LECCIÓN 11: DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS PARA ACS
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Para realizar el dimensionamiento de un Sistema Solar Térmico es necesario conocer la demanda de energía térmica, de modo de poder calcular el área de captación y el volumen de acumulación adecuado para dicha necesidad.
11.1 SELECCIÓN DE EQUIPOS COMPACTOS
Para el caso de los sistemas solares térmicos compactos de uso específico para agua caliente sanitaria, el dimensionamiento consiste esencialmente en la correcta selección del mismo. No es necesario realizar un método de cálculo específico sino más bien seleccionar el tamaño del equipo según su capacidad de acumulación en función de la demanda de ACS de la vivienda. Puede verse a continuación una tabla de referencia y valores promedio de los equipos compactos prefabricados, en función de los usuarios por vivienda:
La tabla 5 presenta valores a modo de referencia. El sistema adecuado dependerá también de los hábitos de consumo que tendrá el usuario, y de la zona de instalación, precisando aumentar el tamaño del acumulador en el norte del país, y aumentando el área del colector en el sur del país.
En esta etapa resulta crucial conocer el rendimiento de cada uno de los equipos compactos.
En general, un equipo compacto puede ser más o menos eficiente que otros, pero su calidad definirá su durabilidad en el tiempo, la confiabilidad del equipo y la seguridad tanto para el equipo como para el usuario.
11.2 Dimensionamiento de SST y estimación de ahorro energético
Como se mencionó anteriormente, existen valores de referencia de uso y ahorro para equipos compactos.
Por otro lado, si se desea calcular a ciencia cierta el ahorro energético/económico producido por un equipo compacto, o bien se pretende utilizarlo en otras zonas que no están definidas en su certificado de ensayo, es necesario recurrir a un método de cálculo.
El método para dimensionar un sistema solar térmico a medida o equipo compacto (para ACS u otra aplicación), consiste esencialmente en realizar los siguientes pasos:
- Estimación de la demanda energética.
- Cálculo de la energía generada por una determinada área de colectores, tanques y sistema de apoyo
funcionando en conjunto. - Cálculo de la fracción solar mensual y anual.
- Diseño de la instalación.
- Cálculo de costos y ahorros asociados.
Existen varios métodos mediante los cuales pueden realizarse los cálculos en forma adecuada. Algunos son más precisos que otros y algunos más simples que otros. Es necesario adoptar el método más adecuado a las características de la instalación solar. El tamaño y complejidad de la misma será determinante para considerar un método simplificado que no requiere gran nivel de detalle para la definición de las bases de cálculo, y que en consecuencia sea relativamente fácil de usar, o bien un método más detallado en el que se realice el estudio de un modelo de la instalación con todos sus componentes y se simule el comportamiento energético de la misma con amplios detalles.
Para aplicaciones de agua caliente sanitaria, es conveniente utilizar el método de las curvas f (F-Chart), que permite realizar el cálculo de la fracción solar de un sistema solar térmico, es decir, de su contribución energética a la demanda estimada. El método es ampliamente aceptado como un proceso
de cálculo suficientemente exacto para largas estimaciones pero no debe aplicarse para estimaciones de tipo semanal o diario. Para desarrollarlo se utilizan datos mensuales medios meteorológicos, y es perfectamente válido para determinar el rendimiento o factor de cobertura solar en instalaciones de calentamiento.
Su aplicación sistemática consiste en identificar las variables adimensionales del sistema de calentamiento solar y utilizar la simulación de funcionamiento mediante planilla de cálculo, para dimensionar las correlaciones entre estas variables y el rendimiento medio del sistema para un prolongado período de tiempo.
El método también aplica a otras aplicaciones que requieren energía térmica tales como calefacción o climatización de piscinas. La clave del método radica en estimar de manera correcta la demanda energética de cada aplicación.
La ecuación 2 permite calcular la fracción solar para cada mes:
Donde f es la fracción de la demanda energética mensual que cubre una determinada área de colectores caracterizados por su curva de rendimiento y un determinado tanque de almacenamiento. Se la conoce también como “fracción solar”. La secuencia que suele seguirse en el cálculo es la siguiente:
- Estimación de la demanda energética para el calentamiento de agua sanitaria, calefacción/climatización, piscinas u otros.
- Valoración de la radiación solar media mensual incidente. Para esto se utilizan los mapas del Anexo I, con las tablas de transposición del Anexo II, ambos anexos de la Guía del Recurso Solar [9].
- Cálculo del parámetro D1.
- Cálculo del parámetro D2.
- Determinación de f mensual y anual.
- Corrección de la fracción solar por el sistema de apoyo.
El parámetro D1 expresa la relación entre la energía absorbida por el colector y la carga calorífica total de calentamiento durante un mes, según la ecuación 3:
La energía absorbida por el captador viene dada por la ecuación 4:
La energía perdida por el captador viene expresada por la ecuación 7:
Importante: Es necesario prestar atención a la coherencia de las unidades utilizadas. Los parámetros D1 y D2 solo darán los resultados correctos si las unidades de cada una de las variables fue correctamente establecida. Para ello, es necesario que Qi esté también en kWh. Dados los diversos factores involucrados y las diferentes unidades utilizadas es necesario prestar atención a las conversiones.
Una vez obtenido D1 y D2, aplicando la ecuación inicial se calcula la fracción de la demanda energética mensual aportada por el sistema de energía solar.
De esta forma, la energía útil generada por el sistema solar térmico para cada mes, Qui, tiene el valor de la ecuación 10:
Para cualquier aplicación, el dimensionado deberá realizarse de forma que en ningún mes del año la energía producida por la instalación solar supere el 110% de la demanda de consumo y no más de tres meses seguidos el 100%. A estos efectos, y para instalaciones de un marcado carácter estacional, no se tomarán en consideración aquellos períodos de tiempo en los cuales la demanda se sitúe un 50% debajo de la media correspondiente al resto del año.
Para ACS, el área total de los captadores tendrá un valor tal que se cumpla la condición de que la relación entre el volumen de acumulación (V en litros) y el área total de los captadores (A en m2) esté entre 50 y 180 l/m2, como se muestra en la ecuación 12.
En términos generales, se recomienda que el volumen de acumulación sea igual al volumen de la demanda de agua caliente diaria.
A su vez, para instalaciones con fracciones solares bajas (zonas climáticas frías con menor irradiación solar), se deberá considerar el uso de relaciones V/A pequeñas, es decir, se debería aumentar el área de captación (A) y disminuir el volumen de acumulación (V). Por el contrario, para instalaciones con fracciones solares elevadas (climas cálidos con mayor radiación solar) se deberá aumentar dicha relación, es decir, aumentar la acumulación (V) para evitar sobrecalentamientos y disminuir el área de captación (A).
11.3 INFLUENCIA DEL SISTEMA DE APOYO
Como se mencionó anteriormente, dependiendo del sistema de apoyo utilizado, la fracción total de energía ahorrada puede ser sustancialmente diferente al ahorro solar estimado. A los fines de estimar un ahorro real de energía, es necesario incluir la modificación del ahorro energético del sistema solar debido al acoplamiento a un sistema de apoyo a gas o electricidad.
Para conocer eso, es necesario calcular un factor denominado eficiencia efectiva del sistema de apoyo, ηee que se estima de acuerdo con la ecuación 13:
TEST DE EVALUACIÓN
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