Tema 1 Cálculo de la Instalación. Instalaciones Solares Termicas

GESTIÓN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS (GMM) TEMA 1. CÁLCULO DE LA INSTALACIÓN. ANÁLISIS PREVIO

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TEMA 1 CÁLCULO DE LA INSTALACIÓN. ANÁLISIS PREVIO

1. MARCO NORMATIVO

1.1. ESTATAL

A nivel estatal se debe tener en cuenta el Código Técnico de la Edificación (CTE) en su Documento Básico de Ahorro de Energía (DB-HE) y exigencia básica, Contribución solar mínima de ACS. En el artículo 15.4 de la Parte 1 del CTE se describe la exigencia básica HE4: Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria.

Al realizar el proyecto de la instalación deben tenerse en cuenta posibles condiciones más restrictivas o exigentes que puedan derivarse de las normativas locales o comunidades autónomas. La estructura de la Sección HE 4 es la siguiente: 1 Generalidades. 2 Caracterización y cuantificación de las exigencias. 3 Cálculo y dimensionado. 4 Mantenimiento. Apéndice A Terminología Apéndice B Tablas de referencia Apéndice C Normas de referencia

1.2. AUTONÓMICO

A nivel autonómico hemos de considerar dos decretos normativos: el Decreto de Ecoeficiencia de Catalunya y la Norma do Habitat Galego de Galicia. DECRETO DE ECOEFICIENCIA DE CATALUNYA

El Gobierno de la Generalitat de Catalunya aprobó el Decreto 21/2006, de 14 de Febrero, por el que se regula la adopción de criterios ambientales y de ecoeficiencia en los edificios, en vigor a los seis meses de su publicación en BOGC, es decir el 14 de Agosto de 2006, que es de aplicación para toda la Comunidad Autónoma.

En el preámbulo se explica que el Decreto 21/2006 tiene por objetivo la adopción de criterios ambientales y de ecoeficiencia en los edificios para continuar el proceso de cambio social encauzado por los municipios, en la manera de concebir, diseñar, construir y utilizar los edificios, desde la perspectiva de la sostenibilidad ambiental.

Este Decreto se dicta al amparo de lo establecido en la Ley estatal 38/1999, de 5 de noviembre, de ordenación de la edificación, que establece los requisitos básicos que deben cumplir los edificios y prevé que las administraciones competentes pueden dictar normas que completen el Código técnico de la edificación, que es el instrumento previsto para establecer el marco normativo para el cumplimiento de los requisitos básicos de la edificación.


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Por ello, se considera necesario por parte de la Generalitat establecer las medidas previstas en el Decreto, que despliegan los requisitos básicos de habitabilidad de los edificios establecidos en la Ley estatal indicada y se considera una primera actuación que incide en los usos edificatorios más habituales fijando unos parámetros de ecoeficiencia.

Los parámetros ambientales y de ecoeficiencia son de aplicación a los edificios, de titularidad pública o privada, destinados a cualquiera de los usos siguientes: 1. Vivienda. 2. Residencial colectivo (hoteles, pensiones, residencias, albergues). 3. Administrativo (centros de la administración pública, bancos, oficinas). 4. Docente (escuelas infantiles, centros de enseñanza primaria, secundaria, universitaria y formación profesional). 5. Sanitario (hospitales, clínicas, ambulatorios y centros de salud). 6. Deportivo (polideportivos, piscinas y gimnasios).

Los parámetros de ecoeficiencia que deben cumplir los edificios hacen referencia a cuatro conceptos:

• Agua. • Energía. • Materiales y sistemas constructivos. • Residuos.

El Decreto fija que los edificios con una demanda de agua caliente sanitaria igual o

superior a 50 litros / día a una temperatura de referencia de 60°C, en función de los parámetros fijados en el Anexo 1, tendrán que disponer de un sistema de producción de agua caliente sanitaria que utilice para su funcionamiento energía solar térmica.

El Anexo 3 define las zonas climáticas en relación con las comarcas históricas de Cataluña y un mapa de distribución.

La contribución mínima en % figura en el Anexo 2 en función de las zonas climáticas y la demanda de agua caliente sanitaria.

La obligación de la aportación solar no será de aplicación en los siguientes casos:

a) Cuando se cubra la aportación energética de agua caliente sanitaria mediante otras energías renovables, procesos de cogeneración o fuentes de energía residuales procedente de la instalación de recuperadores de calor independientes a la propia generación de calor del edificio.

b) Cuando el edificio no cuente con suficiente soleamiento por barreras externas. c) En rehabilitación de edificios, cuando haya limitaciones no enmendables

derivadas de la configuración previa del edificio existente o de la normativa urbanística aplicable.

d) En edificios de nueva planta, cuando haya limitaciones no enmendables derivadas de la normativa urbanística aplicable que imposibiliten de forma evidente la disposición de la superficie de captación necesaria.

e) Cuando así lo determine el órgano competente que tiene que dictaminar en materia de protección del patrimonio cultural catalán.


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En todos estos casos habrá que justificar adecuadamente, tanto la utilización de otra fuente de energía de las mencionadas en el punto a), como la imposibilidad de ejecución de cualquiera de los puntos b), c), d) y e). NORMA DO HABITAT GALEGO DE GALICIA

En Galicia se contemplaba el Decreto 262/2007 del 20 de diciembre promulgado por la Consellería de Vivienda y Suelo, en el que se aprobaron las Normas del Hábitat Gallego. Recientemente ha quedado derogado por el Decreto 29/2010 del 18 de Marzo del 2010 en el que se especifica que las instalaciones solares se regirán por lo que indica el DB-HE-4 del CTE.

El Decreto 262/2007 tenía por objeto aprobar las normas del hábitat gallego, entendiendo por éste el conjunto de las condiciones de funcionalidad y habitabilidad que deben reunir las edificaciones con uso destinado a vivienda, de modo que armonice con el CTE.

El Decreto se aplicaba por tanto a las viviendas de nueva construcción, así como las que se amplíen, renueven o rehabiliten en el ámbito de la Comunidad Autónoma de Galicia, quedando excluidos los edificios destinados a otros usos.

En lo que atañe a las instalaciones solares térmicas, el Decreto 262/2007 introducido una regulación distinta al CTE en el Anexo I.D., que regulaba condiciones complementarias a las generales para las viviendas unifamiliares aisladas.

En este anexo se indicaba que el porcentaje de agua caliente sanitaria que debía suministrarse por medio de paneles solares u otras energías alternativas en las zonas 1 y 2 según lo establecido en el CTE, debía alcanzar el 50% y el 70% en la zona 3.

1.3. MUNICIPAL

A nivel municipal nos encontramos con diversas ordenanzas solares. La actividad pionera en el impulso de las instalaciones solares les ha correspondido a las entidades locales que fueron las primeras en establecer la obligatoriedad de incorporar instalaciones de energía solar térmica a través de Ordenanzas Municipales de las que se han promulgado unas 90, aproximadamente la mitad de las cuales son de Cataluña.

Todas las ordenanzas tienen una estructura semejante, distinguiéndose los artículos relativos a:

• Objeto y campo de aplicación. • Usos afectados. • Garantía de cumplimiento. • Criterios de excepcionalidad. • Requisitos de las instalaciones. • Protección del paisaje. • Deber de conservación. • Empresas instaladoras. • Cumplimiento, infracciones y sanciones.

Además, en la propia ordenanza o en anexos normativos adjuntos, se especifican:

• Consumos unitarios a considerar en cada uso.


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• Temperatura requerida para el agua caliente. • Contribución solar mínima requerida.

Es importante destacar en el artículo sobre Requisitos de las instalaciones que, para el

diseño y cálculo de las mismas, las ordenanzas remiten en general a dos documentos que se consideran adecuados para este fin. Estos documentos son:

• Pliego oficial de condiciones técnicas de instalaciones de energía solar térmica de baja temperatura de IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía).

• Criterios de calidad y diseño de instalaciones de energía solar para agua caliente y calefacción de APERCA (Asociación de Profesionales de las Energías Renovables de Cataluña).

Como es lógico, el segundo se aplica sólo en las ordenanzas municipales de

Cataluña, aunque no en todas, como es el caso de Lérida que remite a IDAE.

Hay que destacar que mientras el Pliego oficial de condiciones técnicas de IDAE incluye métodos de cálculo adecuados para la demanda energética, pérdidas por orientación e inclinación y pérdidas por sombras, en los criterios de calidad y diseño de APERCA no se incluye ningún procedimiento de cálculo.

1.4. ELECCIÓN DE LA NORMATIVA

El Apartado 15.4 de la exigencia básica HE 4 del Código Técnico de la Edificación CTE se recoge que los parámetros marcados tienen carácter de mínimos. Esto nos indica que, al realizar el proyecto de la instalación, es necesario considerar posibles condiciones más restrictivas o exigentes existentes en las normativas locales o de las comunidades autónomas.

Entre las ordenanzas antes mencionadas, únicamente Barcelona, Sevilla, Vigo, El Molar, Soto del Real, Tres Cantos y Finestrat incorporan un artículo sobre vigencia en el que se indica que esta ordenanza tendrá vigencia mientras no exista una disposición de rango superior que regule la obligatoriedad de la producción de agua caliente sanitaria por energía solar térmica, de donde se deduce que estas ordenanzas quedan derogadas por el CTE en cuanto a la producción de agua caliente sanitaria por energía solar térmica, ya que algunas de estas ordenanzas, como la d e Sevilla o Tres Cantos, tienen un objeto más amplio que la simple producción de agua caliente sanitaria por energía solar térmica.

En el caso de Cataluña se tiene un caso similar, ya que en la normativa se especifica que las disposiciones y requerimientos del decreto de ecoeficiencia tienen carácter de mínimos para la comunidad autónoma lo que indica que en Cataluña se debe estudiar en cada caso los requisitos de la ordenanza si la hubiere, del Decreto 21/2006, del Código Técnico y aplicar aquello que resulte más restrictivo.

Un último condicionante, no prescriptivo, son los planes de energía renovables aprobados por algunas Comunidades Autónomas que incentivan la adopción de determinadas soluciones, por lo que habrá que evaluar su conveniencia en dichos ámbitos territoriales.

Todo esto conduce a la consideración de que cualquier proyecto debe ser contemplado desde multitud de variables que pueden dar lugar a modificaciones


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sustanciales de las hipótesis de partida, constituyendo una actividad ciertamente compleja para el proyectista.

2. CONSIDERACIONES GENERALES

El proyecto de una instalación solar térmica constituye un desarrollo del proyecto general del edificio en el que está incluida. Por consiguiente, las decisiones generales del proyecto de arquitectura condicionan la disposición de la instalación, que a su vez condiciona también el proyecto de arquitectura del edificio por sus propias características. Para apreciar los condicionantes en el edificio que se proyecta, hay que considerar las particularidades de este tipo de instalaciones. Para ello se parte del análisis de los subsistemas básicos de una instalación solar, que son, como ya se ha visto:

• Subsistema de captación. • Subsistema de intercambio y acumulación. • Subsistema de energía convencional auxiliar.

La combinación de diferentes tipos de acumulación con distintas formas de energía

convencional auxiliar ha sido ya estudiada, pudiendo apreciarse con su comparación lo que cambia el proyecto del edificio según las decisiones que se adopten. Todas estas consideraciones conducirán a la elección de una determinada configuración de la instalación, tras lo cual comienza el proceso del cálculo propiamente dicho.

2.1. SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN

El campo de captadores parte de la dificultad añadida de unas condiciones bastante restrictivas respecto a su desviación de la orientación sur y la influencia de las sombras a lo que hay que sumar las condiciones ambientales en muchas ordenanzas, por lo que es previsible que se convierta en el condicionante principal para el diseño de las cubiertas.

En edificios de gran altura es posible que no se disponga de suficiente superficie en la cubierta para situar los captadores, lo que puede obligar a elegir, si tampoco existe parcela libre para ello, soluciones de alta tecnología o singulares como puede ser su integración arquitectónica.


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Además, la posición de los edificios está muy condicionada por la propia parcela, por

lo que en la práctica hay un escaso grado de libertad en la situación de los captadores.

Todo ello hace necesario que la instalación solar térmica deba considerase desde una fase temprana del proyecto de forma que se puedan tomar decisiones que optimicen el aprovechamiento de la instalación, especialmente por cuestiones de orientación y disposiciones geométricas.

2.2. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO Y ACUMULACIÓN

El volumen de acumulación también es un importante condicionante. Si se sitúan en la cubierta pueden tener un alto impacto visual, y muchas ordenanzas municipales impiden su ubicación en posición visible, debiendo considerarse el espacio para alojar tales depósitos en el interior, así como el acceso a estos cuartos.

2.3. SUBSISTEMA DE ENERGÍA CONVENCIONAL AUXILIAR El sistema de energía convencional no supone en sí mismo un condicionante añadido,

salvo que su integración con el sistema de energía solar conduzca a una alternativa distinta a la que se tomaría sin ella. Es probable que el análisis económico de la instalación conduzca, en algunos casos, a soluciones diferentes a las que se adoptarían sin la instalación solar térmica. Si se centraliza la energía convencional de apoyo habría que prever un cuarto de calderas adecuado, así como las ventilaciones necesarias.

3. PROCEDIMIENTO DE VERIFICACIÓN

3.1. ESQUEMA DEL PROCESO


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3.2. PROCEDIMIENTO SEGÚN CTE

Según el DB HE 4 del CTE, la contribución solar mínima anual es la fracción entre los valores anuales de la energía solar aportada exigida y la demanda energética anual, obtenidos a partir de los valores mensuales. Hay que diferenciar este concepto del de fracción solar o grado de cobertura solar anual, que es la cantidad de energía térmica que aporta una instalación solar a la demanda total. Es decir, la primera definición es una exigencia normativa y la segunda el resultado obtenido en una instalación concreta. El proceso de cálculo tendrá que verificar que la fracción solar es, al menos, igual que la contribución solar mínima exigida por la normativa.

El Apartado 3 del DB HE 4 recoge los criterios generales de cálculo indicando que en la memoria del proyecto se establecerá el método de cálculo especificando:

o los valores medios diarios de la demanda de energía y de la contribución solar, al menos en base mensual;

o incluirá las prestaciones globales anuales definidas por:

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

Este procedimiento de verificación es obligatorio en el cálculo de cualquier

instalación de energía solar térmica, aunque existan regulaciones autonómicas o locales, ya que siempre hay que justificar que se toman los valores más exigentes. También es totalmente aplicable para el cálculo de cumplimiento de los Decretos autonómicos u Ordenanzas municipales, sin más que utilizar los valores de dichos Decretos u Ordenanzas en lugar de los del CTE.

3.2. CONDICIONANTES DE CÁLCULO

O CONDICIONES DE USO

Las condiciones de uso vienen dadas por la demanda energética asociada a la instalación según los diferentes tipos de consumo. Para aplicaciones de A.C.S, la demanda energética se determina en función del consumo de agua caliente. Para aplicaciones de calentamiento de piscinas cubiertas, la demanda energética se calcula en función de las pérdidas de la misma. Estas condiciones de uso vienen reguladas por la normativa vigente.

O CONDICIONES CLIMÁTICAS

Las condiciones climáticas, a efectos de las instalaciones solares térmicas, están definidas por:

o la radiación global total en el campo de captación; o la temperatura ambiente media diaria; o la temperatura mensual media del agua de la red.

Para el cálculo de la demanda energética el dato necesario es la temperatura

mensual media del agua de la red. Para el cálculo de la instalación se necesitan los otros dos datos:


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o la radiación global total en el campo de captación y o la temperatura ambiente media diaria;

En el CTE no figuran datos climáticos, aunque en algunas Ordenanzas establecen

las condiciones de la localidad. Por tanto, es necesario utilizar fuentes fiables como puede ser la Agencia Nacional de Meteorología, Altas climático Solar de Catalunya, tablas realizadas por Censol facilitadas en los pliegos de condiciones técnicas del IDAE o consultar la UNE 94002/2005 referente a la temperatura de agua de red o la UNE 94003/2007. Esta variedad de fuentes y la falta de un criterio unificado, complica la tarea de definir las condiciones climáticas, quedando a criterio del proyectista y/o del técnico municipal la elección de los valores de referencia.

De los tres parámetros mencionados el más difícil de tabular ha sido siempre la radiación global total dado que tiene múltiples condicionantes, comenzando por la propia determinación de los factores a considerar, como por ejemplo la radiación difusa que es la recibida en los días nublados. La radiación se mide sobre la superficie horizontal, aplicando fórmulas factoriales para calcular las restantes posiciones de los captadores, pero las mayores dificultades proceden de las condiciones de horas de sol, nubes, lluvia, etc., convertidas además en promedios anuales, de forma que se minimicen los ciclos estacionales que suceden habitualmente. Mientras que de las restantes condiciones existen series de más de 150 años, las mediciones solares en España no se iniciaron de esta forma hasta mediados de los años setenta, época en que aparecen los primeros planos de radiación solar.

Para apreciar las dificultades de un trabajo semejante puede consultarse el Atlas de Radiació Solar a Catalunya, del Institut Català d’Energia, publicado por el Departament d’Indústria Comerç i Turisme de la Generalitat de Catalunya, donde se explican las hipótesis de partida y el proceso de mediciones y cálculos realizados para su elaboración.

Usualmente, para lo que no está prescrito expresamente en el CTE, o normativa de igual rango, se sigue el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE y se utilizan las tablas de radiación y temperatura ambiente por provincias, recogidas en los Anexos IV y X del Pliego.

Hay que tener en cuenta también los valores particulares que establecen algunas ordenanzas y regulaciones autonómicas, siempre que sean más restrictivas que el CTE. No obstante, en la mayoría de los casos estas tablas proporcionan datos suficientemente fiables para redactar el proyecto.

O CARACTERÍSTICAS DE LOS CAPTADORES

El tercer grupo de datos necesarios para el cálculo de una instalación de energía solar térmica está formado por las características técnicas de los captadores, siendo necesario, como se ha visto en el correspondiente apartado:

o Factor de eficiencia óptica. o Coeficiente global de pérdidas.


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O CÁLCULO DEL CAMPO DE CAPTADORES

Con estos datos puede realizarse el dimensionado del campo de captadores y el cálculo de la fracción solar que proporciona al conjunto de la demanda energética de agua caliente sanitaria. El objetivo es que esta fracción solar coincida con la contribución solar mínima exigida por la normativa.

El método F-Chart es el método de cálculo que se desarrolla en este máster, por ser el método de referencia reconocido internacionalmente. Es el aconsejado en el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Solares Térmicas de Baja Temperatura, del IDAE, recogido asimismo en numerosas Ordenanzas Municipales y cumple con lo especificado en el Apartado 3.3.1 del DB HE 4 del CTE.

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