Galn Pea, Javier.

Director: Purrios Filgueira, Pablo.

Entidad Colaboradora: Inventa.

RESUMEN DEL PROYECTO

El proyecto consiste en el diseo y propuesta de una instalacin solar trmica para

produccin de agua caliente sanitaria (ACS) en el Hospital del Sureste de nueva

construccin, sito en la localidad de Arganda del Rey.

Se han estudiado las necesidades trmicas de ACS en atencin a las caractersticas

constructivas y funcionales del edificio.

Conocida la demanda energtica esperada, se han analizado los datos climatolgicos y

de temperatura de red de agua fra propios del emplazamiento.

Con ello se ha llevado a cabo un estudio energtico mediante los dos mtodos de

clculo de uso ms extendido, recomendados por entidades de reconocido prestigio

(Curvas F, Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa; procedimiento

propuesto por el Centro de Estudios de la Energa Solar), atendiendo la diferencia entre

las peculiaridades de cada uno de ellos, particularizados para esta instalacin.

Con los resultados arrojados por esta evaluacin energtica se ha propuesto un campo

de captacin compuesto por colectores de placa plana. El modelo de captador ha sido

seleccionado como resultado de un estudio de las propuestas de fabricantes nacionales e

internacionales, atendiendo a los parmetros fundamentales que definen al elemento

colector. Se han estudiado asimismo la interconexin, inclinacin y orientacin ptima

de la superficie de captacin. Las conclusiones de este estudio se presentan a modo de

documento anexo.

De la definicin del campo de captacin se han diseado los distintos subsistemas que

componen la instalacin: almacenamiento (volumen y temperatura ptima de

acumulacin), transferencia trmica (intercambiador de placas externo, fluido calor

portante), trazado hidrulico (diseo de por s equilibrado, control de prdidas de carga

y niveles de ruido), regulacin y control, y sistema auxiliar o convencional. Para este

ltimo, no siendo objeto de este proyecto, se establecen recomendaciones para la

perfecta integracin con la instalacin propuesta.


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Se detallan los mecanismos de accin preventiva frente a efectos perjudiciales para la

instalacin, tales como riesgos de heladas o sobrecalentamientos, as como frente a

efectos perjudiciales para los usuarios, como riesgos de aparicin de brotes de la

bacteria de la Legionella. Las medidas tomadas para el control de estos ltimos

repercuten de forma negativa en la viabilidad de estas instalaciones. Se ha considerado

el impacto energtico de estas medidas, necesarias en cualquier caso.

En el correcto funcionamiento de la instalacin juega un papel fundamental el

subsistema de regulacin. En este sentido, el proyecto propone dos posibles sistemas de

regulacin (regulacin personalizada mediante autmata programable, regulacin con

dispositivos comerciales estndar), evaluando su repercusin econmica, y las

caractersticas diferenciales de cada uno.

Se ha realizado un estudio del beneficio medioambiental que supone la instalacin

proyectada, indicando el ahorro energtico para el usuario, y las toneladas equivalentes

de dixido de carbono evitadas.

El proyecto contiene un estudio bsico de seguridad y salud, con las prescripciones y

recomendaciones para la correcta ejecucin de las obras necesarias.

La viabilidad tcnica del presente proyecto se ha cuidado en la definicin de cada

componente individual, y en la integracin del conjunto, con lo que dicha viabilidad

queda garantizada.

Se ha prestado especial atencin a la durabilidad de los componentes, y de la instalacin

completa, toda vez que la vida til del sistema es una variable fundamental para la

idoneidad econmica del proyecto. A tales efectos se ha estudiado un amplio abanico de

fabricantes, suministradores y productos, presupuestando el proyecto finalmente con los

ms indicados en cada caso.

La viabilidad econmica del proyecto se ha justificado mediante el pertinente estudio de

indicadores econmicos como la tasa de rentabilidad o el perodo de retorno de la

inversin, planteando distintas posibilidades en atencin a dos opciones tcnicas y

varios escenarios econmicos verosmiles.


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THERMAL SOLAR SYSTEM FOR THE ARGANDA DEL REY

(MADRID) HOSPITAL

The project consists of the design and proposal of a Thermal solar system for the

production of Domestic Hot Water (DHW) for the new Hospital in Arganda del Rey

(Madrid).

Firstly, it has been analysed the DHW thermal needs, being taken into account the assets

of the utility.

Once known the expected energy demand, climate data and the cold water circuit

temperature have been analysed.

With these statistics, an energy study has been carried out by using most known

calculation methods, which are recommended by prestigious Spanish institutions likethe Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa (Institution for the Energy

Diversification and Saving) ; or the Centro de Estudios de la Energa Solar (Solar

Energy Studies Centre), analysing the differences among them.

These data have been employed to design the optimal solar absorption surface, which is

formed by flat panel collectors. The type of collector has been selected as a result of a

study of both national and international market products, considering the most important

defining parameters for it.

Interconnections, lean and optimal position of the collector surface have been studied in

order to achieve the optimal performance of the system.

Once the collector surface has been set, the project contains the definition of the

subsystems which form the system: water storage, thermal transference, hydraulics

design, control and regulation system and auxiliary or conventional system. For this last

system, as not being part of this project, recommendations for the perfect integration in

the system object of study are set.

Preventive action mechanisms against dangerous effects for the system (over heating,

very low temperatures) or for the users (Legionelosis) are detailed.

For the correct operation of the system, it is very important the role of the regulation

subsystem. To that effect, the project suggests two possible regulation systems,

evaluating its economical impact and the different characteristics of each one.

A study about the environmental profits of the system has been carried out, showing the

benefits for the users, and the CO2saved.


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It has been taken care over the Project technical viability with regard to each individual

component and to the integration on the whole; being this viability guaranteed in this

way.

The Project economical viability has been justified by means of the appropriate study of

economical indicators such as the rate of return or the investment period of return.

Several economical scenarios have been considered in order to cover a wide range of

real possibilities.


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1MEMORIA


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viii

MEMORIA DESCRIPTIVA ............................................................................2

CLCULOS.......................................................................................................146

ESTUDIO ECONMICO ................................................................................165

ESTUDIO AMBIENTAL..................................................................................182

ESTUDIO BSICO DE SEGURIDAD Y SALUD .........................................188


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ndice ix

ndice

1 MEMORIA DESCRIPTIVA.............................................................................................................. 2

1.1 Descripcin General del Proyecto.................................................................... 2

1.1.1 Objeto del Proyecto 3

1.1.2 Destino de la Instalacin 4

1.1.3 Motivacin del proyecto 5

1.2 Introduccin a la tecnologa..............................................................................6

1.2.1 Consideraciones iniciales sobre la tecnologa solar. 7

1.2.2 Estado Actual del Arte y su Mercado 12

1.2.3 Otras consideraciones 14

1.3 Normativa y documentacin .......................................................................... 15

1.3.1 Criterios de buenas prcticas 15

1.4 Principios de diseo .........................................................................................16

1.5 Memoria Tcnica .............................................................................................. 18

1.5.1 Datos de partida 18

1.5.2 Caractersticas Constructivas del hospital 21

1.5.2.1 Instalaciones.................................................................................................................21

1.5.2.2 Sala de mquinas.........................................................................................................23

1.5.2.3 Altura entre plantas ....................................................................................................23

1.5.2.4 Edificios adyacentes....................................................................................................23

1.5.3 Hoja de carga: necesidades energticas 24

1.5.3.1 Caracterizacin de la demanda .................................................................................24

1.5.4 Estudio energtico de la instalacin 29

1.5.5 Descripcin de la Instalacin Solar 36

1.5.5.1 Subconjunto de Captacin .........................................................................................36

1.5.5.2 Subconjunto de Almacenamiento .............................................................................62

1.5.5.3 Subconjunto de Termotransferencia.........................................................................78


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ndice x

1.5.5.4 Subconjunto de Regulacin y Control ....................................................................105

1.5.5.5 Subconjunto de Apoyo .............................................................................................119

1.5.5.6 Medidas de prevencin de la Legionella ...............................................................123

1.5.5.7 Circuito Hidrulico...................................................................................................130

1.5.5.8 Otros componentes del sistema...............................................................................131

1.6 Cuadro Resumen de la Instalacin ..............................................................134

1.7 Resumen del presupuesto .............................................................................135

1.8 Conclusiones ...................................................................................................136

1.8.1 Mtodo de clculo 136

1.8.2 Propuesta tcnica 136

1.9 Bibliografa ......................................................................................................137

1.10Referencias Web ............................................................................................. 140

2 CLCULOS ...................................................... ................................................................ ............... 146

2.1 Introduccin ....................................................................................................146

2.2 Evaluacin de la carga de consumo.............................................................146

2.3 Mtodo de Clculo Recomendado por el CENSOLAR ............................ 147

2.3.1 Intensidad til y rendimiento del colector 148

2.3.2 Clculo del rendimiento del colector 148

2.3.3 Aportacin solar por m2 149

2.3.4 Energa Disponible por m2 superficie colectora 150

2.3.5 Superficie Colectora 150

2.4 Mtodo de Clculo Recomendado por el IDAE.........................................151

2.5 Dimensionado Elementos .............................................................................156

2.7 Correccin consumo unitario por temperatura .........................................157

2.8 Clculos de tuberas y prdidas de carga ................................................... 158

2.9 Caudales ..........................................................................................................161

2.10Volumen del Primario ...................................................................................162


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ndice xi

2.11Vaso de Expansin ......................................................................................... 162

3 ESTUDIO ECONMICO .............................................................. ............................................... 165

3.1 Introduccin ....................................................................................................165

3.2 Consideraciones previas................................................................................166

3.3 Indicadores econmicos empleados ............................................................166

3.4 Mtodo de clculo econmico ...................................................................... 167

3.4.1 Expresiones de clculo 168

3.4.2 Valoracin de los parmetros econmicos 170

3.4.2.1 Coste inicial de la inversin .....................................................................................170

3.4.2.2 Ahorro de combustible el primer ao ....................................................................173

3.4.2.3 Costes de operacin y mantenimiento ...................................................................174

3.4.2.4 Crecimiento esperado del precio del gas natural ..................................................174

3.4.2.5 Tasa de inflacin........................................................................................................176

3.4.2.6 Inversin alternativa.................................................................................................177

3.5 Resultados .......................................................................................................178

3.6 Conclusiones del estudio econmico:..........................................................179

4 ESTUDIO AMBIENTAL ................................................................ ............................................... 182

5 ESTUDIO BSICO DE SEGURIDAD Y SALUD ............................................................... ..... 188

5.1 Introduccin ....................................................................................................188

5.2 Objetivo del Estudio Bsico de Seguridad y Salud ...................................190

5.3 Consideracin General de Riesgos ..............................................................191

5.4 Consideracin General de Riesgos ..............................................................192

5.4.1 Tipos de riesgos 192

5.4.2 Medidas preventivas en la organizacin del trabajo 199

5.4.3 Protecciones colectivas 201

5.4.4 Protecciones personales 202

5.5 Anlisis y Prevencin de los Riesgos en los Medios y en las Mquinas 203


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ndice xii

5.6 Anlisis y Prevencin de Riesgos Catastrficos.........................................205

5.7 Clculo de los Medios de Seguridad ...........................................................206

5.8 Medicina Preventiva y Primeros Auxilios .................................................. 207

5.9 Descripcin Particular de los Riesgos de la Obra ......................................208

A SOFTWARE ...................................................... ................................................................ ............... 212

A.1MICROSOFT EXCEL 2003 ............................................................................ 212

A.2MICROSOFT WORD 2003 ............................................................................ 212

A.3AUTOCAD 2002 ............................................................................................. 212

A.4CATIA V5 R15 ................................................................................................ 212

A.5CENSOL 5.0.....................................................................................................212

B TABLAS Y DATOS EMPLEADOS ........................................................ ..................................... 214

C OPTIMIZACIN DEL SUBCONJUNTO DE CAPTACIN ................................................. 218

C.1Introduccin ....................................................................................................218

C.2Tipo de Captador............................................................................................ 218

C.3Estudio del producto en el mercado actual ................................................ 219

C.4Inclinacin de captadores..............................................................................225

C.5Nmero de captadores ..................................................................................226

D CATLOGOS............................................................. ............................................................... ..... 231

D.1.1 Captadores 231

D.1.2 Acumuladores 236

D.1.3 Intercambiador 238

D.1.4 Vasos expansin 239

D.1.5 Fluido caloportador: 240

D.1.6 Bombas Primario 248

D.1.7 Bombas Secundario 249


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ndice xiii

D.1.8 Aerotermos 250

E TERMINOLOGA ................................................................ .......................................................... 252

E.1 Introduccin. ...................................................................................................252

E.2 Trminos ..........................................................................................................252


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1.1Memoria Descriptiva


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1 Memoria Descriptiva 2

1 Memoria Descriptiva

En este documento se exponen el objeto del proyecto, motivacin y

contexto, ubicacin y otros aspectos generales del mismo.

Por otro lado, se ponen de manifiesto los aspectos ms relevantes de la

tecnologa empleada y el estado actual del arte.

La parte principal del documento consiste en el anlisis de los datos de

partida, y la exposicin y justificacin de las soluciones adoptadas.

1.1 Descripcin General del Proyecto

El proyecto consiste en el diseo de un sistema trmico para produccin

de agua caliente sanitaria (ACS) mediante energa solar, en el futuro Hospital

pblico de la Comunidad de Madrid, situado en la localidad de Arganda del

Rey.

El sistema de produccin propuesto emplear tecnologa solar trmica de

baja temperatura. No obstante, en previsin de la carencia de aporte solar en

los meses de menor radiacin se dotar a la instalacin de un sistema de

aporte auxiliar, empleando el gas natural como combustible.


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1.1.1 Objeto del Proyecto

Mediante la ejecucin del presente proyecto se pretende especificar el

conjunto de elementos que componen el sistema de produccin trmica, as

como su interaccin como partes integrantes del circuito hidrulico a definir.

Se persigue la definicin de la instalacin de manera que se alcance un

diseo fiable y econmicamente viable, siempre en atencin al marco legal

existente en el momento de la realizacin de este documento, y en previsin

de cambios en un futuro prximo.

Los criterios considerados, por orden de prioridad, son los siguientes:

- Seguridad ya que la instalacin tratar con agua potable de consumohumano, y que el rango de temperaturas de estas instalaciones hace que sea

necesario un especial cuidado para la prevencin de la bacteria de la

Legionella.

- ptimo rendimiento y mximas prestaciones (rendimiento en

captadores, mnimas prdidas de calor, sistema de control adecuado)

- Mxima rentabilidad econmica de la inversin atendiendo a las

restricciones en este sentido que impone la normativa vigente.

- Ventaja ambiental.

- Correcta integracin arquitectnica


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1.1.2 Destino de la Instalacin

La motivacin inicial al proyecto y el contexto en que surge su necesidad

se especifican en este apartado:

La instalacin trmica objeto de este proyecto tiene como finalidad el

abastecimiento de ACS al Hospital del Sureste, sito en la localidad de

Arganda del Rey, provincia de Madrid.

El proyecto es promovido por el SESCAM, y el cliente al que se destina la

instalacin, la Concesionaria Hospital del Sureste, S.A.

Dicho hospital es uno de los ocho nuevos hospitales que el Gobierno de la

Comunidad de Madrid ha programado construir en los prximos meses,ante la creciente demanda de servicios sanitarios en esta Comunidad

Autnoma.

El hospital, y la instalacin objeto del presente proyecto en consecuencia,

estar ubicado en la localidad de Arganda del Rey (Madrid), en el polgono

49, parcela 86.

Sirva como referencia espacial el plano de la localidad representado en la

siguiente figura, en el que la que la orientacin Norte Sur coincide con la

direccin ascendente de lectura. La ubicacin se seala mediante el un

cuadrado. Para una referencia ms precisa consultar planos.


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1.1.3 Motivacin del proyecto

El contexto Regulatorio actual, desde sus distintos niveles y mbitos, es

absolutamente favorable al desarrollo de sistemas que empleen la tecnologa

ST BT.

La aplicacin a grandes instalaciones, en particular de carcter pblico

contribuyen, adems, a este fin.

Las caractersticas del emplazamiento, la construccin y el tipo de

consumo son ptimas para la implantacin de un sistema de produccin

solar de ACS.

Figura 1 Localizacin en Arganda


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1.2 Introduccin a la tecnologa

Como se ha comentado anteriormente, la fuente energtica principal del

sistema ser la radiacin solar, y la tecnologa empleada para su captacin y

uso ser la solar trmica.

En concreto, dado el rango de temperaturas que se requiere en sistemas de

produccin de ACS, se emplear la tecnologa denominada de baja

temperatura (en lo sucesivo ST BT), de la que se describe en el apartado

siguiente el sustrato fsico bsico.

La produccin de ACS es la aplicacin prctica de la energa solar que

mejor se adapta a las caractersticas de la misma teniendo en cuenta, por un

lado, el rango de temperaturas que requiere la aplicacin (en torno a los 50),

idneo para alcanzar una alta eficacia de captacin.

Por otro lado, las necesidades de ACS en la edificacin han de ser

satisfechas a lo largo de todo el ao, lo que favorece la rentabilidad de la

inversin en contraposicin a lo que ocurre en sistemas de uso estacionalcomo. calefaccin en invierno o calentamiento de piscinas en verano.


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1.2.1 Consideraciones iniciales sobre la tecnologa solar.

El Sol es una fuente inagotable de recursos para la humanidad. Toda

energa empleada por el hombre proviene de manera ms o menos directa de

la radiacin solar.

De hecho, en la actualidad, la investigacin energtica tiende en algunas

lneas de trabajo a conseguir imitar los procesos qumico-fsicos que se

originan en el ncleo solar (fisin nuclear).

La radiacin solar supone una fuente de energa limpia, abundante y

disponible en la mayor parte de la superficie terrestre. Su utilizacin directa

puede ser, por tanto puede ser una solucin a los problemas ambientales

generados por los combustibles convencionales como el petrleo, u otras

alternativas como las energa nuclear, carente de emisiones de gases de efecto

invernadero (GEIs), pero con ciertos problemas relacionados con la

seguridad, la gestin de los residuos, y la disponibilidad futura del

combustible.

El Sol (esfera de gases a alta temperatura con 1,39109m de dimetro y a

una distancia media de 1,51011m de la Tierra) genera su energa mediante

reacciones nucleares de fusin (dos tomos de hidrgeno que producen

helio, por ejemplo) llevadas a cabo en su ncleo. Por tanto, la prdida de


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masa del Sol es lo que se convierte en energa segn la ecuacin E = mc2

enunciada por Einstein.

En el ncleo solar la temperatura es del orden de

107 K y la densidad de 105 kg/m3. En la fotosfera

(superficie opaca aparente del Sol) la temperatura cae

hasta 5000 o 6000 K y la densidad a 10-5kg/m3.

La combinacin de tres factores: la distancia

Tierra-Sol, el dimetro solar y la temperatura del Sol

determinan un flujo de energa que incide sobre la Tierra. Se puede

considerar, para su aplicacin al campo de la ingeniera, que la emisin de

energa es constante (el recurso energtico est ms sujeto a cambios

meteorolgicos que solares).

Esto da lugar a la definicin de constante solar (flujo de energa

proveniente del Sol que incide sobre una superficie perpendicular a la

direccin de propagacin de la radiacin solar ubicado a la distancia media

de la Tierra al Sol, fuera de la atmsfera) cuyo valor terico aceptado por la

NASA (National Aeronautics Space Administration) y la ASTM (American

Society for Testing Materials) es de:

Gsc= 1353 W/m2

Figura 2 Sol


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La radiacin solar tiene carcter espectral (desde los rayos gamma hasta

las ondas de radio del espectro electromagntico) sin embargo, slo es vlida

para esta tecnologa la radiacin trmica que incluye la radiacin ultravioleta,

la visible y la infrarroja.

Para alcanzar la superficie terrestre la radiacin solar debe atravesar la

atmsfera donde experimenta diversos fenmenos fsicos (reflexin,

absorcin y difusin) que disminuyen la intensidad final. As pues, la

radiacin solar que recibe una superficie horizontal es del orden de 1000

W/m2al medioda, variando segn la latitud del lugar, nubosidad, humedad

y otros factores.

La radiacin que llega directamente del Sol es la denominada radiacin

directa y la que previamente es absorbida y difundida por la atmsfera (muy

Figura 3 Carcter espectral de la radiacin solar


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significativa en das nublados por ejemplo) es la radiacin difusa. Adems, la

radiacin solar, tanto directa como difusa, se refleja en todas las superficies

en las que incide dando lugar a la radiacin reflejada. La suma de estos tres

tipos da lugar a la radiacin solar global y es la aprovechable para su

transformacin trmica.

La captacin trmica de la energa solar es el procedimiento de

transformacin de la energa radiante del Sol en calor. Los principios fsicos

que permiten esta transformacin son el llamado efecto invernadero, y los

procesos de transmisin del calor.

El efecto invernadero consistente en la capacidad de absorcin de la

radiacin incidente, por parte de la cubierta del captador, y la retencin de la

radiacin que emite el absorbedor una vez que alcanza cierta temperatura.

Este hecho se fundamenta en la diferencia de longitudes de onda entre la

radiacin incidente: en su mayora absorbida, y la reflejada desde el interior,

en su mayora reflejada hacia el interior de nuevo.

Figura 4 Efecto Invernader en el Captador


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El proyecto emplea aplicaciones de la energa solar a baja temperatura, as

llamadas cuando la energa captada se utiliza para generar temperaturas

inferiores al punto de ebullicin del fluido de trabajo, y generalmente

menores de 90 C.

Los problemas tcnicos que se plantean para el aprovechamiento de la

energa solar son la gran dispersin de la energa solar sobre la superficie de

la tierra y el carcter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de

radiacin solar.

En invierno, que es generalmente cuando ms se necesita, dicha radiacin

es menor con lo que la disponibilidad no coincide con la demanda. Por ello

es necesario un sistema de almacenamiento y contar con el apoyo de sistemas

de respaldo o fuentes suplementarias de energa.

Para descripcin detallada de los parmetros y clculos necesarios para la

evaluacin solar consultar Clculos.


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1.2.2 Estado Actual del Arte y su Mercado

Acorde con el desarrollo de los sistemas de confort y el uso generalizado

de la calefaccin y el agua caliente sanitaria (ACS), desde principios de los

aos ochenta la energa solar trmica ha venido siendo aprovechada de

forma activa en Espaa, mediante el empleo de captadores solares trmicos.

Los comienzos no fueron fciles, pues la ejecucin de instalaciones, en

muchos casos desafortunadas, provoc una corriente de insatisfaccin que

mantuvo en una situacin muy complicada al sector durante una dcada. En

la segunda mitad de los noventa este mercado empez a despuntar,

contando, actualmente con una buena salud y unas muy buenas perspectivas

de futuro.

El informe Sun in Action II, publicado por la Federacin Europea de la

Industria Solar Trmica (ESTIF), pone de manifiesto las grandes

posibilidades de crecimiento del sector en el viejo continente.

En Espaa, las perspectivas de crecimiento hablan de un 35% decrecimiento anual hasta el ao 2010.

El estado de la capacidad instalada en Espaa frente al resto de Europa es

bajo, del 5% tal y como muestra el grfico de sectores de la Federacin

Europea de Energa Solar Trmica.


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Los nuevos requerimientos de las administraciones pblicas por medio

del nuevo Cdigo Tcnico de la Edificacin y las ordenanzas solares

municipales para la instalacin de sistemas solares trmicos en edificios de

nueva construccin, hacen que se pueda ser optimista en las citadas

previsiones.

Figura 6Comparativa del sector en Europa

Figura 5Comparacin con otras Renovables


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Las nuevas aplicaciones permiten solventar los problemas de desfase entre

captacin y produccin, con las mquinas ya existentes de absorcin.

Una de las principales diferencias de la ST BT frente a otros

aprovechamientos directos de la energa solar es su alto rendimiento, en

torno al 75-80% (en contraposicin al techo mximo terico de los captadores

fotovoltaicos que sita el mximo rendimiento por debajo del 20%)

1.2.3 Otras consideraciones

El proyecto se destina a una instalacin cuya construccin se desarrolla de

manera paralela a la elaboracin del mismo. Por lo tanto la proyeccin del

edificio se llev a cabo de manera previa a la elaboracin de este documento.

Este hecho supone restricciones de actuacin en diversos puntos como la

integracin arquitectnica del sistema de captacin con el edificio o la

distribucin espacial de los equipos.

El estado de las obras del hospital, a la fecha de entrega de este proyecto

se encuentra en un estado avanzado, como muestra la siguiente figura.

Figura 7 Estado de las Obras y Recreacin Recreacin Virtual


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1.3 Normativa y documentacin

Uno de los aspectos metodolgicos en la elaboracin de este proyecto ha

sido el anlisis de las recomendaciones, especificaciones y restricciones

tcnicas que impone la normativa (expuesta en el pliego de condiciones

tcnicas), y proponen organismos vinculados a esta tecnologa energtica, a

travs de documentos que se denominan comnmente Criterios de Buenas

Prcticas.

1.3.1 Criterios de buenas prcticas

Se mencionan en este apartado distintos criterios y recomendaciones

emitidos por varios organismos de mbito estatal, o fabricantes del sector,

referentes a cmo realizar las instalaciones trmicas mediante energa solar,

segn clculos de optimizacin y la experiencia acumulada.

- Pliego de Condiciones Tcnicas de Instalaciones de Baja Temperatura.

Elaborado a travs del convenio para el impulso tecnolgico de la energa

solar entre el IDAE y el INTA. Han participado expertos independientes de

las diferentes comunidades autnomas y se han considerado opiniones de

entidades acreditadas colaboradoras del IDAE y las de CENSOLAR.

- Texto refundido de las especificaciones tcnicas de diseo y montaje de

instalaciones solares trmicas para produccin de agua caliente y las


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modificaciones de aplicacin en el programa PROSOL. SODEAN SA. INTA.

IAER. Junta de Andaluca.

- Criteris de qualitat i disseny, dinstallacions dEnergia Solar per a

Aigua Calenta i Calefacci. APERCA. Institut Catal dEnergia, Generalitat

de Catalunya.

- Manuales Tcnicos de Fabricantes y Distribuidores, como el de Salvador

Escoda.

1.4 Principios de diseo

En lo relativo a la calidad final del diseo, habr de tenerse en cuenta que

resulta tan importante la calidad de los componentes individuales de lainstalacin, como la calidad del diseo en s.

Atendiendo a esto ltimo, se intentar que la instalacin se avenga en todo

momento a lo recomendado por el CENSOLAR, en lo que se ha venido a

llamar Principios bsicos para el ptimo aprovechamiento de la energa solar

trmica. stos se resumen en cuatro normas interdependientes entre s:

I. Captar el mximo posible de energa solar: el cumplimiento de

este criterio obliga, no slo a dimensionar correctamente la

superficie de captacin, ngulo de inclinacin, etc.; sino tambin a

establecer unas pautas de actuacin ptimas del sistema mediante

elementos de regulacin automtica.


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II. Consumir prioritariamente la energa solar: el sistema debe incluir

los elementos necesarios para dar absoluta prioridad a la energa

calorfica que proviene de la fuente gratuita el sol, a efectos de este

proyecto-. El papel activo del sistema de energa auxiliar quedar

reducido a los momentos en que la solar sea insuficiente.

III. Asegurar la correcta complementariedad entre energa solar y

convencional: consecuencia de la anterior; esta tercera norma se

materializa en la prctica en la exigencia de producir la energa de

apoyo en un acumulador independiente del sistema de

acumulacin solar, generalmente bastante ms pequeo que el

principal.

IV. No mezclar agua calentada por distintas fuentes de energa:

principio que, en la realidad, obliga a dotar al sistema de

produccin solar de los mecanismos y elementos de diseo

necesarios para impedir que el agua caliente que provenga del

sistema auxiliar, invada el almacenamiento solar aspectos

relacionados con la recirculacin en el retorno, efectos

termosifnicos no deseados, etc.-


32/320


1.5 Memoria Tcnica

A continuacin se abordan los siguientes puntos: el anlisis necesidades

energticas a satisfacer, la disponibilidad de recurso solar y las posibilidades

tecnolgicas actuales.

As mismo se adoptan las soluciones ptimas como resultado de evaluar el

compromiso entre: calidad fiabilidad-, coste -rentabilidad econmica- y

marco legal.

1.5.1 Datos de partida

El punto de partida en un proyecto de energa solar es siempre el conjunto

de datos climatolgicos, geogrficos y de temperaturas de red propios del

emplazamiento. Tales son:

Arganda del Rey (Madrid). Latitud: 403 Norte. Instalaciones

ubicadas en esta localizacin (zona IV) quedan obligadas por el

CTE a presentar una contribucin solar mnima del 70%.

Figura 8 Mapa de Zonas segn Radiacin


33/320


Clima: existen numerosas bases de datos que ofrecen estadsticas

de los valores medios mensuales, especialmente para las

capitales de provincia. Se ha optado por el empleo de los datos

de CENSOLAR.

Nubosidad: una zona con exceso de nubosidad ve reducida la

radiacin recibida sobre la superficie. Este y otros factores

climatolgicos del emplazamiento se han consultado con el

Excmo. Ayto. de Arganda del Rey.

Altura: hay una diferencia menor de 200 m de altura con

respecto a Madrid (667m). Ello repercute en correcciones a las

estadsticas de la temperatura de red.

Radiacin y temperatura ambiente: datos de las bases de

CENSOLAR. Se han contrastado con otras fuentes nacionales e

internacionales (METEONORM, NASA).

Estadsticas de temperatura de red de agua fra: actualmente seconsideran tres fuentes principales para esta informacin en

Espaa: CENSOLAR, la norma UNE 94002, y el Instituto

Nacional de Estadstica (INE). A efectos de clculo en el presente

proyecto se considerarn las de la norma por ser las ms

recientes.


34/320


Los datos de todas estas fuentes son referidos a las capitales de provincia.

Tanto en temperaturas ambiente y red de distribucin, como en los niveles

de radiacin, se considerarn las propias de la capital, por ser escasa la

variacin.

Para las temperaturas de la red de agua la norma establece unas

correcciones por diferencias de altura con respecto a la capital. A efectos de

clculo global, los resultados de esta correccin, tras ser evaluados, no se

tendrn en cuenta por ser despreciables frente a las temperaturas. (del orden

del 3%). Estas correcciones son, adems, mucho menores que la propia

divergencia entre las fuentes estadsticas mencionadas.

Los datos empleados se adjuntan en el anexo Tablas.

Figura 9 Mapa de Radiacin con base de Datos Meteonorm


35/320


1.5.2 Caractersticas Constructivas del hospital

1.5.2.1 Instalaciones

Para la estimacin del consumo se han tenido en cuenta las siguientes

caractersticas funcionales del edificio:

180 camas

Viviendas y habitaciones para guardias.

Cafetera

Gimnasio

Duchas colectivas


36/320


Las cantidades consideradas se presentan en la tabla del apartado 1.3.5.1.1,

volmenes de consumo.


37/320


1.5.2.2 Sala de mquinas

La sala seleccionada para la ubicacin de acumuladores, calderas y otros

equipos se muestra en la figura anterior. Se sita bajo la zona concretada

para la ubicacin de colectores.

1.5.2.3 Altura entre plantas

La altura entre plantas es de 4 m, con 0.5 m de forjado.

1.5.2.4 Edificios adyacentes

No se prevn construcciones en las inmediaciones del hospital.


38/320


1.5.3 Hoja de carga: necesidades energticas

Este punto resulta de vital importancia para el correcto dimensionado de

la instalacin, puesto que una mala estimacin de las necesidades provocar

con toda seguridad un mal diseo de la instalacin.

Se tratar por tanto de alcanzar el equilibrio idneo entre la mayor

sustitucin de energa convencional posible atendiendo al mismo tiempo a

los indicadores de viabilidad econmica- y el control de la sobreproduccin

en los meses de alta irradiacin, de la que podra derivarse evaporacin del

fluido caloportador en el primario, y daos en algn componente del sistema

a consecuencia del incremento de presin.

1.5.3.1 Caracterizacin de la demanda

El conocimiento de la distribucin temporal del consumo es importante

para el diseo de la instalacin y el dimensionado de equipos.

1.5.3.1.1 Volmenes de consumo

Dado que el edificio destino de la instalacin es de nueva construccin, no

se dispone de informacin estadstica de consumo real en el emplazamiento,

por lo que estimar en funcin de las caractersticas del hospital y datos

proporcionados por el promotor, en atencin a las recomendaciones del CTE

y otros criterios de buenas prcticas consultados.


39/320


La siguiente tabla refleja los valores del consumo de ACS en el hospital. La

demanda tpica en instalaciones hospitalarias est caracterizada

estadsticamente por el CTE, a una temperatura de referencia de 60 C, segn

la siguiente tabla:

Como se explicar en el apartado Subsistema de Almacenamiento, la

acumulacin, y en consecuencia el consumo en nuestro sistema se disear

para ser efectuados a temperaturas cercanas a los 50 C. Esto requiere la

aplicacin de una correccin establecida por el propio cdigo.

Nmero (ud)Consumo (l/ud-da) a

50 Suma (l/da)

Camas 180 70 12600

Duchas Personal 40 19 760

Cafetera (almuerzos) 200 1,3 260

Gimnasio 40 25 1000

Viviendas 2 34 68

Administrativos 15 4 60

Dormitorios Guardias 12 34 408

TOTAL --> 15156


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El origen de los consumos y las cifras de volumen total, quedan reflejados

en la tabla anterior. El tamao relativo de cada uno de estos focos de

consumos se representa en el grfico de sectores siguiente, en el que se

destaca que el bruto del consumo (83%) procede de los litros asignados a

cada cama.

Adems de las cantidades consideradas anteriormente se tendr en cuenta

un 5% de prdidas energticas tpicas, debidas al circuito de retorno del

consumo (concepto que se analizar en detalle posteriormente)

Por simplicidad en los clculos y explicaciones, se ha optado por

repercutir todo el consumo en litros por cama. De este modo, se adoptar

como variable de consumo de ACS, a la temperatura de 50, 88 litros/cama-

da.

Procedencia del Consumo

83%

5%

2%

7%

3%

Camas

Duchas Personal

Cafetera (almuerzos)

Gimnasio

Viviendas

Administrativos

Dormitorios Guardias


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Estos 88 litros/cama-da suponen el consumo unitario, que multiplicado

por las 180 camas que contempla el proyecto suponen un consumo diario de

15840 litros de ACS al da.

1.5.3.1.2 Perfiles de consumo

Mediante anlisis de la morfologa del consumo en instalaciones similares,

se ha caracterizado la demanda de ACS hora a hora, y con ella la demanda

acumulada en cada hora. Se presentan los resultados de este estudio en las

siguientes grficas, que tienen carcter meramente orientativo, pero que

sern de gran utilidad a la hora de tener en cuenta los requerimientos de

potencia en la instalacin auxiliar, puesto que ser sta quien cubra a los

picos de consumo que se pueden producir especialmente en las primeras

horas del da y en las horas cercanas al servicio de cena, como se puede

observar en dichas figuras.

En la primera se representa el consumo hora a hora previsto, como

porcentaje del consumo total de la instalacin (15840 litros de ACS, que no

incluyen el resto de demanda de agua fra, que proviene directamente de la

red).


42/320


Perfil de consumo

0,0%1,0%2,0%3,0%4,0%5,0%6,0%7,0%8,0%

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

hora

%/h

La segunda muestra la evolucin del consumo acumulado cada hora.

Perfil de consumo acumulado

0,0%10,0%20,0%30,0%

40,0%50,0%60,0%70,0%80,0%90,0%

100,0%

1 4 710

13

16

19

22

hora

%/h


43/320


1.5.4 Estudio energtico de la instalacin

Para la evaluacin energtica se han empleado en paralelo los dos

mtodos de clculo ms extensamente empleados en el campo de la ST BT.

Uno de ellos es el recomendado por el PCT del IDAE, denominado mtodo

de las curvas F o F-Chart. El segundo es el empleado por el CENSOLAR.

El primero de ellos se fundamenta en correlaciones basadas en parmetros

adimensionales, que acaban arrojando un valor de aprovechamiento de la

energa solar mes a mes, y con ello se obtiene la cobertura solar anual.

El segundo simplifica los clculos de evaluacin de irradiacin solar sobre

superficie inclinada; y toma como hiptesis que la energa bruta generadapor la superficie de captacin sea igual a la energa total demandada al ao.

Obviamente, la forma de las curvas que determinan estas variables

energticas no coincidirn en la mayora de los meses (la aportacin solar

ser inferior a la demanda en invierno, y superior en verano). Pero la

experimentacin ha demostrado que este mtodo es eficiente.

El hecho de haber empleado dos mtodos se debe a la utilidad que ello

tiene en la toma de decisiones tcnicas. Uno de los mtodos CENSOLAR- es

ms conservador, y genera unas curvas energticas anuales ms desiguales

entre s (la demanda energtica difiere de la produccin). El otro, F-chart,

proporciona unas curvas que describen un mayor aprovechamiento solar.


44/320


A efectos de la produccin energtica de la instalacin tomaremos los

resultados arrojados por el mtodo recomendado por el IDAE, ya que se

tiene intencin de solicitar ayudas de la lnea de financiacin del Instituto de

Crdito Oficial, en coordinacin con el IDAE para este tipo de proyectos, y

para ello es necesario ajustarse lo mximo posible a las especificaciones del

PCT de este Instituto.

Sin embargo, analizaremos a la vez los resultados obtenidos por el mtodo

del CENSOLAR, para tomar cuenta de posibles amenazas al buen

funcionamiento de la instalacin; tales como picos de sobreproduccin, muy

bajos rendimientos en los meses de invierno, etc.

Ambos mtodos tienen en comn que toman como dato la geometra

solar, las variables climatolgicas y de temperatura de red. Tambin ambos

mtodos proporcionan el valor de Cobertura Solar de la instalacin, que

representa el porcentaje de energa anual que cubre la instalacin solar,

frente a la demanda total.

Si bien la diferencia bsica reside en el algoritmo de clculo, a efectos

prcticos, la mayor diferenciacin se encuentra en la salida proporcionada: el

mtodo de curvas F toma la superficie colectora como dato, y calcula para

ella el factor de cobertura solar; el mtodo de CENSOLAR arroja una

superficie indicativa, y el usuario ha de introducir el nmero de paneles a


45/320


instalar, con lo que se produce una nueva iteracin en el clculo. Ese nmero

de paneles introducido proporciona un valor de cobertura solar.

Una explicacin detallada de los algoritmos de cada uno de los mtodos

mencionados se expone en el documento 2 dedicado a Clculos

A continuacin se presentan los resultados obtenidos con ambos mtodos

para un nmero de 108 colectores, modelo SOL 25 PLUS del fabricante

alemn STIEBEN ELTRON, comercializados en Espaa por Salvador Escoda,

S.A., cuya eleccin se justifica en el Anexo: Optimizacin del subconjunto de

captacin.

. El nmero de colectores es el resultado varias iteraciones, considerando

el cumplimiento de la normativa, la mxima captacin solar, y el mximo

beneficio econmico.

Una justificacin extensa de este proceso de optimizacin se hace en el

anexo: Optimizacin del campo de colectores.

El de CENSOLAR se ha empleado como entrada de datos comn para

ambos mtodos.


46/320


.:: CLCULOS SOLARES MTODO CENSOLAR0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DATOS DE PARTIDA MESdias /mes %ocup

consumomensual en

m 3

T red(tabla)

Saltotrmico

Necesidadenergticamensual en

termias

Necesidadenergticamensual en

MJ

Necesidadenergtica

diaria en MJ

H [MJ](tablas)

H(corregida)

k (alfaLatitud)

Latitud 40,3 ENE 31 100% 491,0 8 40 19641,6 82180,5 2651,0 6,7 6,70 1,41Inclinacin 50 FEB 28 100% 443,5 8 40 17740,8 74227,5 2651,0 10,6 10,60 1,28

Correccin H 1 MAR 31 100% 491,0 10 38 18659,5 78071,4 2518,4 13,6 13,60 1,13Nmero camas 180 ABR 30 100% 475,2 12 36 17107,2 71576,5 2385,9 18,8 18,80 0,98

Litros/da usuario 88 MAY 31 100% 491,0 14 34 16695,4 69853,4 2253,3 20,9 20,90 0,87rea Colector 2,5 JUN 30 100% 475,2 17 31 14731,2 61635,3 2054,5 23,5 23,50 0,83

b 0,78 JUL 31 100% 491,0 20 28 13749,1 57526,3 1855,7 26 26,00 0,87m 3,135 AGO 31 100% 491,0 19 29 14240,2 59580,8 1922,0 23,1 23,10 0,99tm 48 SEP 30 100% 475,2 17 31 14731,2 61635,3 2054,5 16,9 16,90 1,18

OCT 31 100% 491,0 13 35 17186,4 71907,9 2319,6 11,4 11,40 1,39NOV 30 100% 475,2 10 38 18057,6 75553,0 2518,4 7,5 7,50 1,54DIC 31 100% 491,0 8 40 19641,6 82180,5 2651,0 5,9 5,90 1,52

suma anual--> 845928,5 MJ234980,1 k Wh

14 15 16 17 18 19 20 21 22

tamb(tablas)

100*m(45-tamb)/I eta(%)

Aportacsolar porm2 (MJ)

Energaneta

disponible elda por m2

(MJ)

Energa netadisponible almes por m2

(MJ)

Energa Solartotal (MJ)

Energa Solartil (MJ)

% degeneracin

solar

FraccinSolar

Dficitenergtico

(MJ)

6 42,70 30,62 2,72 2,31 71,6 19343,3 19343,3 23,54% 23,54% 62837,28 31,86 41,46 5,29 4,49 125,9 33982,1 33982,1 45,78% 45,78% 40245,411 26,02 47,30 6,83 5,81 180,1 48617,0 48617,0 62,27% 62,27% 29454,413 21,67 51,65 8,95 7,60 228,1 61588,9 61588,9 86,05% 86,05% 9987,6

18 18,82 54,50 9,32 7,92 245,5 66274,1 66274,1 94,88% 94,88% 3579,323 14,62 58,70 10,76 9,15 274,4 74100,3 61635,3 120,22% 100,00% 0,028 10,08 63,24 13,45 11,43 354,3 95658,3 57526,3 166,29% 100,00% 0,026 10,97 62,35 13,40 11,39 353,2 95353,7 59580,8 160,04% 100,00% 0,021 14,63 58,69 11,00 9,35 280,5 75746,6 61635,3 122,89% 100,00% 0,015 22,50 50,82 7,57 6,43 199,4 53851,4 53851,4 74,89% 74,89% 18056,511 30,77 42,55 4,62 3,93 117,8 31806,6 31806,6 42,10% 42,10% 43746,47 41,17 32,15 2,71 2,30 71,4 19282,9 19282,9 23,46% 23,46% 62897,5

2502,24 675605,3 575124,2 aporte solar= 68,0% 270804,3con f-chart= 74,6%

m2 superf colect 338,07num colec 135,23colec R 108,00m 2 s R 270,00


47/320


48/320


Grficamente, el comportamiento energtico mes a mes de la instalacin

se presenta a continuacin para ambos mtodos:

Curva obtenida mediante mtodo CENSOLAR:

Curva obtenida con F-Chart:

0,0

20000,0

40000,0

60000,0

80000,0

100000,0

120000,0

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEP

OCT

NOV

DIC

MJ Necesidad energtica

mensual en MJ

Energa Solar total

(MJ)

0,0E+00

1,0E+10

2,0E+10

3,0E+10

4,0E+10

5,0E+10

6,0E+10

7,0E+10

8,0E+109,0E+10

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN JU

L

AGO

SEP

OCT

NOV

DIC

J

Necesidadesenergticas JAporte Solar J


49/320


Ntese que los valores de demanda trmica son iguales aunque las

unidades empleadas por cada mtodo sean MJ y J respectivamente.

El perfil de aporte solar de cada grfica corrobora lo comentado

anteriormente acerca de cada mtodo: el mtodo de las curvas F considera

una curva de aporte ms favorable a la energa ST BT en la medida que se

ajusta ms al perfil de consumo colas ms altas en invierno, bajos excesos de

produccin en verano-; mientras que el mtodo de clculo propuesto por

CENSOLAR predice peor aporte en invierno y una mayor sobreproduccin

en verano.

Se tendrn en cuenta los problemas que arroja el mtodo de CENSOLAR,

y se considerar el aporte proporcionado por F-Chart, puesto que es el

mtodo aconsejado por el organismo encargado de conceder o denegar

ayudas a la instalacin.


50/320


1.5.5 Descripcin de la Instalacin Solar

En los apartados siguientes se pretende definir el sistema propuesto,

partiendo del anlisis energtico anterior, analizando las opciones

disponibles y justificando las soluciones adoptadas.

A efectos descriptivos, el sistema queda dividido en: un subconjunto de

captacin, que comprende el campo de colectores; un subconjunto de

termotransferencia, en el que se incluyen el trazado de conductos, el grupo

de presin, el fluido caloportador y el intercambiador, adems de otros

accesorios; un subconjunto de almacenamiento consistente en un grupo de

acumuladores; un subconjunto de regulacin, que controla las actuaciones de

vlvulas y bombas del circuito; y el subconjunto de apoyo que define el

grupo de energa auxiliar.

1.5.5.1 Subconjunto de Captacin

Compuesto por el campo de colectores y sus estructuras soporte, es un

aspecto clave en la definicin del sistema completo toda vez que supone el

nexo entre el foco trmico del sistema Sol- y el efecto deseado ACS-. Su

diseo ptimo es uno de los aspectos de mayor relevancia en el proyecto,

tanto a efectos energticos como econmicos. Por ello la descripcin de este

subconjunto ser realizada a mayor grado de detalle que la del resto de

elementos de la instalacin.


51/320


1.5.5.1.1 Campo de Colectores

El mercado actual ofrece una gran variedad de tecnologas de captacin

trmica, dentro de las cuales existen innumerables fabricantes y modelos,

cada uno de ellos recomendable para determinados tipos de configuracin. A

continuacin se mencionan esas alternativas y se justifican las elecciones

tomadas en este proyecto.

1.5.5.1.1.1 Tipo

El colector es el componente de la instalacin expuesto al sol. Por tanto es

el que recibe el flujo energtico en forma de radiacin, que gracias al efecto

invernadero y los procesos de transmisin de calor conduccin, conveccin

y radiacin- es transformada de manera eficiente en energa calorfica en un

fluido. Pero este proceso conlleva inevitablemente unas prdidas trmicas.

Las distintas formas de gestionar tecnolgicamente esas prdidas y

priorizarlas en funcin de la finalidad energtica del sistema, conducen a las

distintas tecnologas de captacin.

As, encontramos en el mercado dos tipologas bsicas de colectores:

- Colectores de placa plana: consisten bsicamente en un

paraleleppedo cuyo espesor es mucho menor que las otras dos

dimensiones. Consta de una placa metlica expuesta a la radiacin,

encargada de convertir la energa electromagntica en trmica, con


52/320


unos conductos embebidos en ella por donde circular el fluido

caloportador; material aislante; y dependiendo del uso, una

cubierta transparente, dos, o ninguna. Diversas configuraciones y

soluciones tcnicas son llevadas a cabo por fabricantes a fin de

reducir las prdidas trmicas evacuacin de aire entre vidrio y

absorbedor, nuevos materiales, tubos de vaco, etc. -

- Colectores de vaco: sin entrar en las distintas opciones dentro de

este tipo de captador, -de flujo directo o con tubo de calor- stos

colectores se caracterizan por ser tecnolgicamente ms avanzados.

Se componen de tubos de vidrio en los que se ha practicado el

vaco, lo que contribuye de manera excepcional a la reduccin de

prdidas trmicas, mejorando el rendimiento an en condiciones

desfavorables en las que slo se dispone de radiacin difusa. Su

mayor inconveniente es el elevado coste, justificado cuando las

Figura 10 Captador Placa Plana


53/320


condiciones climatolgicas son desfavorables y los requerimientos

trmicos elevados.

El presente proyecto se llevar a cabo empleando la primera de las formas

de captacin mencionadas, puesto que las necesidades trmicas de la

instalacin no justifican el uso de colectores de vaco.

El motivo de esta decisin se entiende si analizamos los comportamientos

de las tecnologas descritas en funcin de las condiciones climatolgicas a las

que van a estar expuestas en el emplazamiento del proyecto:

En la figura 11 se apercia cmo el rendimiento de los distintos modelos de

colectores en ordenadas - cae a medida que crece el valor de abscisas, que

en la expresin del rendimiento del colector es el cociente entre el salto

Figura 11 Rendimientos para distintas tecnologas de captacin


54/320


trmico entre colector y ambiente, esto es, la diferencia entre la temperatura

caracterstica del colector (en Europa, normalmente representada por la

temperatura media del fluido en el captador: (te + ts)/2) y la temperatura

media mensual de ambiente.

La aplicacin a que se destinan los captadores en este proyecto tiende por

la climatologa de la ubicacin- a las zonas bajas del eje de abscisas, donde la

ventaja de la tecnologa de vaco es menos evidente.

Por otro lado, la justificacin econmica de esta decisin se apoya en el

estudio realizado en el Anexo C, en el que se evala el coste del campo de

colectores, para distintos modelos de colector evaluados, entre los que se han

considerado ambas tecnologas. Se recomienda la lectura de dicho estudio

previa al anlisis de los siguientes puntos.

Por todo ello, los captadores empleados en este proyecto sern planos con

una sla cubierta.

1.5.5.1.1.2 Modelo

Una buena eleccin del modelo de captador es esencial para el mximo

aprovechamiento de la energa solar en la instalacin, que es lo que se

pretende. Para ello se ha llevado a cabo un estudio del producto en el

mercado actual analizando varios fabricantes y una cantidad total de treinta

y cuatro propuestas diferentes.


55/320


Se han evaluado las prestaciones anuales de un campo de colectores que

proporcionase un volumen energtico anual igual al total de la demanda del

Hospital. La calidad de cada modelo favorece que esa distribucin anual se

ajuste en mayor medida a la curva de demanda, por lo que se aumenta la

Cobertura Solar de la instalacin. Por ello se ha tomado en cuenta este

parmetro (CS en %) para caracterizar las prestaciones.

Por otro lado se incluye el coste total (en ) del campo de colectores

necesario para cumplir el punto anterior, y la superficie total que supone,

puesto que los modelos difieren entre s en superficie til de captacin (Suen

m2).

Los resultados y conclusiones de tal estudio se presentan en el dicho

Anexo C.

En base a las conclusiones del estudio se ha optado por el modelo de

captador SOL 25 plus, con superficie selectiva que le proporciona un elevado

rendimiento. Est fabricado por la firma STIEBEN ELTRON, y es

comercializado en Espaa por Salvador Escoda, S.A.

Su contrasea de homologacin por el ministerio de industria es la NPS-

6604, y habindose realizado los ensayos de certificacin en los laboratorios

del CENER, nica entidad acreditada en Espaa junto con el INTA.


56/320


Todos los captadores han de ser exactamente iguales dentro de un mismo

trazado hidrulico.

Las caractersticas bsicas de este modelo se presentan en la tabla de la

pgina siguiente,, proporcionada por el distribuidor. Se ha de prestar

especial atencin a los parmetros de la curva de rendimiento de este

colector, con un elevado rendimiento ptico (78%) y un coeficiente de

prdidas excelente en comparacin con el resto de captadores planos del

mercado (3,135 W/m2K).


57/320


Una descripcin ms detallada se da en el Anexo D (Catlogos).

1.5.5.1.1.3


58/320


1.5.5.1.1.4 Orientacin, Inclinacin, Sombreamientos yPrdidas

La orientacin del campo de colectores azimut o - ha de ser lo ms

cercana a los 0 Sur como permitan las caractersticas arquitectnicas de la

instalacin. En ese sentido no existe limitacin en escoger una orientacin de

3 sur, bastante cercana al Sur terico, que supone una variacin

prcticamente nula con respecto al mismo.

Se podra configurar el campo con una orientacin nula exacta esto es,

perfectamente orientada al Sur geomtrico, que difiere del magntico en 3-

pero se prefiere trazar el diseo de las bateras y conducciones de forma

paralela a las lneas principales de la edificacin, en aras de una mejora en lo

que a integracin arquitectnica se refiere.

La inclinacin de la superficie de captacin ser 50, es decir,

prcticamente 10 por encima de la latitud del emplazamiento 40,3- que es

Figura 12 Azimut e Inclinacin


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lo recomendado por fabricantes y criterios de buenas prcticas para

favorecer la captacin en el invierno. Se realiza un estudio ms detallado del

impacto de la inclinacin en la captacin en el Anexo C.

En la figura 13 representamos un baco de prdidas en funcin de la

inclinacin escogida y la orientacin al sur ngulo azimut- de los paneles. A

simple vista se percibe cmo la captacin en ST BT es poco sensible a

modificaciones en estos parmetros dentro de un determinado rango de

mxima captacin zona amarilla.

El diseo arquitectnico del edificio nos permite elegir una ubicacin del

campo de bateras de colectores tal que no se acuse ningn tipo de prdidas

por sombreamientos a causa de otras edificaciones anexas, rboles de altura

elevada u otros elementos arquitectnicos propios al Hospital. De este modo

Figura 13Evaluacin de prdidas por Inclinacin y Orientacin


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un perfil de prdidas por sombreamiento como el representado en la figura

14, llevado a cabo con el contorno del hospital arroja un 0% de prdidas de

este tipo.

Por otro lado, las filas de colectores se dispondrn de manera que las

primeras no proyecten sombras sobre las siguientes al medioda solar el da

ms desfavorable del ao. Este da es el 21 de Diciembre. La altura solar

(ngulo que forma el rayo de sol con el horizonte) a las 12 horas solares ese

da, se calcula mediante la siguiente expresin:

ho = 90-latitud(lugar) -declinacin(da)

que en el caso de la presente instalacin resulta ser 26,2. Tomaremos 26

para el clculo de separacin entre filas, que consistir en hacer cumplir el

criterio antes enunciado mediante la expresin:

Figura 14 Evaluacin de prdidas por sombreamientos


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( )

+=+=

cos

tan21

o

h

senlddd

siendo d la separacin entre filas, y el resto de variables las representadas

en la figura 15.

Realizando estos clculos obtenemos una separacin mnima necesaria de

3.6 m entre el final de una estructura y el principio de la siguiente (d1), o lo

que es igual, 5 metros de separacin entre filas (d).

Todas estas consideraciones relativas al emplazamiento y la disposicin de

las bateras de colectores, hacen que las prdidas con respecto a la mejor

configuracin posible sean prcticamente nulas, y las existentes, se den por

inclinacin como efecto deseado, para mitigar la sobreproduccin de los

meses estivales, que puede ser perjudicial para el sistema.

1.5.5.1.1.5 Nmero, disposicin e interconexionado.

Figura 15 Separacin entre filas


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A travs de los mtodos de clculo antes expuestos, y el estudio llevado

acabo en el Anexo C se opta por la instalacin de 108 captadores.

Dicho estudio toma en cuenta la influencia del nmero de colectores en el

compromiso entre ahorro energtico e idoneidad econmica de la instalacin.

Adems en esta decisin entra en juego el marco legal, en lo que al CTE se

refiere, adems de la atencin que prestaremos a ordenanzas solares, PCT del

IDAE, y otros criterios de buenas prcticas.

Una peculiaridad del modelo escogido es que slo dispone de dos

conexiones: entrada y salida del fluido. Dado que se quiere alcanzar una

temperatura cercana a los 50, y asegurar que la acumulacin no sea menor

que esa temperatura por prevencin de la Legionelosis, optamos por una

configuracin del campo en serie-paralelo, o semiparalelo.

Figura 17 Bateras de 3 Colectores, Interconexin en serie Paralelo

Figura 16 Detalle de conexin en serie para el modelo seleccionado


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Esta configuracin, en colectores de 4 tomas podra llevarnos a grandes

aumentos de temperatura. Sin embargo, las caractersticas tcnicas del SOL

25 plus hacen que esta configuracin sea la idnea, segn recomendaciones

especficas del distribuidor para esta instalacin. La figura siguiente

representa un campo de 6 colectores SOL 25 plus(1), formado por 3 grupos

en paralelo de dos colectores en serie cada una. En trazo continuo las

conducciones calientes, y discontinuo de trazos largos la entrada de agua

fra.

La batera de colectores de la instalacin objeto de este proyecto, estar

compuesta por 36 grupos de 3 colectores en serie interconectados entre s en

paralelo, en 4 filas de 9 bateras cada una (27 colectores por fila).

Se ha de asumir un ligero decremento en el rendimiento con respecto

colectores individuales en paralelo, puesto que la entrada del fluido en el

segundo y tercer captador se efecta a mayor temperatura que la propia de la

red.

Sin embargo, esta configuracin se hace necesaria para el empleo de este

modelo de captador, ya que otra de sus caractersticas es el bajo volumen de

caloportador que contienen (1,35 litros /captador) , lo que provoca que el

volumen total e fluido en el campo de colectores sea menor que el contenido

en las conducciones del primario. Segn recomendaciones del fabricante y

otros pliegos de especificaciones tcnicas, es aconsejable la unin en serie de


64/320


varios elementos para compensar este efecto, no generado con el uso de otros

modelos de captador.

De esta manera la configuracin del campo de colectores queda

representada por la figura 18.

Ha de prestarse especial atencin al trazado hidrulico de conexin de los

colectores. Una mala conexin podra generar desequilibrios hidrulicos,

afectando negativamente al rendimiento de la instalacin. Para evitarlo, se ha

tenido en cuenta una disposicin idntica de captadores y grupos por filas, y

se ha diseado el trazado de conducciones de acuerdo al principio de retorno

invertido. Este concepto, ejemplificado en la figura 19, permite disear el

trazado hidrulico de manera que haya igualdad de prdidas de carga por

Figura 18 Esquema superficie de captacin


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cada una de las filas, y por extensin por cada grupo de colectores, evitando

la existencia de vas preferentes para el flujo.

Por otro lado, este modelo simplifica las conexiones y permite reducir

espacio puesto que los captadores se pueden colocar juntos.

1.5.5.1.2 Actuaciones esperadas del campo de colectores

Con lo anteriormente expuesto, las condiciones de trabajo a que estar

sometida la superficie colectora son conocidas.

Se muestra a continuacin el comportamiento esperado para la superficie

colectora.

1.5.5.1.2.1 Consideraciones sobre el rendimiento de captacin

El mapa de rendimientos del colector se representa en la figura 20.

Ha sido obtenido a partir de la expresin del rendimiento empleada por

los laboratorios de certificacin, con los parmetros de comportamiento del

Figura 19 Concepto de retorno invertido


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0 4 8 12 16 20 24 28 3236

4044

48 100

500

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

Rendimiento

Salto trmico CW/m2

Mapa de Rendimiento del Colector SOL 25 plus para el emplazamiento

70,00%-80,00%

60,00%-70,00%

50,00%-60,00%

40,00%-50,00%

30,00%-40,00%

20,00%-30,00%

10,00%-20,00%

0,00%-10,00%

colector, homologados por el Ministerio de Industria a travs de dichos

laboratorios. Esta expresin es:

( )I

ttk

I

ttk amamocolector

2

21

=

Donde o es el rendimiento ptico, y k 1 y 2 dos factores que modelan las

prdidas trmicas del captador. I representa el nivel de radiacin (W/m2), tm

la temperatura media de colectores (se asume idntica a la de acumulacin

tal y como ha determinado la experimentacin), y tala del ambiente en valor

medio mensual. La diferencia de ambas es el salto trmico de la figura.

Figura 20 Mapa de Rendimiento del Colector


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Con este comportamiento frente a irradiacin y temperatura, la evolucin

del rendimiento de captador para los datos del proyecto se muestra en la

figura 21.

Se ha tenido en cuenta un rendimiento nulo de captacin cuando ste

resulta menor del 10%, a fin de reflejar un efecto radiacin umbral, desde un

punto de vista conservador.

Adems, se ha penalizado dicho rendimiento mediante otros factores

correctores que se detallan en el apartado de clculos.

As y todo, la figura muestra cmo, exceptuando Enero y Diciembre, en

los que el rendimiento de la captacin ser bajo (aunque no nulo), el resto del

Rendimiento del colector a lo largo del ao

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mes

rend%

Figura 21 Rendimiento estacional


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ao el aprovechamiento de la captacin supera el 30%, alcanzado un 60% en

verano.

1.5.5.1.2.2 Consideraciones sobre temperaturas

Por otro lado, se ha considerado relevante analizar el mapa de

temperaturas del fluido caloportador a su paso por el colector elegido.

A tales efectos, se presenta en la fig. 23 la temperatura terica de salida del

fluido frente a la temperatura de entrada, considerando distintos niveles de

radiacin y temperatura.

Para el clculo del mapa se han asumido como hiptesis:

- un comportamiento parejo entre radiacin y temperatura. Esto no

es cierto en general. Sin embargo esta hiptesis se cumple para los

valores de clculo empleados en este proyecto, es decir, valores

medios mensuales.

La relacin empleada se representa en el grfico siguiente:

Comportamiento I vs T

0,0

500,0

1000,0

1500,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

meses

W

/m2yC50

I (W/m2)

t(C)50

Figura 22 Intensidad y Temperatura mes a mes


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- Dado que el coeficiente de prdidas cuadrticas k2 esbajo, se asume

a efectos de este clculo una expresin lineal del rendimiento con

k2=0. Esta asumpcin simplifica el clculo, pero sobrestima los

resultados.

Este mapa representa la relacin de temperaturas de entrada a colectores

con la salida, en rgimen estacionario, para unas condiciones tericas, sin

tener en cuenta el efecto de disipador del equipo aerotermo.

La cota mxima eventual esperada para la instalacin ser el nivel de 600

W/m2 con un valor medio de temperatura ambiente de 25 grados

(estadsticamente no sern ms altas).

Ts vs Te (colector)I [W/m2] T=t ambiente [C]

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

30,0 40,0 50,0 60,0 70,0

te C

ts C I=200 T=4I=300 T=6

I=400 T=8

I=500 T=20

I=600 T=25

Figura 23 Comportamiento terico de las temperaturas


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Ante tales condiciones se prev que el sistema se encuentre a pleno

funcionamiento, por lo que la entrada en colectores ser siempre menor de

50C. Sin embargo, disminuciones de consumo podran hacer que esto no se

cumpliera.

As y todo, en esta situacin ser necesaria la actuacin del equipo de

disipacin (aerotermos), y si fuera necesario, la actuacin de vlvulas de

seguridad, disminuyendo las condiciones de temperatura y presin, evitando

as la formacin de vapor en el circuito primario.

El fluido caloportador escogido alcanza su punto de ebullicin a los

105C, por lo que resultan necesarias las medidas de seguridad propuestas en

este proyecto, tal y como pone de manifiesto el mapa terico de

temperaturas.

1.5.5.1.3 Estructura Soporte y anclajes.

La estructura de soporte y el sistema de anclaje del campo de colectores

constituyen un aspecto importante en una instalacin de energa solar,particularmente su montaje en obra.

Cada grupo de 3 colectores tendr su propia estructura. Dicha estructura

ser elaborada en taller y transportada posteriormente a la cubierta del

hospital.


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Los perfiles con que se construir la estructura sern L40x4 de acero tipo

A42.

Como medida de prevencin de corrosin para la estructura, se tratar,

una vez finalizada en taller, con pintura de minio y posterior pintura de

acabado. La tornillera empleada para las uniones articuladas ser de acero

inoxidable, o cualquier otro material resistente a la corrosin.

Se ha considerado en el diseo, y as habr de hacerse en el montaje, que

las dilataciones trmicas producidas en el captador no provoquen que la

estructura transmita cargas al mismo, afectando as a su integridad.

Se ha considerado que los topes de sujecin de los captadores y la propia

estructura no arroje sobra sobre stos.

Figura 24 Estructura para tres paneles


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A fin de no traspasar con el anclaje la cubierta del edificio, porque podra

originar infiltraciones de agua, se construirn muretes o zapatas de

hormign armado que garanticen la total sujecin de la batera, aun en el

caso extremo de vientos fuertes. Se construirn dos muretes para cada

estructura y sern paralelos al trazado de las tuberas.

Las dimensiones del murete de hormign (armado con varilla metlica)

sern de 20x20 cm. Los ltimos anclajes del murete se situarn como

mnimo a 25 cm del extremo del mismo. Por cada murete, se abrirn en la

parte inferior de contacto con la cubierta dos pasos para desage cuya

finalidad ser evitar posibles estancamientos de agua.

1.5.5.1.4 Accesorios del Campo de Colectores

1.5.5.1.4.1 Eliminacin de gases

Con objeto de eliminar los gases contenidos en el fluido caloportador, se

dispondr al sistema de un purgador cada grupo de tres colectores (punto

ms elevado de la instalacin).

Ha de tenerse en cuenta que el conexionado provisto por el fabricante para

este modelo de captadores consta de una purga manual en cada una de las

conexiones segn indica la figura 25.

Para asegurar en cualquier caso que los gases disueltos en el lquido son

evacuados al exterior por un purgador, dispondremos en cada fila, antes de


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la conexin de las salidas de colectores al ramal que baja al intercambiador,

de un desaireador, el cual, por medio de fuerzas inerciales separa el lquido

del gas y facilita la evacuacin de ste por parte del purgador.

Por otro lado, el trazado hidrulico del campo de colectores constar con

la valvulera pertinente. En concreto, se dotar a cada grupo de colectores de

un par de vlvulas de esfera, de manera que en caso de avera se pueda aislar

ese grupo cerrando sus llaves de entrada y salida, de manera que se

garantiza la facilidad de operacin y la continuidad del suministro energtico

aun en tareas de mantenimiento.

Figura 25 detalle de interconexin de colectores

Figura 26 Desaireador y purgador


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1.5.5.1.4.2 Prevencin de riesgos por excesos de produccin

En el apartado de anlisis energticos se vio que el mtodo de clculo

recomendado por CENSOLAR arrojaba unas curvas cuyo perfil simplificado

era como se muestra en la fig. 27.

En ella se aprecia con claridad el problema de la sobreproduccin en los

meses centrales del ao, que estima este mtodo (el resultado para el

segundo proceso de clculo, F-Chart , apenas contemplaba excesos).

En previsin de los daos que este efecto pudiera ocasionar

excepcionalmente, se han analizado las soluciones comerciales destinadas a

solventarlo.

Principalmente, se dota a estas instalaciones de dos soluciones tcnicas,

disipadores individuales, para cada colector, o aerotermos.

Necesidad energticamensual en MJ

Energa Solar total (MJ)

Figura 27curva de consumo frente a aporte mensual


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Los individuales, son pequeos intercambiadores de calor que entran en

funcionamiento por una vlvula de by pass, que hace circular el flujo a travs

de ellos y disipa calor por conveccin natura.

Los aerotermos son equipos elctricos que evacuan el calor gracias a un

flujo de aire forzado por un ventilador elctrico. La ventaja de estos equipos

es que facilita la instalacin, y no requieren montaje individualizado para

cada colector.

El mtodo de clculo de CENSOLAR, que se explicaba en apartados

anteriores, arroja unos datos de sobreproduccin elevada, en torno al 60% en

los meses estivales. Se comentaba que ste mtodo presenta como

inconveniente sobreestimar el comportamiento de la instalacin en verano y

reducirlo en invierno. Adems, la sobreproduccin es asumible, y hasta

cierto punto deseable como forma natural de elevar la temperatura del

sistema de acumulacin, lo que supone un tratamiento antilegionella sin uso

de energa adicional.

Por ello, se instalar un equipo de una potencia del 30% la instalada, esto

es, 60kW, suministrado por la empresa Salvador Escoda.

Figura 28 Disipadore y Aerotermos


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1.5.5.2 Subconjunto de Almacenamiento

Las tecnologas asociadas a las energas renovables, en general,

encuentran un obstculo en la intermitencia del suministro, y la no

coincidencia en el tiempo de la produccin (determinista en realidad, pero

considerada como aleatoria por la complejidad de modelar los fenmenos

climatolgicos) con el consumo real.

Este obstculo se salva en ST BT dotando a la instalacin de un sistema de

almacenamiento que posibilite la disponibilidad energtica an en momentos

de ausencia de produccin.

Estos sistemas de almacenamiento de energa consisten normalmente en

elevar la temperatura de sustancias inertes como agua o piedras, o en

reacciones qumicas reversibles, como la deshidratacin de algunos

hidrxidos.

Los siguientes puntos presentan y justifican la opcin escogida.

1.5.5.2.1 Tipo y material.

En el presente proyecto, y por regla general en todos aquellos de ST, el

almacenamiento se realiza de manera incuestionable mediante depsitos

acumuladores de agua. Este tipo de almacenamiento presenta como ventajas:

su facilidad de manejo, el bajo coste del fluido portador de la energa, su alta


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capacidad calorfica, y sobretodo su condicin de ser a la vez el elemento de

consumo especficamente para proyectos de ACS.

De entre la variedad de materiales que se emplean para la construccin de

estos depsitos acero galvanizado, con recubrimiento anticorrosin,

vitrificado o galvanizado, acero inoxidable, fibra de vidrio- se opta por los de

acero con revestimiento epoxdico, de calidad alimentaria. Esta opcin

cumple las especificaciones de durabilidad del equipo y proteccin frente a la

corrosin, a la vez que suponen un coste moderado frente a la opcin del

acero inoxidable, de ms alta calidad, aunque tambin de precio.

1.5.5.2.2 Caractersticas la acumulacin

Dada la disminucin de densidad que experimenta el agua al aumentar su

temperatura, el fluido se estratificar trmicamente dentro del depsito, de

modo que los mayores niveles trmicos se encontrarn en la parte ms

elevada del depsito. Este fenmeno se vera agudizado a medida que el

depsito fuera ms alto. La fig. 29 refleja esquemticamente este

comportamiento.

Figura 29 Estratificacin en el almacenamiento


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