Fundamento para Diseño de Sistemas Solares Termales a Gran Escala

  1. Datos iniciales para la planificación

Debido a la variación de la energía del sol, el conocimiento de las cantidades de consumo, el perfil de consumo y la temperatura deseada del agua caliente son datos necesarios en el dimensionamiento de un sistema de energía solar. A continuación, estos datos se incorporan a la tarea de dimensionamiento.
Se ha comprobado que los niveles de consumo de agua caliente dados en la literatura son demasiado altos en la práctica: su uso a menudo conduce a un sobredimensionamiento en la planificación de sistemas de energía solar. Los valores de consumo son frecuentemente antiguos y han sido calculados con el objetivo de brindar seguridad en los suministros. La determinación de los datos requeridos para el perfil de consumo debe realizarse, si es posible, mediante mediciones a largo plazo del consumo de agua caliente. Si esto no es posible o requiere demasiado tiempo, se puede utilizar el siguiente método para adquirir los datos de consumo y utilizarlos para cálculos en programas de simulación.

Perfil de consumo y demanda

Los datos deben recopilarse en diferentes grados según los distintos usuarios potenciales. Por ejemplo, una práctica recomendada es contar con un formulario estándar para obtener los datos necesarios para el consumo de agua caliente.

Ejemplo de datos requeridos para la planificación de sistemas solares termales

Los datos del perfil de consumo así obtenidos se utilizan, por ejemplo, en programas de simulación para calcular el rendimiento y el comportamiento del sistema. Para ello, los datos se insertan como una tabla en el programa de simulación. Alternativamente, los diferentes programas de simulación ofrecen perfiles de consumo para diferentes edificios y grupos de usuarios.
Para permitir la planificación donde no hay posibilidad de medir el consumo de agua, o en caso de incertidumbres, es posible acceder a los datos de consumo de ACS publicados de forma estándar de los edificios. Se han determinado los siguientes valores generales para residencias multifamiliares en muchos países:

20-30 l (5,3-7,9 galones) (a 60 ° C; 140 ° F) por día por persona (lo que equivale aproximadamente a 30-40 l (7,9-10,6 galones) por persona por día a 45 ° C (113 ° F)).

Además, la ocupación de los pisos (una unidad de vivienda = media de 3½ personas) debe ser examinada con más detalle si es posible. En un ejemplo se supuso un consumo de 40 l (10,6 galones) por día por persona y una ocupación media de 3 personas. Sin embargo, el consumo real, en lugar de los 120 l (31,7 galones) estimados por día por apartamento, fue de hecho solo 45 l (11,9 galones) por día por apartamento cuando se midió. Obviamente, esto llevó a un calentador de agua solar demasiado grande.

20-30 l (5,3-7,9 galones) (a 60 ° C; 140 ° F) por día por persona (lo que equivale aproximadamente a 30-40 l (7,9-10,6 galones) por persona por día a 45 ° C (113 ° F)).

Además, la ocupación de los pisos (una unidad de vivienda = media de 3½ personas) debe ser examinada con más detalle si es posible. Por ejemplo, se supuso un consumo de 40 l (10,6 galones) por día por persona y una ocupación media de 3 personas. Sin embargo, el consumo real, en lugar de los 120 l (31,7 galones) estimados por día por apartamento, fue de hecho solo 45 l (11,9 galones) por día por apartamento cuando se midió. Obviamente, esto llevó a un calentador de agua solar demasiado grande.

Temperatura requerida para agua caliente

De gran importancia para el rendimiento energético futuro del sistema solar es la temperatura objetivo del agua caliente sanitaria de la aplicación. El nivel de temperatura más bajo que probablemente se requiera es de 25 ° C (77 ° F) para calentar el agua en los comederos para ganado. En hogares de una o dos familias (y también en algunas aplicaciones de producción) 45 ° C (113 ° F) es suficiente.

Sin embargo, en muchos países las regulaciones del agua potable requieren temperaturas más altas. Los edificios más grandes generalmente requieren una temperatura de 60 ° C (140 ° F) en la salida de almacenamiento. Siempre que sea razonable y seguro dentro de las regulaciones, el calentamiento de agua doméstica debe restringirse al nivel de temperatura más bajo posible para ahorrar energía.
El rendimiento de calor del colector solar y de todo el sistema aumenta significativamente con una reducción de la temperatura requerida en el circuito del colector. Una reducción en la temperatura del agua provoca un marcado aumento en el rendimiento energético por m2 de colector por año en todo el sistema.

Ejemplo de formulario para determinar la demanda de ACS

2. Planificación y diseño del sistema

Al comienzo de la fase de planificación, se requieren cifras aproximadas de las dimensiones de los componentes más importantes del sistema, es decir, el campo del colector y los acumuladores de calor, para la planificación preliminar y la estimación de costos. Para fines de dimensionamiento, existen diferentes tamaños de objetivo. Los sistemas están diseñados para una fracción solar particular utilizando las condiciones estructurales existentes (por ejemplo, el tamaño del techo o el tamaño deseado por el cliente), o para el mayor rendimiento energético posible por metro cuadrado de campo colector.

Por ejemplo, el propietario de una casa unifamiliar puede preferir adquirir un sistema solar con una fracción solar alta para que en el verano pueda disfrutar de agua calentada con energía solar con la caldera de calefacción apagada. El administrador de una residencia multifamiliar, que prefiere mantener bajos los costos operativos, solicita al diseñador un precio bajo para la calefacción solar y, por lo tanto, bajos costos por metro cuadrado. Otro inversor, con un presupuesto restringido, podría preferir lograr una alta sustitución de energía convencional. Como los sistemas de precalentamiento logran una mayor utilización del sistema en este caso, dos sistemas de precalentamiento en dos de sus casas cumplen este requisito mejor que un sistema solar con una alta fracción solar en una de las casas.

Durante las discusiones con los clientes, los sistemas solares con una alta utilización del sistema y los altos rendimientos de kWh resultantes por metro cuadrado de campo colector a menudo se declaran como el objetivo perseguido. Por otro lado, los sistemas de energía solar con altas fracciones solares se describen injustificadamente como sobredimensionados. Ambas variantes de diseño son igualmente buenas si el objetivo prescrito se logra mediante la planificación. Una desviación de los rendimientos esperados que se deba a cifras de consumo incorrectas o un cambio posterior en el requisito de agua caliente tampoco puede atribuirse al sistema solar. Lo decisivo en la evaluación de la función o el rendimiento de un sistema solar térmico es la comparación de los rendimientos reales con los resultados de los cálculos de simulación sobre la base del consumo real de agua caliente.

OBJETIVO DE DISEÑO: ALTA SUSTITUCIÓN DE ENERGÍA PRIMARIA

Para lograr el mayor ahorro posible de combustibles convencionales en el proyecto considerado (es decir, alta sustitución de energía primaria), el grado de cobertura solar en todo el sistema debe seleccionarse para que sea lo más alto posible. Este diseño se busca con frecuencia en el caso de sistemas solares más pequeños para viviendas unifamiliares y bifamiliares, o en sistemas solares para calefacción de espacios. En climas templados, para una fracción solar deseada para el calentamiento de agua sanitaria superior al 60%, la calefacción convencional se puede poner fuera de servicio en verano, lo que puede contribuir en gran medida a la satisfacción del operador y a evitar pérdidas de calor en reposo en el Calderas de calefacción. En sistemas solares más grandes, se debe apuntar a un grado de cobertura solar del 50% para lograr el objetivo de diseño. En climas tropicales, se puede elegir una cobertura solar del 75-100%.

OBJETIVO DE DISEÑO: BAJO COSTO DE CALEFACCIÓN SOLAR

Un factor decisivo para la eficiencia del sistema solar es la utilización máxima del sistema, lo que conduce a un alto rendimiento (específico) de kWh por metro cuadrado por año. Como ya se ha descrito, se consiguen elevadas utilizaciones del sistema con bajas fracciones solares. Estos sistemas también se describen como sistemas de precalentamiento. Como este tipo de sistema suele conseguir solo el precalentamiento del agua sanitaria, incluso en verano, el sistema de calefacción convencional permanece en funcionamiento durante todo el año. En climas templados, el grado de cobertura solar para este objetivo de diseño está entre el 10% y el 45%; para más consideraciones, se supondrá que es del 25%. En climas tropicales, esta es una opción menos lógica a menos que la carga se distribuya irregularmente durante el año (por ejemplo, la temporada de vacaciones de un hotel). En tales casos, es necesario realizar cálculos personalizados.

DISEÑAR CON LA AYUDA DE UNA FÓRMULA APROXIMADA

Los valores del punto de partida se dan en la siguiente tabla para dimensionar el campo del colector y los tamaños del tanque de almacenamiento.

Aproximaciones para el dimensionamiento de colectores y almacenamiento

Tomando en cuenta los siguientes factores:

■ una temperatura del agua caliente de 60 ° C (140 ° F)
■ extracción continua de agua caliente sanitaria
■ ubicación con radiación solar media (aproximadamente 1000 kWh / m2)
■ alineación sur del campo colector y un ángulo de ajuste de 40 °.

Los valores se aplican a colectores planos con buen rendimiento (ր0 = 0,8, kef <3,5 W / m2K). Luego, los datos relacionados con el sistema deben determinarse sobre la base de simulaciones específicas del edificio. Luego, se requieren más cálculos de simulación para convertir a diferentes niveles de temperatura. Los volúmenes de almacenamiento deben dimensionarse de manera bastante generosa dentro del alcance de las opciones económicas y el espacio disponible.