Estimación de la Demanda Calorífica y Dimensionado de Instalaciones Solares Térmicas: Guía Técnica para Energía Solar en Edificios

Estimación de la demanda calorífica

Para calcular la contribución solar de la instalación, y poder dimensionarla de forma que suministre dicha contribución solar, el primer paso es la estimación de las necesidades térmicas del edificio en sus aplicaciones de suministro de ACS o bien climatización de piscinas.

La demanda calorífica se obtiene con la siguiente información previa, que habrá que evaluar en base mensual:

• Demanda de ACS del edificio, en litros o m³ por día.
• Temperatura final de calentamiento, normalmente 60 ºC como referencia.
• Temperatura fría del agua de red.

En primer lugar, se determina la demanda de agua caliente prevista, en función del tipo de aplicación y de sus dimensiones (ocupación). Posteriormente deberá determinarse la demanda energética que supone el calentamiento de dicha cantidad de agua desde la temperatura de red hasta la temperatura final.

C.1. Estimación de la demanda de ACS

La estimación del consumo de ACS previsto en el edificio es un dato fundamental para calcular la contribución solar real de la instalación. Sin embargo, existe escasa información del terreno, ya que raramente se registran directamente estos caudales.

En edificios ya en funcionamiento, con una instalación convencional, es posible estimar el consumo de ACS a partir del gasto de combustible que aparece en las facturas mensuales o bimensuales. Si la instalación suministra tanto calefacción como ACS, deberá escogerse un mes de verano, en el que no se concrete la calefacción:

Di = Dcomb,i · PCI · η / (Tuso − Trd)

Para obra nueva, la solución consiste en utilizar las tablas que diversos organismos ofrecen. No deben confundirse estos valores de demanda con los registros y estadísticas de consumo de agua caliente por persona y día, que incluyen también el agua fría.

Para obtener la demanda mensual de ACS deberá multiplicarse la demanda diaria por el número de días de cada mes. Si es constante durante todo el año, la demanda total será, obviamente, igual a la demanda diaria × 365 días.

El CTE indica que, en el caso de que se justifique un nivel de demanda de ACS que presente diferencias superiores al 50% entre los diversos días de la semana, se considerará la correspondiente al día medio de la semana, y la capacidad de acumulación será igual a la del día de la semana de mayor demanda.

En usos residenciales, si no se conoce el nivel de ocupación de las viviendas objeto del suministro, deberá estimarse el número de personas a partir del número de dormitorios de cada vivienda.

Para la asignación de la contribución solar mínima que debe satisfacer la instalación, deberá considerarse siempre la demanda a la temperatura de referencia de 60 ºC. Sin embargo, si la temperatura de acumulación de diseño es distinta de los 60 ºC, para el dimensionado de la instalación deberá corregirse la demanda anterior según las siguientes expresiones:

Di(t) = Di(60 ºC) · (60 − Trd,i) / (t − Trd,i), D(t) = Σ Di(t)

Para obtener la demanda mensual deberá multiplicarse la demanda diaria por el número de días de cada mes.

Una temperatura de acumulación inferior mejora el rendimiento de la instalación, ya que existe un mayor salto térmico en el intercambio de calor. Sin embargo, aumenta el volumen de acumulación para almacenar la misma carga térmica y puede existir riesgo de legionelosis. Si la acumulación se realiza a mayor temperatura se requerirá un mayor número de captadores, si bien una acumulación de menor tamaño.

Para realizar estas correcciones por temperatura, así como para cálculos posteriores de la demanda en términos energéticos, pueden usarse las tablas de temperaturas medias de agua de red. Sin embargo, es común utilizar una temperatura media anual de 12 ºC, tal y como hace el propio CTE en la estimación de las demandas energéticas a 60 ºC antes tabuladas.

C.2. Cálculo de la demanda energética por consumo de ACS

Una vez estimado el consumo de agua caliente, se calcula cuánta energía requerirá su calentamiento desde las condiciones del agua de red hasta la temperatura final. No debe confundirse la temperatura de utilización del agua con la temperatura final de calentamiento en el acumulador. Por motivos sanitarios, mencionados anteriormente, deberá calentarse el agua a temperaturas superiores aunque después se realice la mezcla con agua fría en el consumo.

Para la estimación de la demanda energética se considera el salto térmico completo, desde la temperatura de red hasta la temperatura final del acumulador. Así pues, la demanda mensual necesaria para calentar un volumen de agua diario, expresado en m³/día, se obtiene mediante la siguiente expresión:

Dms,i (kWh/mes) = 1,16 · 10⁻³ · Ddía · Ndías,i · cp · ρ · (Tacs − Trd,i)

Donde cp es el calor específico del agua (1 kcal/kg·ºC) y ρ es la densidad del agua (1.000 kg/m³). Además, 1 kcal = 4,168 kJ y 1 kW = 1 kJ/s · 3600 s = 3600 kJ.

Si el consumo de agua es constante a lo largo del año, la necesidad energética es inferior en verano. Esto se debe a que el agua de red está más caliente y, por tanto, el salto térmico que debe proporcionar la instalación solar es menor. Puede comprenderse que si además se supusiera un consumo estival de agua caliente inferior, lo cual tiene bastante sentido en esta aplicación, las diferencias aumentarían. A todo ello se suma que la radiación es máxima en esta época del año, de menor necesidad térmica.

El sistema debe ser capaz de proporcionar la contribución anual mínima establecida por el CTE, pero sin generar excedentes excesivos en otras épocas, que no solo serían desperdiciados, sino que implican un aumento de las temperaturas, un mayor riesgo de estancamiento de los captadores y una degradación mayor de los componentes. El propio CTE limita el sobredimensionado en los meses de verano.

C.3. Cálculo de la demanda energética para climatización de piscina cubierta

La instalación solar para la climatización de una piscina cubierta debe suministrar entre el 30 y el 70% de la demanda total de energía, en función de la zona climática, tal y como se indica en la tabla de asignación. A partir de los datos del CTE, la demanda energética total depende, por una parte, del volumen de agua a acondicionar y, por otra, de las temperaturas del agua y del aire del recinto.

El propio CTE señala que, para piscinas cubiertas, los valores ambientales de temperatura y humedad deberán ser fijados en el proyecto. La temperatura seca del local deberá ser entre 2 ºC y 3 ºC mayor que la del agua, con un mínimo de 26 ºC y un máximo de 28 ºC, y la humedad relativa del ambiente se mantendrá entre el 55% y el 70%, siendo recomendable escoger el valor del 60%. Se deduce, entonces, que la temperatura del agua estará entre los 23 ºC y los 26 ºC, sin que el CTE ofrezca indicaciones más concretas ni proponga métodos de cálculo de la demanda térmica.

Se recurre al Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE, que aborda con más detalle la estimación de la demanda energética en piscinas. La temperatura del agua se medirá en el centro de la piscina y a 20 cm por debajo de la lámina de agua. La tolerancia en el espacio, horizontal y verticalmente, de la temperatura del agua no podrá ser mayor de ± 1 ºC.

Para el cálculo de la demanda energética deben evaluarse las pérdidas térmicas de la piscina hacia su entorno:

• Pérdidas por evaporación: 70-80% del total.
• Pérdidas por radiación: 15-20% del total.
• Pérdidas por conducción a través de los cerramientos: despreciables.

Para el cálculo de las pérdidas energéticas en piscinas cubiertas puede utilizarse la siguiente expresión empírica, que engloba todas ellas en términos de potencia calorífica. Es un método simplificado propuesto en el IDAE:

P (kW) = (130 − 3 · Tawa + 0,2 · Tawa²) · (Spiscina / 1000)

Si se quiere obtener la energía en unidades de energía diaria (kWh/día), se multiplica por 24: E (kWh/día) = 24 · P.

Si bien en el CTE no se incluye la climatización de piscinas al aire libre, es un tipo de aplicación con un cierto mercado en España, donde se logra ampliar los meses de uso, fundamentalmente compensando las pérdidas de calor nocturnas con la aportación del sistema solar. Cabe recordar que es un tipo de aplicación donde no está permitido el uso de fuentes no renovables.

El IDAE ofrece una expresión empírica para la estimación de las pérdidas energéticas a suplir, P:

P (W/m²·ºC) = ((28 + 20 · v_viento) · (Tawa − Tair) · Sawa) / 1000

D. Condiciones climáticas

D.1. Radiación solar incidente

En la asignación de los valores de contribución solar mínima que realiza el CTE se considera la zona climática donde se va a instalar el sistema solar térmico, como se analizó en apartados anteriores. Aparecía ya una primera dependencia del diseño de la instalación con el nivel de radiación global existente en el lugar de ubicación.

Sin embargo, la influencia de la radiación solar no se queda en eso, sino que es necesario disponer de datos de radiación incidente del lugar para poder calcular el número de captadores solares necesarios, y en realidad, para estimar la energía generada por estos y poder conocer la energía transferida al agua de consumo.

Para el dimensionado de los sistemas solares térmicos y su análisis energético se utilizan los 12 valores medios mensuales de irradiación diaria global incidente, expresados en MJ/m² o, más habitualmente, en kWh/m². Si no se dispone de otros datos más precisos del lugar de instalación, el IDAE recomienda utilizar los datos suministrados por CENSOLAR. Estos datos se refieren a superficie horizontal, por lo que es necesario transformarlos a la inclinación y orientación real de los captadores solares. Existen aplicaciones informáticas que permiten realizar esta transformación. También en el portal sobre radiación solar de la Comisión Europea, PVGIS, se pueden obtener los valores de radiación diaria para cualquier inclinación y para un gran número de municipios.

La radiación solar sobre superficie inclinada se relaciona con la de superficie horizontal mediante:

Gdi (β) = k · Gdi (0º)

Donde Gdi (β) es la media de la radiación solar diaria incidente en el mes i sobre una superficie de inclinación β, y Gdi (0º) la media de la radiación solar diaria incidente en el mes i sobre superficie horizontal.

La energía solar mensual incidente, Eims,i, se obtiene simplemente multiplicando la irradiación diaria de cada mes por el número de días:

Eims,i = Gdi (β) · Ndías,mes

D.2. Temperatura ambiente

Los captadores solares están expuestos a pérdidas de calor que se reducen con el aumento de la temperatura ambiente. Se produce un incremento de la eficiencia y un mejor aprovechamiento de la radiación solar incidente.

Para el cálculo de la instalación solar capaz de suministrar la fracción de energía que exige el CTE, deberán disponerse de bases de datos de temperatura ambiente del lugar de ubicación o de un lugar próximo. Si no se dispone de datos de temperatura media mensual registrados a todas las horas del día, ya que es en este tiempo en el que los captadores se encuentran funcionando y cuando pueden producirse las pérdidas, si no se disponen de datos concretos de la localidad de ubicación, puede recurrirse a las tablas que proporciona CENSOLAR y que recomienda el IDAE.

E. Energía solar térmica aportada

La energía calorífica que una instalación solar aporta al agua de consumo solo es posible calcularla a partir de la radiación incidente, una vez que se conoce el número de captadores previstos. Sin embargo, cuando el objetivo es suministrar la cantidad exigida por el CTE, se determina la energía solar a aportar como el producto de la contribución solar mínima por la demanda energética total. El resto proviene del calentador auxiliar. El análisis mensual de la aportación del sistema deberá realizarse para una superficie de captación ya determinada.

C. Pérdidas de posición y por sombreado

C.1. Aspectos generales

En un proyecto de instalación, el estudio de dimensionado efectuado hasta el momento debe integrarse en las características específicas del edificio donde se va a ubicar, lo cual puede modificar algunos aspectos del diseño o incluso imposibilitar su aplicación. El edificio se encuentra situado en un entorno urbanístico, ya formado o en construcción, que puede provocar el sombreado parcial del lugar previsto de instalación de los captadores. El propio edificio también puede modificar la recepción solar por sombras (chimeneas o cualquier otro elemento saliente) o por la disposición de las cubiertas adecuadas para la colocación de los captadores.

En este sentido, deben evaluarse las posibles pérdidas por una posición (orientación e inclinación) del campo de captadores diferente de la óptima y los efectos del sombreado de elementos de su entorno. En realidad, el efecto de una posición no óptima (orientación sur e inclinación alrededor de los 30-35º en la península) ya se ha tenido en cuenta en el dimensionado, puesto que los datos de radiación incidente, Gdm, empleados en el cálculo de la E solar absorbida, deben ser los obtenidos para la orientación e inclinación reales de los captadores.

Orientación e inclinación y sombras, total: General (10 %, 10 %, 15 %); Superposición (20 %, 15 %, 30 %); Integración (40 %, 20 %, 50 %).

Sin embargo, para que una ubicación de los captadores sea autorizada deben cumplirse unos requisitos adicionales sobre límites admisibles de pérdidas. Se diferencian tres casos: general, superposición de módulos e integración arquitectónica.

• Integración arquitectónica: cuando los módulos cumplen una doble función energética y arquitectónica y, además, sustituyen elementos constructivos convencionales o son elementos constituyentes de la composición arquitectónica.
• Superposición arquitectónica: cuando la colocación de los captadores se realiza paralela a la envolvente del edificio, no aceptándose en este concepto la disposición horizontal, con el fin de favorecer la autolimpieza de los módulos.

Es decir, no se admite un máximo de sombras en ambos conceptos, ya que entonces la total superaría los límites admisibles.

Se considera como orientación óptima el sur, y como inclinación óptima, dependiendo del periodo de utilización, uno de los valores siguientes:

• a) Demanda constante anual: la latitud geográfica.
• b) Demanda preferente en invierno: la latitud geográfica + 10º.
• c) Demanda preferente en verano: la latitud geográfica − 10º.

C.2. Estimación de las pérdidas por orientación e inclinación

El CTE establece el método de evaluación de las pérdidas por orientación e inclinación y sombras de la superficie de captación. La inclinación de los captadores toma como referencia la horizontal, mientras que para la orientación se toma como origen de ángulos la dirección sur (ángulo 0º de acimut).

El CTE ofrece una herramienta gráfica para la estimación de las pérdidas por orientación e inclinación, en valor anual. Este gráfico es válido para una latitud (φ) de 41º, debiendo corregirse los resultados para otras latitudes. Los ejes radiales representan las diferentes orientaciones, con eje norte-sur en la vertical. Las circunferencias concéntricas marcan las inclinaciones de los captadores, siendo el punto central del gráfico la posición horizontal y la circunferencia exterior la vertical (inclinación de 90º). La intersección de una radial con una circunferencia es una posición concreta del campo de captadores.

Las diferentes secciones indican el porcentaje de energía anual recibida respecto al óptimo, situado (punto negro) en orientación sur e inclinación 34-35º. Las pérdidas anuales se obtienen restando dicho porcentaje de 100.

Para dicha orientación (acimut = 0), se calculan los límites de inclinación aceptables de acuerdo a las pérdidas máximas respecto a la inclinación óptima establecidas en la tabla correspondiente, en función del tipo de integración.

Para latitudes diferentes de los 41º se corrigen los valores de inclinación obtenidos mediante las siguientes expresiones:

• a) Inclinación máxima = inclinación (φ = 41º) − (41º − latitud)
• b) Inclinación mínima = 5º

En casos cercanos al límite y como instrumento de verificación, se utilizarán las siguientes fórmulas:

Pérdidas (%) = 100 · (1,2 · 10⁻⁴ · (β − βopt)² + 3,5 · 10⁻⁵ · α²), para 15° < β < 90°

Pérdidas (%) = 100 · (1,2 · 10⁻⁴ · (β − βopt)²), para β < 15°

C.3. Estimación de las pérdidas por sombreado

El CTE establece el método a emplear para calcular las pérdidas de radiación incidente sobre los captadores debidas a las sombras producidas por elementos del entorno. Estas pérdidas se expresan como porcentaje de la radiación solar global anual que incidiría sobre los captadores de no existir sombra alguna.

En caso de superar los valores límite establecidos por el CTE y no poder eliminar el elemento causante de la sombra, se debe buscar otra ubicación más favorable, en las condiciones expuestas anteriormente.

El procedimiento de cálculo propuesto en el CTE consiste en la comparación del perfil de obstáculos que afecta a la superficie de estudio con el diagrama de trayectorias del sol. Este diagrama es válido para localidades de la Península Ibérica y Baleares (para las Islas Canarias el diagrama debe desplazarse 12º en sentido vertical ascendente). Se encuentra dividido en porciones, delimitadas por las horas solares (negativas antes del mediodía solar y positivas después de este) e identificadas por una letra y un número (A1, A2,… D14).

Cada una de las porciones representa el recorrido del sol en un cierto periodo de tiempo (una hora a lo largo de varios días) y tiene, por tanto, una determinada contribución a la irradiación solar global anual que incide sobre la superficie de estudio. Así, el hecho de que un obstáculo cubra una de las porciones supone una cierta pérdida de irradiación.

C.4. Distancia entre filas de captadores

Conociendo la longitud del panel l (en su lado vertical) y la inclinación β, por simples reglas de trigonometría se puede determinar la distancia d entre paneles que garantiza que al mediodía del día del año con el sol más bajo (solsticio de invierno), la sombra de una fila no alcanza a la siguiente:

d ≥ l · sen β / tan γmin + l · cos β

La distancia mínima entre el final de un captador y el siguiente es:

dmín ≥ h / tan γmin

Así, el IDAE propone la siguiente aproximación, basada en lo expuesto, con los 6º de diferencia en elevación:

dmín ≥ h / tan(61 − Lat) = K · h

C.5. Condiciones de diseño del intercambiador

El CTE establece que la potencia térmica de un intercambiador independiente debe ser de al menos 500 veces la superficie de captación:

Pintercambio (W) ≥ 500 · Scaptación (m²)

En otros documentos se recomienda un factor de 600 para esta estimación (Pliego IDAE).

Si el intercambiador está incorporado al acumulador, se indica en el propio CTE que la relación entre la superficie útil de intercambio interno y la superficie total de captación no será inferior a 0,15. En ocasiones se recomienda aumentar este valor a 0,20, si bien siempre se depende de la oferta de equipos existentes en el mercado.

C.6. Condiciones de diseño del circuito hidráulico

El diseño del circuito primario parte del dato de caudal que debe circular por los captadores. Es una información que deben proporcionar los fabricantes. En su defecto, el CTE indica un rango de valores entre 43 y 72 l/h·m², debiendo contabilizarse solo la superficie de captación en paralelo, ya que por los elementos en serie circula el mismo caudal. El RITE establece un valor máximo algo inferior, entre 43 y 57 l/h·m². Como se ha comentado, algunos fabricantes estipulan el caudal en 10–30 l/h·m² en lo que se conoce como low-flow.

Existe una relación entre el caudal de fluido Q y la velocidad de circulación v, en función del diámetro interior D de la tubería:

v (m/s) = 0,354 · Q (l/h) / D² (mm²)

En el interior de locales habitados, la velocidad de circulación está limitada a 1,5 m/s por cuestiones acústicas y no debe ser inferior a 0,5 m/s para evitar sedimentaciones. En el exterior puede aumentarse hasta los 2,5 m/s, si bien siempre a expensas de los requisitos de caudal suministrados por los fabricantes.

Asimismo, con el caudal de diseño y su distribución por tramos, se calculan las pérdidas de carga en cada tramo del circuito, utilizando los ábacos o las herramientas informáticas al efecto. Estas pérdidas de carga, por unidad de longitud, dependen del diámetro interno de la tubería y de la viscosidad del fluido de trabajo.

La longitud de tuberías debe ser la menor posible y su trazado lo más recto que permita la edificación y ubicación de los equipos. Asimismo, los tramos horizontales deben tener siempre una pendiente mínima del 1% en el sentido de la circulación, como establece el CTE.

Además de las pérdidas en los tramos lineales deben sumarse las singularidades, como pérdidas en codos, reducciones de sección, válvulas y todo elemento que interfiera en la circulación del fluido. Asimismo, deben contabilizarse las pérdidas en el intercambiador y en los propios captadores.

Las pérdidas de carga totales en las tuberías, Pdc_tuberías, expresadas en mm de columna de H₂O (mmca), se pueden obtener como:

Pdc_tuberías = (Σ_tramos Pdc_unitaria · L_equiv) + Pdc_singular

Donde Pdc_unitaria son las pérdidas por unidad de longitud (mmca/m) en cada tramo de tubería, L_equiv es la longitud por tramo, corregida para la circulación del fluido de trabajo (m), y Pdc_singular las pérdidas de carga en las singularidades (mmca).

La corrección debida a la mayor viscosidad del fluido de trabajo respecto al H₂O puede estimarse en un 30%. Así: L_equivalente = 1,3 · L_real.

Las pérdidas de carga en cada singularidad se determinan, por tanto, como:

Pdc_singular = Pdc_unitaria · L_equivalente (si H₂O + anticongelante: 1,3 · L_equiv)

Pdc_unitaria (mmca/m) = 378 · (Q^1,75 / D^4,75), con Q en l/h y D (diámetro interior de la tubería) en mm.

En el circuito secundario el tratamiento es similar, teniendo en cuenta que en este caso el fluido es H₂O, por lo que no es necesario aplicar el factor de corrección del 30% por viscosidad elevada que se utilizaba para el fluido caloportador en el circuito primario.