CHEQ4 - Servidor de la Biblioteca de Ingeniería....

2.

CHEQ4

Comparación de herramientas de cálculo para instalaciones de agua caliente sanitaria mediante energía solar Proyecto Fin de Carrera Francisco Castellano Ruz

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2. CHEQ4 CHEQ4 es una herramienta informática desarrollada para IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía) y ASIT (Asociación Solar de la Industria Térmica) por parte de Aiguasol. Permite validar el cumplimiento de la contribución solar mínima de agua caliente sanitaria exigida en la sección HE4 del Código Técnico de la Edificación siempre que las características de la instalación se encuentren incluidas en su rango de aplicación. Es, por tanto, una herramienta de comprobación y no de diseño. Su correcta aplicación es suficiente para acreditar el cumplimiento de los requisitos establecidos en la sección HE4. Sin embargo, el no cumplimiento permite la posibilidad de demostrar su cumplimiento por otros procedimientos. 2.1. Uso de la herramienta El uso del CHEQ4 es muy rápido y sencillo. Las entradas al programa se introducen a través de cinco pestañas correspondientes a la localización del proyecto, su configuración, la demanda, caracterización del sistema solar y de apoyo y otros parámetros (por ejemplo el volumen de acumulación). Hay una sexta pestaña en la que se muestran los resultados. Se analiza cada una de estas pestañas

- Localización

Figura 2.1. CHEQ4 Localización


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En esta pestaña el usuario solo tiene que introducir la localización de la instalación (provincia y localidad) y su altura absoluta sobre el nivel del mar. El programa devolverá instantáneamente la irradiación global media mensual sobre la horizontal (según UNE 94003), la temperatura media mensual del agua de red (según UNE 94002) y la temperatura ambiente media mensual (según UNE 94003), así como la zona climática a la que pertenece (según HE4) y su latitud.

- Configuración

Figura 2.2.CHEQ 4 Configuración

CHEQ4 está basado en la metodología de cálculo MetaSol descrita más adelante. Ambos han sido diseñados para predecir el comportamiento de las configuraciones más habituales en nuestro país. Esto le da al programa una versatilidad que no tienen otros métodos de cálculo hechos exclusivamente para un tipo de instalación y solo para determinados tamaños, por lo que su uso en sistemas para los que no han sido definidos puede conducir a importantes desviaciones. MetaSol consiste, básicamente, en dos curvas por cada tipo de configuración que permiten predecir las ganancias y pérdidas de cada uno de los sistemas. Las diferentes configuraciones disponibles se describen a continuación. Están agrupadas según sean para consumo único o múltiple.


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1. Instalación para consumo único con sistema prefabricado Sistema solar térmico prefabricado para la producción de ACS en instalaciones de

consumo único con válvula termostática. En este tipo de instalaciones, es posible definir un sistema apoyo tipo “Termo

eléctrico”, que consiste en un acumulador conectado en serie con una resistencia eléctrica en su interior. La selección de un sistema de apoyo se realiza en la pestaña “Solar/Apoyo”.

Para el cálculo de instalaciones con sistemas prefabricados, se ha adaptado la

metodología MetaSol a la normativa de ensayos vigente para este tipo de sistemas (UNE-EN 12976-2).

Figura 2.3.Sistema prefabricado para consumo único

2. Instalación para consumo único con interacumulador

Sistema solar térmico para la producción de ACS en instalaciones de consumo único con acumulador solar, intercambiador interno, sistema de apoyo conectado en serie y válvula termostática.


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Figura 2.4. Sistema con interacumulador para consumo único

3. Instalación para consumo único con intercambiador independiente

Sistema solar térmico para la producción de ACS en instalaciones de consumo único con acumulador solar, intercambiador externo, sistema de apoyo conectado en serie y válvula termostática.

Figura 2.5. Sistema para consumo único con intercambiador independiente


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4. Instalación para consumo único con intercambiador independiente y piscina cubierta

Sistema solar para la producción de ACS y el calentamiento de una piscina cubierta

con intercambiadores externos para ACS y piscina, acumulador solar y de apoyo centralizados, sistema de apoyo conectado con intercambiador externo o resistencia eléctrica y válvula termostática.

Figura 2.6. Sistema para conscumo único con intercambiador independiente y piscina cubierta

5. Instalación para consumo múltiple con todo centralizado:

Sistema solar térmico para producción de ACS en instalaciones de consumo múltiple con acumulación solar centralizada, intercambiador de calor externo, acumulación de apoyo centralizada, sistema de apoyo conectado con intercambiador interno o resistencia eléctrica y conexión directa del circuito de distribución.


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Figura 2.7. Sistema para consumo múltiple con todo centralizado

6. Instalación para consumo múltiple con acumulación centralizada y apoyo distribuido.

Sistema solar térmico para la producción de ACS en instalaciones de consumo

múltiple con acumulación solar centralizada e intercambiador de calor externo, intercambiador de calor centralizado para la preparación de ACS, sistemas de apoyo instantáneos en serie y válvulas termostáticas.

Figura 2.8. Sistema para consumo múltiplo con acumulación centralizada y apoyo distribuido

7. Instalación para consumo múltiple con acumulación distribuida


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Sistema solar térmico para la producción de ACS en instalaciones de consumo

múltiple con acumuladores individuales, intercambiador de calor interno, sistemas de apoyo instantáneos en serie y válvulas termostáticas.

En este tipo de instalaciones, es posible definir un sistema apoyo tipo “Termo eléctrico”, que consiste en un acumulador conectado en serie con una resistencia eléctrica en su interior. La selección de un sistema de apoyo se realiza en la pestaña “Solar/Apoyo”.

Figura 2.9. Sistema para consumo múltiple con acumulación distribuida

8. Instalación para consumo múltiple con intercambio distribuido

Sistema solar térmico para la producción de ACS en instalaciones de consumo múltiple con acumulación solar centralizada e intercambiador de calor externo, con intercambiadores de consumo distribuido, sistemas de apoyo instantáneos en serie y válvulas termostáticas.

En este tipo de instalaciones, es posible definir un sistema apoyo tipo “Termo eléctrico”, que consiste en un acumulador conectado en serie con una resistencia eléctrica en su interior. La selección de un sistema de apoyo se realiza en la pestaña “Solar/Apoyo”.


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Figura 2.10. Sistema para consumo múltiple con intercambio distribuido

- Demanda

Figura 2.11. CHEQ4 Demanda


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En esta pestaña se especifica la aplicación que va a tener la instalación y en función de ella, el programa calcula la demanda (según HE4-3.1.1). Esto es así en el caso de consumo único. Si se tiene consumo múltiple, el usuario debe especificar el número de viviendas y dormitorios de cada una. CHEQ4 considera un consumo de 22 l/día por persona a 60ºC (según HE4-3.1.1.1). El número de personas por dormitorio lo calcula también según la norma (HE4-3.1.1.4). Además se le pueden añadir otras demandas que no se puedan clasificar según ningunas de las anteriores. En el último apartado de la pestaña CHEQ4 ya puede determinar cuál es la contribución solar mínima exigida en (según HE4-2.1.1 y HE4-2.1.2) el código técnico en función del sistema de apoyo que se seleccione posteriormente.

- Solar / Apoyo

Figura 2.12. CHEQ4 Solar/Apoyo


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En esta pestaña el usuario selecciona el captador concreto que vaya a utilizar en la instalación. Todos los captadores que permite seleccionar el CHEQ4 existen en el mercado y están homologados. Además la base de datos se actualiza. El usuario tiene que elegir la empresa comercializadora y el modelo de captador. Automáticamente, el programa muestra los datos correspondientes al captador.

Hay que especificar los siguientes parámetros con respecto al campo solar:

• Número de captadores. • Número de captadores en serie • Orientación • Inclinación

Para los circuitos primario y secundario (si existe) se definen los siguientes

parámetros: • Caudal del circuito primario. El programa, por defecto, le da el valor

correspondiente al valor de test teniendo en cuenta el número de captadores y el número de captadores conectados en serie.

• Porcentaje de anticongelante en el fluido caloportador. • Longitud equivalente del circuito primario. • Espesor y tipo de aislante utilizado.

Por último, hay que seleccionar el sistema de apoyo y el combustible a utilizar. Las

posibilidades son: • Caldera convencional (gas natural, gasóleo o GLP) • Caldera de condensación (gas natural, gasóleo o GLP) • Caldera de baja temperatura (gas natural, gasóleo o GLP) • Caldera de biomasa • Caldera eléctrica

En algunas configuraciones se puede utilizar el termo eléctrico como apoyo tal y

como se vio anteriormente en la pestaña de configuraciones. Este sistema consiste en un acumulador conectado en serie con una resistencia eléctrica en su interior.


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- Otros parámetros:

Figura 2.13. CHEQ4 Otros parámetros

En esta pestaña el usuario debe especificar:

• Volumen de acumulación cuando la acumulación es centralizada. • Volumen de acumulación de las subestaciones cuando la

acumulación es distribuida. En este caso hay que especificar el tipo de aislante y acumulador.

• Características del circuito de distribución. • Características de las subestaciones de distribución (si las hay). • Temperatura del agua de impulsión.

En el caso de que sea una instalación con piscina también hay que completar

parámetros que definen la instalación:

• Profundidad • Tiempo de apertura • Superficie de lámina de agua • Humedad relativa del ambiente


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• Temperatura ambiente • Temperatura de consigna del agua de la piscina • Porcentaje de renovación diaria del agua. • Ratio de ocupación máximo de la piscina (usuarios/m2 de lámina de

agua)

- Resultados

Figura 2.14. CHEQ4 Resultados

En esta pestaña se muestran los valores anuales de los siguientes resultados:

• Fracción solar: Fracción entre los valores anuales de la energía solar aportada y la demanda energética anual.

• Demanda neta: Demanda energética anual sin tener en cuenta las pérdidas en acumulación y en distribución.

• Demanda bruta: Demanda energética teniendo en cuenta las pérdidas en acumulación y en distribución.

• Aportación solar al sistema. • Consumo de energía primaria auxiliar. • Reducción de las emisiones de CO2 asociada a la utilización del

sistema.


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También se muestran gráficamente los valores mensuales de fracción solar,

demanda bruta, aporte solar y consumo auxiliar. - Ventana de avisos y recomendaciones

Figura 2.15. CHEQ4 Ventana de avisos y recomendaciones

Al acceder a la pestaña de CHEQ4, el programa verifica los parámetros

especificados para comprobar el cumplimiento de algunas de las condiciones de cálculo de la contribución solar y de diseño y dimensionado que figuran en HE4. El programa revisa lo siguiente:

• Apartado 3.3.2.2 del HE4: La relación entre el volumen de acumulación y el área total de captación cumplirá:

50 <��

< 180

Con el área A en m2 y el volumen del depósito en litros.

• Apartado 3.5.2.1 del HE4: Las pérdidas máximas por desorientación e inclinación serán inferiores a los límites siguientes: - Casos generales: 10% - Superposición: 20% - Integración arquitectónica: 40%


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• Apartado 2.1.4 del HE4: Con independencia del uso al que se destine la instalación, en el caso de que en algún mes del año la contribución solar sobrepase el 100% de la demanda energética o en más de tres meses seguidos el 100% se adoptarán cualquiera de las siguientes medidas:

- Dotar a la instalación de la posibilidad de disipar dichos excedentes (mediante equipos específicos o circulación nocturna del circuito primario).

- Tapado parcial del campo de captadores. En este caso el captador está aislado del calentamiento producido por la radiación solar y a su vez evacua los posibles excedentes térmicos residuales a través del fluido del circuito primario (que seguirá atravesando el captador).

- Vaciado parcial del campo de captadores. Esta solución permite evitar el sobrecalentamiento, pero dada la pérdida de parte del fluido del circuito primario, debe ser repuesto por un fluido de características similares debiendo incluirse este trabajo en entre las labores del contrato de mantenimiento.

- Desvío de los excedentes energéticos a otras aplicaciones existentes.

- Certificado HE4

Si la instalación cumple los requerimientos de contribución solar mínima exigida

por el HE4, CHEQ4 generará un certificado con los datos del proyecto y resultados obtenidos. En la siguiente página se muestra el certificado:


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2.2. El método MetaSol

El método MetaSol es un método de cálculo similar al F-Chart, es decir es una aproximación que parte de modelos detallados que han sido obtenidos a partir del programa TRNSOL. Se han realizado gran cantidad de simulaciones para correlar los resultados obtenidos en función de las variables clave del sistema. Las condiciones de contorno (radiación, temperatura ambiente, temperatura de agua de red, demanda, etc.) se fijan de acuerdo a la normativa española. Se han escogido siete configuraciones que cubren la mayoría de los sistemas instalados en España. En otros casos, la elección de la configuración más parecida mejorará el resultado en comparación con F-Chart. Se muestra una tabla que resume las diferencias entre ambos:

MetaSol F-Chart Configuraciones 7 1 Climas 7 1 Simulaciones 69000 300 Demanda máxima 3000 kg/día 560 kg/día

Tabla 2.1. Comparación MetaSol y F-Chart

En la tabla ya se observa que el rango de aplicación de MetaSol es mucho más amplio que F-Chart. Se definen 12 variables de entrada que caracterizan las condiciones de operación y propiedades del sistema, y tres factores de efectos aleatorios, que caracterizan la localización (radiación temperatura de agua de red y temperatura ambiente). No todas tienen sentido en todas las configuraciones. Cada una estará caracterizada por entre 6 y 10 variables y 2 o 3 factores climáticos. La metodología de cálculo es la siguiente: dada una localización, un consumo, una configuración y las características de los componentes que forman el sistema, el proceso de cálculo consta de:

1. Determinación de las variables de entrada Fi (climáticas) Ai (propias del sistema). 2. Sustitución de Fi y Ai en las funciones de resultados de la configuración escogida.

Las funciones analíticas que caracterizan la aportación solar son expresiones

sencillas y similares para todas las configuraciones. Como ejemplo se presentan los resultados para un sistema de vivienda unifamiliar

con intercambiador externo:


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Figura 2.16. Sistema con intercambiador externo

El sistema de referencia es el indicado por la línea discontinua. La aportación solar

es la diferencia entre el consumo de la caldera en el caso del sistema solar y el consumo de la caldera en el sistema de referencia.

Por tanto, se define la aportación solar a consumo como la energía que entra en la

caldera desde el acumulador solar, es decir la energía producida por el campo de captadores menos las pérdidas en el acumulador solar y en el circuito de tuberías del primario. A esta función se le llama Y1. La función lnY1 se aproxima a partir de una combinación lineal de variables y coeficientes que se especifican en la tabla siguiente:

1 -0.173528389 ln F1 1.1269537804 ln A3 -0.0912676768 A2/A3 -22.9836361 A1 -0.0459984729 A5 -1.4155198442 A4 0.8250408319 X2 -0.0659330606 X3 -0.058971270 X4 -0.0140303160

Tabla 2.2. Coeficientes de regresión para el sistema con intercambiador externo

Donde X se define como el ln (F1/A3), siendo F1 la radiación incidente en el absorbedor del captador en base mensual, A3 la demanda en base mensual. A1 es el coeficiente lineal del captador, A5 el coeficiente de segundo orden del captador, A4 el ratio de acumulación por unidad de área del captador y A2 el área de captación. Truncando a 3 decimales, queda:

ln 1 = −0.173 + 1.03 · ��1 − 0.091 · � − 22.984 ·�2�3

− 0.045 · �1 − 1.41 · �5

+ 0.82 · �4 − 0.066 · �� − 0.058 · �� − 0.014 · ��


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Haciendo la exponencial queda:

1 = �� + !"�1# − $"�#% · �&"'(,'�,'�,'�,'*# Donde R(F1) es una función exclusiva de la radiación incidente en el absorbedor y de valor próximo a F1, P(X) es un polinomio del cociente entre radiación y demanda y G(A1,A2,A3,A4,A5) es una combinación lineal de las variables que caracterizan el sistema. Esta representación agrupa todas las variables del sistema en una única función exponencial decreciente y las características de la localización y la demanda en otra función. Extrayendo factor común de F1 y dividiendo a ambos lados se tiene la eficiencia térmica del sistema solar. La expresión analítica tiene una expresión similar a la curva de un captador solar si se identifica la variable X como una función de (Tm-Ta), por lo que se podría inferir que X es un indicador de la temperatura media del sistema. Se observa también que el conjunto R(F1) – P(X) es algo parecido a la radiación incidente menos una serie de términos, que tienden a 0 cuando la demanda crece, pero cuya derivada crece rápidamente al disminuir la demanda. Se puede interpretar como que la radiación utilizable disminuye al disminuir la demanda. Es destacable que los coeficientes característicos del sistema, como el área de captación, los coeficientes de pérdidas del captador, etc. no aparecen en la expresión como términos puramente lineales, sino que los términos de la expresión que los incorporan siempre están condicionados por la radiación y la demanda. En otras palabras, la derivada de la función respecto a cualquier parámetro del sistema es función de la radiación y de la demanda disponible. Una vez obtenida la función, comparando los resultados obtenidos mediante simulación dinámica con los que ofrece la función de regresión, se obtiene:

Percentil 05 25 75 95

-7.94 -3.27 3.42 7.23 Tabla 2.3. Percentiles de error de CHEQ4

Esto significa que, en caso de esta configuración un 50 % de los puntos tienen un error relativo entre -3.27% y 3.42%. Solo un 5% de los puntos tienen un error mayor del -7.94% o mayor del 7.23%. Para los meses del año, la distribución del error es bastante simétrica por lo que estos tienden a cancelarse. En todo caso, esto no impide que en alguna situación concreta el error en el cálculo pueda ser mayor.

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