ENSAYO1.

CALEFACCIÓNCONENERGÍASOLARTÉRMICA.

EnsayosdeEstrategiasActivas

Losensayosdeestrategiasactivashantenidocomofinalidadestudiarelfuncionamiento,consumo, rendimiento y prestaciones de las instalaciones convencionales y de altaeficienciadelosDemostradoresExperimentalesEDEA.Estos ensayos nos sirven para conocer la realidad de estos equipos en el climaextremeño,obteniéndoselosdatosnecesariosparacalcularsucostereal,suconsumoylaproblemáticaquepudieranpresentarenlasviviendas.Los ensayos de estrategias activas son sólo una muestra del potencial de losDemostradores Experimentales EDEA. La unión de todos los equipos actualmenteinstalados, las diversas combinaciones que de éstos pudieran hacerse, así como lasposibles ampliaciones o instalación de equipos alternativos en un futuro, hablan delpotencialdelosDemostradoresExperimentalesydesuflexibilidadparapoderrealizarcualquierensayoplanteableenunfuturo.Los ensayos se han realizado en régimen de invierno y las instalaciones que se hanestudiadohan sido:bombasde calor con fan‐coils, intercambiador tierra‐aire con fan‐coils,calderadebiomasaconradiadoresycalderadebiomasaconlosatérmica.El objetivo de estos ensayos es realizar una comparativa entre los equipos einstalaciones usados en régimen de calefacción y que podemos encontrarnos en lasviviendasextremeñas,conrespectoaequiposdealtaeficienciaonovedosos,poniendodemanifiestolasventajasydesventajasdeunoyotro.Almismotiempo,serealizarásupuesta a punto y comprobará su correcto funcionamiento. usando todas las unidadesterminales interiores para demostrar el confort que aporta cada una de ellas y podercompararlasentresí.Además,sehabuscadoponerapruebaelrendimientodeequiposinvestigandosobrelaconfiguración de losmismos. La bomba de calor instalada es un equipo que permiteinfinidaddeconfiguracionesyequiposauxiliares,poresohemosestudiadotambiénlosconsumosenfuncióndealgunosparámetrosinternos.En general lo que pretendemos es saber cuánto nos puede costar cada estrategia ennuestroclima,deformaquesirvaa losusuariosparaextraerconclusionesytomar lasdecisionesbasándoseenestudiosrealesrealizadosenviviendassimilaresyenunclimacomo el suyo, aunque los resultados serían perfectamente extrapolables a otraspoblaciones.

EnsayodeEstrategiaActiva1:Calefacciónconsolartérmica+losatermoactivavs.BombadeCalorConvencional+Fan‐Coils.

Introducción

Las instalaciones solares térmicaspermitencalentar fluidos,normalmenteagua,por loque seutilizan en aquellas aplicaciones en las que es necesario disponer de agua a temperaturasuperior a la ambiente, comopor ejemplo, producciónde agua caliente sanitaria y apoyo a lacalefacción.Efectivamente, las instalaciones solares térmicas pueden utilizarse para apoyar al sistema decalefacción. Sin embargo, esta es una aplicación menos rentable que la producción de aguacaliente,yaqueenlosmomentosenqueexisteunmayoraportesolar(verano)noesnecesariola calefacción, y viceversa, en losmomentos demayor demanda de calefacción (invierno), elaportesolarserámenor.Porotrolado,laaplicacióndelaenergíasolartérmicaalacalefacciónnecesitaquelasunidadesterminalesquevanatransmitiresecaloralaviviendaseandebajatemperatura(sueloradianteolosatermoactiva,radiadoresdebajatemperatura,fan‐coils),nosiendoaconsejableparaotrossistemasen losqueesnecesariodisponerde temperaturasdeaguamuyelevadas(radiadoresconvencionales).Enlateoríaseconsideraqueunasuperficiedepanelestérmicosdeunmetrocuadradoporcada10 metros cuadrados de superficie a calefactar, reducirá entre un 20 y un 35% el consumoenergéticodecalefacción(conunidadesterminalesdebajatemperatura).Seráunodelosdatosquevamosaestudiarconesteensayoreal.EnEDEAdisponemosde48m2desuperficiedepanelestérmicos,conlocualnosólopodremosutilizarlainstalacióncomoapoyoalacalefacciónsinoutilizarestainstalacióncomoúnicafuentegeneradoradecalefacción.Ademáspodremosextrapolarlosresultadosdeestainstalaciónparainstalacionesmáspequeñas calculando la superficie idóneadeenergía solar térmicaa colocarteniendoenconsideraciónparámetroscomolainversión,elretornoyelahorroconseguidosconrespectoainstalacionesconvencionales.

COLECTOR HIDRÁULICO

DEPÓSITO SOLAR

COLECTORES  SOLARES 

AEROTERMO

INTERCAMBIADOR CALOR

Objetivo

Evaluarlasdiferenciasdefuncionamiento,especialmentedesdeelpuntodevistadelaeficienciaenergética y la sostenibilidad, de una instalación solar térmica y todos sus componentesrespecto de una instalación convencional, así como analizar las condiciones de confortalcanzadas en invierno en el interior de las viviendas con estos sistemas, diferente por lasdistintasunidadesemisorashabitualesdecadaunadeellas(fan‐coilsenlabombadecalorylosatérmicaenlainstalaciónsolartérmica).Evaluarelrendimientodiarioenfuncióndelaclimatologíadeunainstalaciónsolartérmica.Obtener el númeromínimo de captadores necesarios para satisfacer las demandas de ACS ycalefaccióndeunaviviendaenfuncióndesusuperficieylosdatoseconómicosydeamortizacióndedichainstalación.

Metodología

Se activará la instalación solar térmica. ¿Cómo se realiza esta activación? Se pone enfuncionamiento la bomba (B‐4) que manda agua térmica del depósito solar hacia el colectorhidráulico. Desde este colector se derivaría posteriormente hacia la unidad terminal queelijamosenlaViviendaExperimental.Todoestoocurreenloquepodríamosdenominarcircuitoterciariodelainstalaciónsolarocircuitodeconsumo.¿Cómosegestionanloscircuitosprimarioysecundariodelainstalaciónsolartérmica?Ambossegestionanmediantetemperaturasdeconsignaquemarcamospreviamenteenlainstalación.Asíporejemplo,lacirculacióndelfluidoporelcircuitoprimariodelainstalación(circuitoentrecaptadoressolarese intercambiador)sóloseproduciríacuandolatemperaturaexistenteenelcampodecaptadoressuperaralatemperaturade40ºC(temperaturaqueseconsiderasuficientepara poder abastecer un sistema de calefacción por losa térmica (baja temperatura). En estecaso, entraría en funcionamiento la bomba del circuito primario B‐1. Además, en este tramo,encontramosotra temperaturadeconsignay,enestecaso,deseguridad,yaquese tratade latemperaturaalacualredireccionamoselfluidotérmicohaciaelaerotermopararefrigerardichofluido(normalmentelotenemosa100ºC).Con respecto al circuito secundario (tramo entre el intercambiador y el depósito solar), labombaB‐2sóloentraríaenfuncionamientoenelmomentoenelque latemperaturadesalidadelintercambiadorfuerasuperioralaexistenteeneldepósitosolar,esdecir,cuandopodamoscalentareldepósitoynoenfriarlo.En este ensayo la energía contenida en el agua solar, la impulsaremos contra la losa térmicacomounidadterminalporplantadelaViviendaExperimental.Elconsumototaldelainstalaciónestarárelacionadoconlacalefaccióndeunavivienda.Mientras, en la Vivienda Patrón tendremos como sistema de calefacción la bomba de calorconvencionalconlosfan‐coilscomounidadesterminales.Laduraciónestimadaseráde3díascompletos.Elhorariodefuncionamientodelainstalacióndecalefacciónylaconsignadelashabitacionesseráconstantea20⁰C.Las variables más importantes a medir serán el consumo eléctrico, el rendimiento de lossistemas,latemperaturayhumedaddelaszonascalefactadas.

Lassondasconreferencia“VP_Ta_Pxx_x”en laViviendaPatróny“VE_Ta_Pxx_x”en laViviendaExperimentalsonlasrelacionadasconlatemperaturaambiente.Ensituacióndetemperaturaconstantesemediráelflujotérmicoparaevaluarlaspérdidasporcadaunodeloscerramientosytabiquesencadamomentodeldía.Lassondasdemedicióndelflujotérmicotienenreferencias“VP_FL_Pxx”.Lahumedadrelativadelasestanciassemediráparaconocerelcomportamientopsicrométricodel recinto y evaluar la evolución de las diferentes valores higrotérmicos. Las sondas dehumedad relativa tienen la referencia “VP_H_Pxx” en la Vivienda Patrón y “VE_H_Pxx” en laViviendaExperimental.

Resultadosdelensayodecalefacciónconcalderadebiomasaconlosatérmica

Esteensayosehallevadoacabodurantedossemanas.Duranteestetiempo,hemosrealizadouncontrolsobrelasinstalacionesparaobtenerlosdatosquepretendíamosevaluar.Durantelosdías19,20y21denoviembrede2014podemosevaluar laenergíaquesegeneraporel campodecaptadoressolaresyel rendimientodedichocampo(mediante la lecturadelconsumoeléctricodelainstalacióncompleta),enfuncióndelameteorologíaquehemostenido.EnlagráficasiguientepodemosverlaenergíaenWatiosproducidaenelcampodecaptadoressolaresyelconsumoeléctricodelainstalaciónsolar,ademásdelameteorologíadeesteperiodode estudio. Podemos comprobar que el consumo eléctrico es un consumo que se encuentrapresenteentodomomentoauncuandonohayproducciónenergéticaenelcamposolar(horassin sol) porque siemprehayuna recirculacióndel fluidopara evitar congelación.Observamostambiénqueesteconsumoeléctricosubecuandohayenergíaenelcampodecaptadoressolaresyaqueentranenfuncionamientomáscircuitosdelainstalaciónsolaralalcanzartemperaturasderégimenodeconsigna.

Paraesteestudio,analizaremosunperiododetiempocomprendidoentrelas21:45deldía18denoviembre de 2013 y las 21:47 del día 21 de noviembre de 2013, lo que significa tres díascompletos. En este periodo, la instalación solar térmica ha generado 2.713 kW térmicos. Elconsumoeléctricohasidode590kWeléctricos.Elrendimientoglobalesde4,59.EstonosindicaqueporcadakWeléctricoquenosotros leproporcionamosa la instalación,éstanosdevuelve4,59kWenformadecalorutilizable,encalefacciónporejemplo.La media diaria de este análisis energético nos arroja los siguientes resultados: 904,33 kWtérmicosy196,67kWeléctricos.Lasuperficiedeabsorcióndecadacaptadoresde2,37m2,porloquelasuperficiedeabsorcióntotalinstaladaesde113,76m2,alexistir48captadoressolaresinstalados.Portanto,lapotenciageneradaporm2esde7,95kW/m2decaptadoraldía,loquesuponeunaenergíade237,12kWh/m2decaptador.Laenergíageneradaporelcampocompletodecaptadoressegúnlasgráficasesde226,065kWh(total).Lamediadiariaesde75,35kWh/día.Porm2decaptadorsería0,312kWh/m2dia.Como lademandade lasviviendasEDEAenrégimendecalefacciónesde46,78kWh/m2año.Paraunacasade100m2yconlascaracterísticasconstructivascomolasdeEDEA,lademandadecalefacción4.678kWh/año.Con los datos de energía producidos por captador, y los datos de energía necesarias paracalefacción,podemosconcluirquelasnecesidadesdesuperficiedecalefacciónparaunaviviendaEDEA sería de 41,08m2de superficie de captación, lo que equivale a18captadores, lo cualhacequenosearentablelainstalacióncompletaparacalefacciónconestetipodeenergía.Sílohacemuyinteresantecomoinstalacióndeapoyoacalefaccióndeunsistemaconvencionalcomopudieraserunacalderadecondensacióndegasnaturalounabombadecalordealeficiencia.Enestemismoensayo,tambiénhemosrealizadounestudiodelaestratificacióndelcalorqueseproduce en la vivienda experimental respecto a la vivienda patrón al utilizar dos unidadesterminalesdiferentes:losatérmica(osueloradianteenlaViviendaExperimental)yfan‐coils(enlaViviendaPatrón).Esimportantedestacarelconforttérmicoobtenidoenlasestanciasconestaestrategiadelosatérmica.Latemperaturadeltechoeshomogénea,yporlogeneral,elsueloestáligeramentemáscaliente que el techo durante la mayor parte del tiempo. Este comportamiento es el másconfortable.Sinembargo,estaunidadterminaleslaquetieneuntiempoderespuestamáslargo,yademás,eslaquenecesitaunamayorinversióndeejecución(elrestodeunidadesterminalesestaríaentreun30%‐40%delcostedeésta).En la segundapartede este ensayo, venimos a realizaruna comparación entreun sistemadecalefacciónmediante energía solar térmica y un sistema de calefacción basado en bomba decalordealtaeficiencia.Ambossistemaparapodersercomparables,loshemosutilizadoconlasmismas unidades terminales, fan‐coils en ambos casos y con temperaturas de consigna deentradaysalidadelaguasimilares,establecidasenunrangoentre35ºCy45ºC.Losresultadosdeesteensayoserecogierondurantelosdías12,13y14denoviembrede2013desde las9:00hde lamañanadelprimerohasta las21:00delúltimo(2,5díasdeensayo).Latemperaturamáximadeestosdíasestuvoentornoalos20ºCconmínimasdehasta7ºC.Comovemosfueunatemperaturaelevadaparaestaépocadelaño,porloqueparapoderrealizarun

estudiodeenergíaconresultados,seestablecióunatemperaturadeconsignaenel interiordelasviviendasde24ºC,aunnosiendolatemperaturadeconfortideal.Laradiaciónytemperaturadeestosdíasfuelasiguiente:

11denoviembre

12denoviembre

13denoviembre

14denoviembre

Para poder mantener en el interior de las viviendas la temperatura de consigna prefijada yestablecida en 24ºC, el funcionamiento de la bomba de calor es constante y entra enfuncionamientocuando la temperaturadeldepósitodeagua,desdeelqueseabastece los fan‐coilsdelaviviendapatrón,bajadeciertatemperaturadeconsigna,conlocual,elsuministrodeagua caliente para calefacción está aseguradopara las 24horas de cadaunode estos díasdeensayo.Enelcasodelainstalaciónsolartérmica,comopodemosobservarenlagráfica,apartirdelas16:40,sedejadeproduciraguacalientesolargratuita.Estoobligaaqueeldepósitosolarde3.000l(conmuchamáscapacidadqueeldepósitodelabombadecalorde150l)seaelqueabastezcadeaguacalientelaunidadterminaldelaviviendaexperimentalqueenestecasofuelalosatérmica.Estaesunadelasprimerasconclusionesquepodemosdestacar,lanecesidaddeundepósitoquealmacene el calor generado de mucha mayor dimensión que en el caso de energíasconvencionalesynointermitentes.Noobstante,podemosobservarcómoelcomportamientodeambasviviendascondistintossistemasesidénticoconrespectoasucomportamientodeconfortinterior, con lo cual vemos que la instalación solar aun cuando no hay horas de Sol puedeabastecerunsistemadecalefaccióngraciasalalmacenamientoenundepósitodeaguadurantelashorasderadiación.

Temperaturaaalturamediaenlosdormitoriosdelaviviendaexperimental(marrón)ypatrón(rojo).

Enlagráficadetemperaturasdeldía13denoviembrevemosreflejadoclaramenteestehechoyelcomportamientoencuantoaconfortsimilardeambasviviendascomparando lassondasdetemperaturaaunaalturamediaenlosdormitoriosprincipales.Ahoranosvamosaceñiralasgráficasdeenergíayconsumoeléctricodelasdosinstalacionesencomparación,lainstalaciónsolartérmicaylabombadecalor.Elperiododeestudiovaaestarlascomprendido entre las 9:00 a.m. del día 12 de noviembre hasta las 21:00 p.m. del día 14 denoviembre,loquerepresenta2,5díasdeensayo.

A simplevista loquevemosescómocuandomayorproduccióndeenergía térmicay tambiénconsumodeenergíaeléctricaseproduceporpartedelabombadecaloresdurantelashorasdenoSol.Sinembargoenlainstalaciónsolartérmicaseproduceelfenómenocontrario,yaqueesdurante las horas de Sol cuando el campo de captadores está funcionando plenamente paracalentar el depósito que actúa como almacenador de ese calor para después trasladarlo a lavivienda.

30

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7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

Estegráficoreflejaclaramenteestehecho.SeobservacómodurantelashorasdeSolydurantelashorasenque los captadoresestánaumentando la temperaturadel fluidoprimario, seestácalentandoelaguadelacumulador,delcualsemandaalasunidadesterminalesalatemperaturaóptima de trabajo. Cuando los captadores dejan de producir energía térmica, vemos cómo latemperaturadelacumuladorcomienzaadecrecer(yaquenohaynadaqueloestécalentando)parapoderabastecerlademandadeaguacalientedelosfan‐coils,yasí,hastaeldíasiguienteenque comienza de nuevo el ciclo de calentamiento de esta agua a través de la batería decaptadores.Sería muy apropiado comprobar hasta cuándo el depósito podría satisfacer una demandacontinuada de calefacción en una vivienda. Desde luego, para una unidad terminal de bajatemperaturadondelatemperaturadeentradaesmásbaja,esteperiodoserámayor.Dicho esto y volviendo a las gráficas de energía de ambas instalaciones podemos extraer lossiguientesdatos:Con respecto a laBombade calor, se puede observar que gracias al depósito de inercia de lainstalación de bomba de calor, lamáquina no tiene un funcionamiento continuo. Durante lashorasdeSolymáscalor,labombadecalorconsumeunaenergíafluctuanteconpicosen1.500Waproximadamente.Esteconsumoelevasuspicoshasta2.500Wapartirdelatarde,yaquelatemperatura del depósito baja conmayor rapidez a raíz de la demanda de agua caliente porparte de los fan‐coils para mantener la temperatura de consigna (24ºC) en el interior de laviviendaPatrón.

Laenergíatérmicaentregadaporlabombadecalorduranteelperiododeensayofuede164,35kWh.Laenergíaeléctricaconsumidafuede97,094kWh.ElCOPduranteesteperiodoesde1,69.Comentar que observando el gráfico podemos detectar que hay periodos en los que no seríanecesarialautilizacióndelabombadecaloryaquelaenergíaqueentreganojustificalaenergíaeléctricaconsumidaqueinclusoesmayor.EstoseproducedurantelashorasdeSolymáscalorexterior,dondegraciasalaislamientode laviviendaelcalor semantieneperfectamenteensuinterior. La bomba no necesita generar energía térmica y como el depósito está caliente seproduce una recirculación del agua con el consiguiente consumo eléctrico (que comoseñalábamossuperainclusoa laproduccióntérmica).Paraestosirvenlossistemasdecontrol,para poder controlar la puesta en marcha o parada de las instalaciones en función de lascondicionesinterioresdelavivienda.Porotro lado,duranteesteperiodo, la instalaciónsolar térmicahaproducido255,55kWh.Laenergía eléctrica consumida por el sistema térmica global ha sido de 51,150 kWh. El COPduranteesteperiodofuede4,99.Es importante destacar el consumo de eléctrico de todos los equipos auxiliares del sistema:bombeo, sistema eléctrico de los equipos auxiliares, tienen un consumo que esmás omenosestable,tantoenstand‐bycomoenmarcha.

PrimerasconclusionesdelensayodecalefacciónconEnergíaSolarTérmica

Despuésdeanalizarlosresultadospodemosconcluirque:

La calefacción mediante energía solar térmica es una muy buena alternativa comosistemadeapoyoparasistemasconvencionalesdebidoa losrendimientosy laenergíagratuitaquenosentrega.Adíadehoysuutilizacióncomosistemadecalefacciónúnicoesinviabledesdeunpuntodevistaeconómicoytécnicodebidoaqueparaunaviviendade100m2necesitaríamosen torno a18 colectores solares térmicos condepósitosdeacumulacióndegranvolumen.Porespacioesdesaconsejableylainversiónestaríaentre20.000€y27.000€,conunperiododeretornomuyelevado.

Alavistadelosresultados,sipusiéramosunainstalaciónsolartérmicaenlugardeunainstalación por bomba de calor convencional, para una misma demanda térmica,conseguiríamosunahorrode0,43€/kWheléctrico(COPsolar=4.99–COPBdC=1,69 3,3 x 0,130485€/kWheléctrico). Esto implicaría un ahorro en torno a7,33€/día(teniendoencuentaquelaenergíaeléctricaconsumidaporlainstalaciónsolartérmicafuede51,15kWhen3días17,05kWheléctrico/día).

Seríamuyapropiadocomprobarcuántotiempoeldepósitode3.000lpodríasatisfacerunademandacontinuadadecalefacciónenunavivienda.Teniendoencuentaqueeseldepósito nuestra fuente de agua caliente y la que nos la disponibiliza para la hora deutilización de la misma. Desde luego, para una unidad terminal de baja temperatura,dondelatemperaturadeentradaesmásbaja,esteperiodoserámayor.

Durante el periodo de tiempo de estudio, la vivienda patrón para mantener sutemperatura interior de confort, ha demandado 164,35 kWh térmicos, para lo que hanecesitado un consumo de 97,09 kWh eléctricos. La instalación solar térmica haproducido255,55kWh(un55%superioralanecesidaddelasviviendas)yparaellohaprecisado un consumo eléctrico de 51,150 kWh. Para unamismademanda térmica sehubieran precisado teniendo en cuenta su COPmedio unos 33 kWh eléctricos (lo quesuponeun34%delconsumodelabombadecalor,yportanto,unahorrodeun66%eléctrico).

La estratificación de la temperatura fue óptima cuando empleamos losa térmica comounidad terminal, sin embargo, debemos recordar los costes de instalación y la lentarespuestadeestesistema.