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Cálculo de una IST de ACS Parte 2

CÁLCULO DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN NECESARIO

La sección HE 4 del documento básico HE del CTE, en el punto 3.3.3.1 nos indica que, para la aplicación de ACS, el área total de los colectores tendrá un valor tal que se cumpla la condición:

50 < V/A <180

donde:
 A, es la suma de las áreas de los colectores en m2.
 Este valor en nuestro caso es de 60 m2.
 V, es el volumen del depósito de acumulación en litros.
El valor recomendado para el volumen de acumulación solar será aproximadamente igual a las necesidades de consumo diaria.
En nuestro caso la carga de consumo diaria será:

52 (nº de camas) * 80 (litros cama/día) = 4160 litros/día

VIESSMANN no dispone de la familia de interacumuladores de ACS para satisfacer nuestras necesidades. El fabricante Lapesa, dispone de la familia Master Europa. Dentro de esta familia nos vamos a decantar por el modelo MXV-4000-RB, que es un depósito de 4.000 l de capacidad para producción y acumulación de ACS en acero inoxidable para instalaciones con intercambiador externo.
Se recogen a continuación sus principales características extraídas de las hojas de datos del fabricante.

Conocidos el volumen de acumulación, V = 4.000 l, y la superficie colectora, S = 60 m2, vamos a verificar si se cumple la condición 50 < V/A <180.

50 < 4.000/60 <180
50 < 66,67 <180

Estamos dentro de la condición. Además este resultado es acorde con lo que nos indica el pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE en su apartado 3.1. En concreto allí nos indican que para instalaciones con fracciones solares bajas, se deberá considerar el uso de relaciones V/A pequeñas.

CÁLCULO DEL INTERCAMBIADOR EXTERIOR

En el apartado ”3.3.4 Sistema de intercambio” de la sección HE 4 del documento básico del CTE nos indican que para el caso de un intercambiador independiente, la potencia mínima del intercambiador, P, cumplirá la condición:

P ≥ 500·A

siendo:
 P, la potencia mínima del intercambiador, en W.
 A, el área de captadores, en m2.
En la parte 1 vimos que nuestro campo colector está formado por 24 colectores modelo Vitosol 100 s2,5, siendo la superficie útil de uno cualquiera de estos colectores S= 2,5m2.
Por tanto, el área de captadores, A, será de 60 m2.
Y la potencia de nuestro intercambiador deberá ser igual o superior a:

P ≥ 500·60 = 30.000 W (25.812,62 Kcal/h)

El pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE, en el anexo VII “Componentes” en su apartado “VII.4 Intercambiador de calor” nos indica que para la aplicación de “Agua caliente sanitaria” se recomienda dimensionar el intercambiador de calor con las siguientes condiciones:

  • Temperatura entrada primario: 60 °C.
  • Temperatura salida primario: 55 °C.
  • Temperatura salida secundario: 50 °C.
  • Temperatura entrada secundario: 45 °C.

Además en este punto también nos indican que la pérdida de carga de diseño en el intercambiador de calor no será superior a 3 mca, tanto en el circuito primario como en el secundario.
En el apartado “3.3.5.1 Generalidades” de la sección HE 4 del documento básico HE del CTE nos indican que el caudal del fluido caloportador se determinará de acuerdo con las especificaciones del fabricante del colector como consecuencia del diseño de su producto.

En el documento “Instrucciones de planificación” y dentro de su apartado 3.2 “Dimensionado diámetro del tubo y de la bomba de circulación”, Viessmann nos indica que especialmente en grandes instalaciones (a partir de aproximadamente 20 m2 de superficie de absorción) se recomienda el funcionamiento Low-flow (funcionamiento a bajo caudal) en el que el caudal volumétrico específico se puede reducir hasta aproximadamente 15 l/m2·h.

Nos decidimos por un caudal unitario de diseño de 20 l/m2•h porque como veremos más adelante es el caudal más adecuado para nuestro intercambiador.

Con este caudal de diseño tendremos:

 Caudal del circuito primario: 1.200 l/h (24×2,5×20).
 Caudal del circuito secundario: igual que el primario.

Como fluido del circuito primario utilizaremos un caloportador especial de evaporación controlada a base de 1,2-propilenglicol, denominado “Tyficor G-LS”, que protege contra las heladas hasta -28 °C y es suministrado por el fabricante Viessmann.
La temperatura mínima histórica registrada en Barcelona la podemos obtener de la tabla 1 del anexo A,  y resulta ser de -20 °C.
Claramente el fluido caloportador utilizado tiene un punto de congelación por debajo de la temperatura mínima histórica registrada en la zona.
El fluido del circuito secundario será la propia agua de consumo.
El siguiente paso será, conocidos todos estos datos, ver cuál es el intercambiador de placas más adecuado. El fabricante Viessmann, dentro de su gama Vitotrans 100, suministra intercambiadores de placas para instalaciones solares.
A continuación se indican las características de la gama de intercambiadores de este fabricante aptos para energía solar.

Nos decidimos por el modelo Vitotrans 100 3003509. Si te fijas la superficie máxima conectable de los colectores para este modelo es ligeramente inferior a nuestra superficie colectora.

La elección del intercambiador superior modelo Vitotrans 100 3003510 supondría un sobredimensionamiento innecesario de nuestro sistema de intercambio.

CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS DE LAS TUBERÍAS

En el apartado “3.4.5 Tuberías” de la sección HE 4 del documento básico HE del CTE nos indican que en las tuberías del circuito primario podrán utilizarse materiales como el cobre y el acero inoxidable. En el circuito secundario o de servicio de agua caliente sanitaria, podrá utilizarse cobre y acero inoxidable.
En nuestro caso, como proyectistas, nos decidiremos por la utilización de cobre como material para las tuberías en ambos circuitos, primario y secundario.
El pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE, en el anexo VII “Componentes” en su apartado “VII.6 Tuberías” nos indica que el diámetro de las tuberías se seleccionará de forma que la velocidad de circulación del fluido sea inferior a 2 m/s cuando la tubería discurra por locales habitados y a 3 m/s cuando el trazado sea al exterior o por locales no habitados.

En este mismo apartado también nos indican que el dimensionado de las tuberías se realizará de forma que la pérdida de carga unitaria en tuberías nunca sea superior a 40 mm de columna de agua por metro lineal.
Todo esto lo deberemos tener en cuenta a la hora de calcular los diámetros de los distintos tramos de tuberías de nuestra instalación.
El método más sencillo para el cálculo de diámetros de tuberías es la utilización de ábacos como los que aparecen aquí. En estos ábacos nos aparecen cuatro magnitudes:
 →Pérdida de carga.
→ Caudal de circulación.
 →Diámetro de la tubería.
 →Velocidad de circulación del fluido.
En nuestro caso concreto, utilizaremos el ábaco Ilustración 2 que nos da la pérdida por rozamiento (mm de columna de agua por metro) para tubería de cobre (diámetro interior en milímetros).

En el cálculo de los diámetros de tuberías, los datos que conoceremos serán el caudal de circulación y la pérdida de carga unitaria. En este caso nosotros, como proyectistas, vamos a fijar una pérdida de carga unitaria inferior a 20 mmca por metro para nuestros cálculos.
Antes de consultar el ábaco debemos definir los distintos tramos de nuestra instalación y los caudales que circulan por los mismos.
Recordemos la disposición de nuestro campo de colectores que estaba formado por cuatro baterías conectadas en paralelo constando cada batería de seis colectores también conectados en paralelo, tal y como se muestra en la figura.

Si te fijas en la disposición anterior con esta configuración estamos cumpliendo con el apartado “3.3.5.1 Generalidades” de la sección HE 4 del documento básico HE del CTE que nos dice que debe concebirse inicialmente un circuito hidráulico de por sí equilibrado. Este tipo de configuración se denomina de retorno invertido.
En este caso la pérdida de carga en cada batería de colectores es la misma y no hay un camino preferencial de circulación del fluido por lo que los caudales están equilibrados.
Con todo esto ya estamos en disposición de determinar los caudales que circulan por los distintos tramos y los diámetros de tubería necesaria.

Tramo 0-1 →Por este tramo circula el caudal que alimenta las cuatro baterías de colectores.
El caudal de circulación por este tramo será:
24 (colectores) x 20 (l/m2 h) x 2,5 (m2) = 1.200 l/h (1,2 m3/h)
Con este dato de caudal y con la pérdida de carga unitaria que hemos fijado vamos al ábaco:

La intersección de las dos rectas nos da un diámetro interior superior a 18 mm por lo que seleccionaremos tubería de cobre de diámetro interior de 20 mm para este tramo (la comercial disponible inmediatamente superior).

Tramo 1-2 → Por este tramo circula el caudal que alimenta las dos baterías de la izquierda  de nuestra instalación.

Por este tramo circula el caudal que alimenta las dos baterías de la izquierda de nuestra instalación.
El caudal de circulación por este tramo será:
12 (colectores) x 20 (l/m2h) x 2,5 (m2) = 600 l/h (0,6 m3/h)

Con este dato de caudal y con la pérdida de carga unitaria que hemos fijado vamos al ábaco:

La intersección de las dos rectas nos da un diámetro interior de 14 mm por lo que seleccionaremos tubería de cobre de diámetro interior de 16 mm para este tramo (la comercial disponible).

Tramo 2-3 →Por este tramo circula el caudal que alimenta la batería del margen izquierdo inferior de la instalación.
El caudal de circulación por este tramo será:
6 (colectores) x 20 (l/m2h) x 2,5 (m2) = 300 litros/h (0,3 m3/h)

Con este dato de caudal y con la pérdida de carga unitaria que hemos fijado vamos al ábaco:

Tramo 4-5 = 2-3
Este tramo es el de ida de la batería de la parte superior izquierda de la instalación. Por este tramo circula el mismo caudal que por el tramo 2-3 y por tanto el diámetro interior de tubería será de 10 mm.

Tramo 5-6 = 1-2
Este tramo es el de ida de las dos baterías de la parte superior izquierda de la instalación. Por este tramo circula el mismo caudal que por el tramo 1-2 y por tanto el diámetro interior de la tubería será de 16 mm.
La parte derecha de la instalación es simétrica a la de la izquierda y por tanto los cálculos realizados para los distintos tramos son los mismos.

En la tabla siguiente se indican las tuberías de cobre elegidas para los diferentes tramos de nuestra instalación:

Tramo Tubería
0-1 y 1´-0´ 20/22
1-2 y 1´-2´ 16/18
2-3 y 2´-3´ 10/12
4-5 y 4´-5´ 10/12
5-6 y 5´-6´ 16/18

El diámetro de la tubería del circuito secundario lo obtendremos también a partir del ábaco sabiendo que el caudal que circula por dicho circuito es de 1.200 l/h (1,2 m3/h) y la pérdida de carga unitaria inferior a 20 mmca por m.

La intersección de las dos rectas nos da un diámetro interior superior a 18 mm por lo que seleccionaremos tubería de cobre de diámetro interior de 20 mm para este tramo (la comercial disponible).
Elegiremos pues para el circuito secundario tubería de cobre 20/22.

Continuamos con los siguientes cálculos ⇒⇒⇒ Parte 3

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