Cálculo del Consumo Energético

Una vez que tenemos claro el criterio que se va a utilizar para dimensionar la superficie colectora y elegida la inclinación de esta que se considere adecuada, como paso previo a todo el proceso de cálculo subsiguiente, lo primero que se tendrá que hacer es calcular el consumo energético de cada mes.


A partir de las temperaturas del agua de red, se obtendrá para cada mes la energía necesaria para agua caliente sanitaria a la temperatura deseada (45° para el caso de ACS), mediante la fórmula:

Q = m*Ce*Δt

Δt Salto térmico, diferencia entre 45 ºC y la temperatura del agua de red.
Q Valor de la energía necesaria en kcal o en th (termias).
m Masa de agua a calentar en kg o t (toneladas).
Ce Calor específico del agua, 1kcal/kg.ºC o 1th/t.ºC.
La temperatura del agua de la red puede obtenerse de la tabla 8 del anexo A. Después pasaremos Q a megajulios para que pueda ser comparado con otras magnitudes expresadas en dicha unidad. Los valores de energía que aparecen en la tabla 5 del anexo A están en megajulios.

Una vez calculados los consumos energéticos en cada mes, los podemos representar mediante una tabla o gráficamente obteniendo la denominada curva o diagrama del consumo.
Lo ideal sería que dicha curva de consumo coincidiese, lo más posible, en todo el periodo de funcionamiento de la instalación (generalmente el año entero para ACS) con la curva de aportación solar, lo cual desgraciadamente no sucederá en la mayoría de las ocasiones.

Diagrama típico de aportación energética solar de un conjunto de colectores solares.
Diagrama típico de necesidades energéticas de una vivienda para calentar el ACS. A medida que la temperatura media del agua de la red sea mayor, el consumo energético disminuirá, aunque el consumo volumétrico sea igual en cada mes.

Comparando ambas figuras, vemos que el consumo es mayor precisamente en los meses de menos aportación solar y viceversa.

DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR APROVECHABLE

Para calcular la energía aprovechable E que incide en un día medio de cada mes sobre cada m2 de la superficie inclinada de colectores, partiremos de la tabla 5 del anexo A, que nos da la irradiación horizontal H en un día medio de cada mes sobre superficie horizontal en la provincia considerada.
Se realizarán, si procede, las siguientes correcciones:
→Si la instalación solar está ubicada en zona de montaña o con atmósfera muy limpia, multiplicaremos la irradiación por el coeficiente 1,05.
→Si, por contra, se ubica en zonas con polución o grandes núcleos urbanos, H se multiplicará por 0,95.
Estos factores de corrección se deben a las partículas en suspensión en la atmósfera, siendo menor cuando más partículas en suspensión haya, que impiden que llegue cierta cantidad de radiación solar al colector.

Coeficiente de corrección de la irradiación horizontal H por partículas en suspensión:
1,05 → Zonas de alta montaña y atmósfera limpia y sin contaminar.
0,95 → Grandes núcleos urbanos y zonas polucionadas.

Si, especialmente en los meses de invierno, hay algún obstáculo que proyecte su sombra sobre los colectores en algún momento del día mientras la instalación está en funcionamiento, deberemos estimar para dichos meses un factor de corrección, ya que una parte de la energía no llegará a los colectores al ser interceptada por el obstáculo. Podemos realizar esta estimación de forma empírica fijándonos en el acimut y altura solares en el periodo desfavorable y en la
altura del obstáculo y su distancia a los colectores solares.

Por último, también tendremos en cuenta otros factores, como microclimas singulares, nieblas o brumas frecuentes, reflexión de superficies cercanas o cualquier otra circunstancia que pueda modificar el valor de H tabulado para cada provincia.
Una vez obtenida H, que podrá coincidir con el valor de la tabla 5 del anexo A o haber sido modificado de acuerdo con lo anteriormente explicado, el siguiente paso será utilizar el factor de corrección por inclinación k, que nos permite calcular la irradiación diaria incidente E sobre un colector inclinado sin más que multiplicar H por dicho factor corrector:

E = kH

El factor de corrección k para superficie inclinada lo obtendremos de la tabla 9 del anexo A. Este factor representa el cociente entre la energía incidente en un día sobre una superficie orientada hacia el ecuador, e inclinada un determinado ángulo, y otra horizontal.

Será suficiente elegir el valor de k correspondiente a la latitud e inclinación que más se aproxime a la que dan las tablas sin realizar ningún cálculo intermedio.

Para una localidad situada a 41,7º de latitud y un colector inclinado 52º, el factor k será el correspondiente a los valores más cercanos, es decir, una latitud de 42º y una inclinación
de 50.
De la tabla 9 del anexo A para estos valores de latitud e inclinación tenemos 1,44 en enero, 1,31 en febrero, 1,16 en marzo, 1 en abril, 0,89 en mayo, etc.

Este valor E, corregido con el factor de corrección por inclinación, es la energía total teórica incidente en cada m2 de colector respecto a un día de radiación media del mes de estudio.
En las diferentes configuraciones de las instalaciones térmicas existe la posibilidad de que la radiación incidente sobre el colector solar durante las primeras horas del día y las últimas de la tarde no sea suficiente para calentar el fluido en el circuito primario, ya que las pérdidas de calor por convección, radiación y conducción no serían compensadas por la radiación. En este caso el fluido caloportador no estará en movimiento hasta que la radiación incidente no sea suficientemente alta (control de temperatura en el absorbedor) o puede ser necesario ponerlo en movimiento para evitar la congelación.

En una configuración por termosifón la parada de la circulación del fluido caloportador es automática, ya que si el absorbedor está a menor temperatura que el depósito acumulador (situado en la parte superior) por diferencia de densidades se para la circulación.

En las configuraciones de circulación forzada (con electrocirculador), se regula la circulación del fluido caloportador en las últimas horas de la tarde y las primeras de la mañana por medio de un sistema de control basado en un termostato diferencial que actuará sobre el comportamiento de la bomba del circuito primario.

Como podemos observar, el aprovechamiento energético solo es posible a partir de cierto valor de radiación, a partir del cual habrá un aprovechamiento energético para producir ACS. Este valor se denomina valor umbral, a partir del cual se producirá circulación en el circuito primario, y su valor está en torno a 200 W/m2.

También se ha comprobado que la energía no aprovechada por el colector, al incidir en momentos en los que la intensidad es menor que el valor umbral, es aproximadamente un 6% de la energía total diaria E.

Por lo visto anteriormente, será preciso multiplicar la cantidad E antes calculada por el factor 0,94, obteniendo el valor efectivo de la energía útil o aprovechable.

Eútil = 0,94 x E

Por último, también se deberá tener en cuenta que si por motivos estéticos o arquitectónicos la orientación de un campo de colectores inclinados α grados, se desvía de la dirección sur un ángulo 20º < β < 70º, Eútil será menor, debiendo aplicar el factor corrector 1,14 – 0,0085β.

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