Planeación y Dimensionamiento SST de Aire

1. Consideraciones fundamentales

El diseño de los sistemas de aire solar depende en gran medida del tipo de aplicación. Para sistemas de aire de entrada simple en casas y también para un sistema integrado en un sistema de ventilación, se puede realizar un dimensionamiento aproximado para edificios con reglas simples: Indicando la cantidad de área de colector requerida por espacio de vivienda o edificio en función de la falta de aislamiento (edificio antiguo, casas pequeñas) y buenos estándares de aislamiento (casas de bajo consumo energético):

1 m2 de superficie de colector por cada 10 m2 → estándar de aislamiento bajo
0,75 m2 de superficie del colector por 10 m2 → buen aislamiento

Para la integración del sistema de aire solar en la ventilación de las viviendas, el área de la superficie del colector está determinada por los requisitos de flujo de aire de la ventilación, dependiendo de dónde se instalarán los colectores de aire. Si el sistema de aire solar está conectado antes de la ventilación, se debe considerar el flujo volumétrico de aire ambiente, ya que este puede ser conducido alternativamente a través de los colectores de aire solar. Si el sistema de aire solar está conectado aguas abajo del sistema de ventilación y se utiliza la recuperación de calor, se puede agregar una corriente de aire circulante al caudal de aire ambiente, de modo que la corriente de aire de suministro (aire ambiente + aire circulado) debe considerarse como la variable relevante para el diseño del sistema solar de aire. Para espacios habitables, es recomendable consultar la normativa vigente de donde se encuentre la vivienda, ya que esto depende de diversos factores. En el caso de las viviendas, siempre está relacionado con la superficie y se divide en tres grupos diferentes, que dependen del tamaño de la vivienda. En la siguiente tabla se muestran valores de referencia.

Requerimiento de caudal sugerido según cantidad de habitaciones y condiciones de humedad

Una vez definido el flujo de aire que debe fluir a través del sistema de aire solar, el siguiente paso es determinar el tamaño de la superficie del colector de aire. Por lo general, el caudal de aire define la superficie del colector, y podemos utilizar la siguiente formula.

Acoll = V / vcoll

donde Acoll es el área de superficie del colector [m2], V el caudal de entrada de aire [m3 / h] y vcoll el caudal específico del colector [m3 / (m2 · h)] . Para la conversión del caudal volumétrico a caudal másico se divide por la densidad ρ = 1185 kg / m3. En el siguiente ejemplo se muestra un diseño de un sistema colector de aire solar para una percha de montaje.

Ejemplo:

La habitación a ventilar, posee una superficie de 1087 m2 (27 m × 40,25 m) y una altura de 4,2 m. La tasa de cambio de aire recomendada para el tipo de habitación en particular es de 5 veces por hora. A partir de estas especificaciones, la tasa de flujo de aire exterior se calcula como:

Vaportado = Vhabitación · n

donde Vaportado es la tasa de flujo de aire exterior [m3 / h], Vhabitación es el volumen de la habitación [m3] y n es el número de intercambios de aire [h-1]

Vaportado = 4560 m3 × 5 (h–1) = 22,800 m3/h

Además, el fabricante recomienda un caudal volumétrico específico de 60 m3 / h por metro cuadrado de superficie colectora. Esto da como resultado un aumento máximo de temperatura de aproximadamente 35 K. El área de superficie requerida del colector de aire que deseamos calcular ahora se puede obtener a partir del requisito de ventilación y el flujo volumétrico específico:

Acol= Vaportado/ vcol

O:
Área de superficie del colector (m2) = Requisito de ventilación (m3 / h) / Caudal volumétrico específico del colector (m3 / m2h)
De esto obtenemos una superficie colectora de:

Acol = [22,800 m3 / h] / [60 m3 / (m2 · h)] = aprox. 380 metros cuadrados

La velocidad de flujo a través de la sección transversal de flujo libre del absorbedor debe estar entre 2 m / s (por motivos térmicos) y un máximo de 7 m / s (por motivos dinámicos). El flujo libre en la sección transversal se puede encontrar en la documentación del fabricante del colector.

El número mínimo y máximo de colectores conectados en serie es:

Amin = AQ × vmin / vtot

Donde AQ es la sección transversal de flujo libre del colector [m2], vmin / max es la velocidad de flujo mínima o máxima [m / s] y vtot es el flujo de aire volumétrico específico del colector [m3 / (m2h)].
La sección transversal de flujo libre es el producto de la altura y el ancho de un canal de flujo en el absorbedor. En nuestro ejemplo AQ = 0,96 m × 0,095 m = 0,0912 m3. Por lo tanto, el área mínima de la superficie del colector conectada en serie se puede calcular como:

Amin = [0.0912 m2 · 2 m/s · 3600 s/h]/ [60 m3/(m2 · h)] = 11 m2

Para la mayor superficie permitida del colector conectado en serie, es necesario utilizar la velocidad máxima de flujo vmáx:

Amax = [0.0912 m2 · 7 m/s · 3600 s/h]/ [60 m3/(m2 · h)] = 38 m2

Estos resultados establecen la disposición de los módulos colectores. Debe observarse el principio de flujo uniforme a través de tramos individuales mediante la disposición del circuito según el principio de Tichelmann (es decir, la pérdida de carga de cada colector o de cada fila de colectores es la misma).

En nuestro ejemplo, para la superficie de colector requerida de 380 m2 con un tamaño de módulo de 2,4 m2, se deben interconectar unos 160 colectores en filas de al menos 5 (5 · 2,4 m2 = 12 m2) y un máximo de 16 (16 · 2,4 m2 = 38,4 m2) colectores. Con la superficie de cubierta disponible de 1000 m2 y la orientación del lado corto hacia el sur, una posible solución sería la instalación de 16 filas paralelas de 10 colectores, teniendo en cuenta el sombreado mutuo de las filas de colectores.

2. Cálculo de la potencia del ventilador

El cálculo de la potencia del ventilador se realiza de acuerdo con los cálculos de la tecnología de ventilación convencional. Para superar las pérdidas por fricción que ocurren en todo el sistema, se requiere una potencia de ventilador particular PF [W].
De manera similar a los sistemas basados en líquidos, la determinación de la potencia del ventilador requiere el conocimiento de las pérdidas de presión totales del sistema. Estos están compuestos por las pérdidas por fricción de las tuberías en los canales del absorbedor, las entradas y salidas a las filas de colectores, los codos de las tuberías y las propias tuberías. Los valores de las pérdidas de presión, según el caudal volumétrico y la velocidad del caudal de los componentes individuales, se pueden encontrar en los nomogramas del fabricante.

En nuestro ejemplo, esto da como resultado una pérdida de presión total de 272 Pa (1 Pa = 1 Ws / m3).

La potencia del ventilador PV (W) se puede calcular de la siguiente manera:

PV = ʋV × Δptotven

donde ʋV es el requisito de ventilación por hora (m3 / h), Δptot es la pérdida de presión total (Pa) y րven es la eficiencia del ventilador.
Dependiendo del tipo de ventilador, la eficiencia de propulsión րprop debe sumarse a la potencia del ventilador.

Ejemplo:
Suponiendo una eficiencia del ventilador de 0,7, la potencia del ventilador se puede calcular como:

PV = [22,800 m3 / h · 272 Ws / m3] /[0,7 · 3600 s / h] = 2460 W

3. Dimensionamiento de un intercambiador de calor aire-agua

La aplicación de un intercambiador de calor aire-agua, para el uso de los sistemas solares de aire también en verano, es una solución adecuada que permite que el sistema solar de aire funcione de forma muy eficiente durante todo el año. En el dimensionamiento del intercambiador de calor, debe tenerse en cuenta que la transferencia de calor del medio aire al agua o a una mezcla de agua propilenglicol no funciona de manera tan óptima como con los intercambiadores de calor aire-aire o agua-agua debido a los parámetros termodinámicos específicos. Generalmente, el intercambiador de calor debe estar dimensionado de tal manera que se transfiera la cantidad máxima de energía, que está disponible en verano, pero aún permitiendo que tenga lugar el calentamiento preliminar del agua doméstica durante la radiación solar promedio. Para lograr esto, se debe emplear el siguiente cálculo para determinar la salida promedio del intercambiador de calor y el flujo volumétrico necesario en el circuito solar:

Qpromedio = VL × cL × ΔTL

Donde Qpromedio es el calor promedio en la salida del intercambiador de calor [W], VL es el flujo volumétrico de aire por hora [m3 / h], cL es la capacidad calorífica específica del aire [0.293 Wh / m3 · K para 35 ° C] y ΔTL es la diferencia de temperatura aguas abajo [K].

La diferencia de temperatura en el sistema de aire solar se puede suponer aquí, por ejemplo, con 20K, lo que da como resultado una temperatura de entrada de aproximadamente 55 ° C en el intercambiador de calor y una temperatura de salida de 35 ° C. El flujo de aire volumétrico debe reducirse a, por ejemplo, 40 m3 / m2h en relación con la operación de calefacción, para lograr temperaturas más altas.
Por lo tanto, en el caso de un sistema típico en una casa unifamiliar con una superficie colectora de 10m2, se obtiene un caudal volumétrico total de 400 m3 / h, por lo que el rendimiento medio del intercambio de calor es:

VW = QWpromedio/ (cW · ΔTW)

Donde QWpromedio es el calor en la salida promedio del intercambiador de calor [W], VW es el flujo volumétrico en el sistema hidráulico [m3 / h], cW es la capacidad calorífica específica del agua [1150 Wh / (m3 × K) ], y ΔTW es la diferencia de temperatura del lado del agua [K].

VW = 2344 W/ 1150 Wh/(m3 · K) · 10 K = 200 l/h

El rendimiento máximo del intercambiador de calor se puede calcular con la temperatura de entrada máxima ajustada, aprox. 80 ° C, por lo tanto una ΔTL de aprox. 35 K.
Al planificar un sistema de aire solar, y la posibilidad de calentar el agua sanitaria desde el principio, la superficie del colector debe ser de aprox. De un 15 a un 25% más grande en comparación con una operación de calefacción ordinaria.