instal·laciÓ solar d’acs · l’energia solar rebuda i de les possibilitats de ventilació...

INS LLUÍS DOMÈNECH I MONTANER

TREBALL DE RECERCA

CURS 2011-2012

ALUMNE: ESTELA MARTIN

TUTOR: JESÚS VALLS

INSTAL·LACIÓ SOLAR D’ACS

PER ALS VESTIDORS DE

L’INS DOMÈNECH I MONTANER

INSTAL·LACIÓ SOLAR D’ACS PER ALS VESTIDORS DE L’INS DOMÈNECH I MONTANER

Estela Martin

“Si cobríssim el 2.6% del desert del Sahara amb panells solars,

totes les nostres necessitats energètiques mundials estarien cobertes”

Empresa Energía Solar, de Múrcia


Estela Martin

ÍNDEX

1. Introducció .....................................................................................................................1

2. Origen i aprofitament de l’energia solar

2.1 Les energies alternatives ..........................................................................................3

2.2 Origen de l’energia solar ..........................................................................................4

2.3 Formes d’aprofitament de l’energia ..........................................................................5

2.3.1 Energia solar tèrmica ........................................................................................5

2.3.2 Energia solar fotovoltaica ..................................................................................6

2.4 Sistemes d’aprofitament de l’energia termosolar

2.4.1 Sistemes d’aprofitament de baixa temperatura ................................................7

2.4.2 Sistemes d’aprofitament de mitja temperatura .................................................8

2.4.3 Sistemes d’aprofitament d’alta temperatura .....................................................9

3. Components de les instal·lacions de producció d’aigua calenta sanitària (ACS) 11

3.1 Captadors solars ....................................................................................................12

3.2 Fluids caloportadors ...............................................................................................16

3.3 Acumuladors ...........................................................................................................16

3.4 Circuits hidràulics

3.4.1 Conduccions ...................................................................................................17

3.4.2 Bombes ...........................................................................................................18


Estela Martin

3.4.3 Vàlvules ..........................................................................................................19

3.4.4 Dipòsit d’expansió ...........................................................................................20

3.4.5 Purgadors d’aire ..............................................................................................21

3.5 Intercanviadors .......................................................................................................22

3.6 Sistemes de regulació i control ...............................................................................22

3.7 Equips d’energia convencional auxiliar ..................................................................23

4. Disseny de la instal·lació

4.1 Càlcul del consum d’ACS .......................................................................................25

4.2 Càlcul de la demanda energètica i la superfície col·lectora ...................................28

4.3 Dipòsit acumulador .................................................................................................38

4.4 Selecció de la configuració bàsica del projecte ......................................................39

4.5 Selecció del fluid caloportador ................................................................................43

4.6 Disseny de circuit hidràulic

4.6.1 Canonades ......................................................................................................44

4.6.2 Vas d’expansió ................................................................................................47

4.6.3 Sistema de regulació i control .........................................................................48

4.6.4 Aïllament .........................................................................................................49

5. Pressupost ...................................................................................................................50

6. Estudi de la viabilitat econòmica ...............................................................................51


Estela Martin

6.1 Càlcul del període de retorn ...................................................................................53

6.2 Càlcul de la taxa de rendibilitat interna ...................................................................57

7. Estudi de l’impacte ambiental ....................................................................................59

8. Manteniment de la instal·lació

8.1 Operacions de manteniment a realitzar per l’usuari ...............................................60

8.2 Operacions de manteniment a realitzar pel personal especialitzat ........................60

9. Conclusions .................................................................................................................62

10. Bibliografia ................................................................................................................64

Annexos ...........................................................................................................................66


Estela Martin


Estela Martin

1 | P à g i n a

1. INTRODUCCIÓ

L’espectacular creixement de la població mundial durant les darreres dècades, ha

suposat un augment del consum energètic tan gran que ens obliga a cercar nous

recursos energètics que puguin satisfer aquesta demanda.

Encara que existeixen moltes alternatives energètiques, algunes encara no han sigut

prou utilitzades, ja sigui per limitacions tècniques o econòmiques, i altres amb prou feines

s’han desenvolupat. De fet, la major part de l’energia encara s’obté a partir dels

anomenats combustibles fòssils, dels quals formen partel petroli i els seus derivats, el gas

natural i el carbó.

Al començament de la seva explotació, aquests recursos es consideraven il·limitats i

l’impacte ambiental menyspreable. Actualment aquestes idees han canviat radicalment,

principalment degut a que s’ha produït un gran augment en la demanda energètica i que

cada vegada resulta més difícil trobar i explotar jaciments d’aquests combustibles.

A més, el consum massiu d’hidrocarburs esta produint alteracions mediambientals a

nivell mundial. Aquests són els causants de la denominada pluja àcida, que deriva en

grans danys ala terra, a la flora i a la fauna.

Cal pensar, doncs, en el desenvolupament d’altres fonts energètiques que siguin

menys agressives contra el medi ambient. D’entre les possibles alternatives ens

centrarem en aquests treball en l’energia que ens ofereix el Sol, és a dir, l’energia solar.

Aquest projecte consisteix en complementar la instal·lació existent de gas natural de

l’institut INS Domènech i Montaner de Barcelona amb col·lectors solars, per tal de produir

ACS (aigua calenta sanitària) per abastir les dutxes dels vestidors del centre.


Estela Martin

2 | P à g i n a

Els objectius d’aquest del treball són:

Dissenyar una instal·lació d’energia solar tèrmica formada per col·lectors solars per

produir ACS que abasteix les dutxes de l’institut.

Estudiar la rendibilitat de la implementació de la instal·lació dissenyada. D’aquesta

manera veurem si és o no rentable dur-la a terme.

Analitzar l’impacte ambiental, és a dir, la reducció de gasos contaminants, que

suposaria la instal·lació d’aquest sistema.

L’institut INS Domènech i Montaner està adscrit al programa Agenda 21 de sostenibilitat

mediambiental. La proposta del meu professor de Tecnologia, que alhora és el tutor

d’aquest Treball, de dur a terme una recerca relacionada amb la temàtica mediambiental

em va fer decidir a fer aquest Treball de Recerca.

Fig. 1.1. Vestuaris INS Domènech i Montaner


Estela Martin

3 | P à g i n a

2. ORIGEN I APROFITAMENT DE L’ENERGIA SOLAR

2.1 LES ENERGIES ALTERNATIVES

Les energies alternatives o renovables són aquelles fonts d’energia que es van

renovant de forma continuada i que per tant són un recurs il·limitat.

Quasi totes les energies renovables provenen del l’energia del Sol. La radiació solar a

la Terra és la causant de la majoria de les diverses manifestacions que constitueixen les

fonts de recursos energètics aprofitables i renovables.

Cada vegada s’estan utilitzant més aquests tipus d’energia, ja que la seva utilització

comporta una reducció de les emissions de diòxid de carboni (CO2), un aprofitament dels

recursos autòctons, i per tant una disminució de les importacions energètiques, i

l’afavoriment de l’equilibri territorial, entre d’altres.

Els fenòmens produïts pel Sol donen origen als recursos en els quals es basen la resta

d’energies renovables. Així doncs podem classificar d’una manera general aquests

efectes juntament amb l’energia renovable que se li associa. D’aquesta manera tindrem:

Energia eòlica, originada per la força del vent.

Energia geotèrmica, és l’energia intrínseca de la Terra que es manifesta en forma de

calor.

Energia hidràulica, provinent principalment de l’aigua que transporten els rius.

Energia mareomotriu, basada en l’aprofitament de l’energia de les marees i de les

onades dels oceans.

Energia solar, és l’energia obtinguda mitjançant la captació de la llum i la calor del Sol.


Estela Martin

4 | P à g i n a

2.2 ORIGEN DE L’ENERGIA SOLAR

L’origen de l’energia solar es troba en les reaccions nuclears, anomenades de fusió

nuclear, que constantment es realitzen a l’interior del Sol. Els àtoms d’hidrogen, que és

l’element més abundant en el Sol, es combinen entre sí formant àtoms d’heli. Part de la

massa d’aquests àtoms es converteix en energia, la qual flueix des de l’interior del Sol

cap a la seva superfície, i des d’aquesta és irradiada a l’espai en totes les direccions.

La radiació solar està constituïda per fotons que constitueixen una sèrie d’ones

electromagnètiques de diferents freqüències i que per tant és transportada en una amplia

varietat de longituds d’ona diferents. Algunes d’aquestes freqüències poden ser

detectades per l’ull humà, constituint allò que coneixem com a llum visible. D’altres,

encara que no siguin visibles, també fan notar els seus efectes, tot cedint als cossos

l’energia que transporten.

Per tant, podem entendre els rajos de llum com el desplaçament d’un nombre

elevadíssim de fotons, cadascun dels quals transporta una quantitat minúscula d’energia,

però que donat l’enorme quantitat de fotons que cada segon travessa una superfície

determinada, el resultat és un transport d’energia considerable. La intensitat de flux de

fotons, és a dir, el nombre de fotons que travessa la unitat de superfície perpendicular a

la direcció del seu desplaçament en la unitat de temps, determinarà la intensitat de la

radiació solar sobre la superfície en qüestió.

Fig. 2.1.El Sol


Estela Martin

5 | P à g i n a

El valor de la radiació solar sobre una superfície està condicionada per una sèrie de

factors, com per exemple el període de l’any, la latitud del lloc, l’orientació i inclinació de

la superfície d’incidència, les condicions climàtiques, etc. La potència radiant amb la qual

la radiació solar arriba a la Terra té un valor mitjà de 1.4 kW/m2, i es redueix a 1 kW/m2

quan travessa l’atmosfera i arriba a la superfície terrestre.

2.3 FORMES D’APROFITAMENT DE L’ENERGIA SOLAR

Tot i que l’energia solar és una energia neta, gratuïta i inesgotable, el seu aprofitament

compta amb alguns inconvenients, com per exemple que la radiació solar arriba de

manera dispersa i inconstant a la superfície de la Terra, que s’ha de transformar en el

moment que arriba, ja que no es disposa de cap mètode d’emmagatzematge, que és

necessària una elevada inversió inicial perquè els sistemes de captació són relativament

cars, etc.

Existeixen dos sistemes d’aprofitament de l’energia solar: la via tèrmica i la conversió

fotovoltaica.

2.3.1 Energia solar tèrmica

L’energia solar tèrmica o termosolar consisteix en l’aprofitament de la calor del Sol per

produir energia tèrmica i, en alguns casos, energia elèctrica. Les aplicacions més usuals

d’aquesta tecnologia són la producció de calefacció i d’aigua calenta sanitària (ACS), la

dessalinització d’aigua de mar, el preescalfament d’aigua en processos industrials i la

producció de vapor per a la generació d’electricitat.

L’aprofitament tèrmic es pot fer a través de sistemes actius i de sistemes passius.

Els sistemes actius es basen en la captació de l’energia solar mitjançant col·lectors per

escalfar un fluid. Segons la temperatura que poden assolir, aquests sistemes es

classifiquen en sistemes de temperatura baixa, mitja o alta.


Estela Martin

6 | P à g i n a

Els sistemes passius són la base de l’anomenada arquitectura bioclimàtica. Els seus

principis es fonamenten en la utilització i disposició de materials de característiques

adequades que formen part intrínseca de l’edifici i que permeten l’aprofitament màxim de

l’energia solar rebuda i de les possibilitats de ventilació natural.

Actualment podem afirmar que l’aprofitament de l’energia solar tèrmica és una

tecnologia segura i fiable, que les inversions realitzades són en general amortitzables i

que es tracta d’una alternativa respectuosa amb el medi ambient.

Amb l’entrada en vigor del nou CódigoTécnico de la Edificación (CTE) de març de

2007, totes les noves construccions estan obligades a instal·lar sistemes d’aprofitament

d’energia solar tèrmica. Això suposa, sens dubte, un impuls definitiu per aquesta

tecnologia.

2.3.2 Energia solar fotovoltaica

L’energia solar fotovoltaica consisteix en aprofitar la radicació solar i transformar-la

directament en energia elèctrica.

Fig.2.2.Col·lector solar

Fig.2.3.Arquitectura bioclimàtica


Estela Martin

7 | P à g i n a

Hi ha diversos tipus d’aplicacions de l’energia fotovoltaica, però principalment s’utilitza

en petites instal·lacions aïllades de la xarxa elèctrica comercial i en centrals de generació

connectades a la xarxa elèctrica.

La captació d’energia es fa per mitjà de captadors formats per cèl·lules solars

fotovoltaiques. Aquestes cèl·lules són dispositius formats per metalls semiconductors,

com són el silici o el germani, que desprenen electrons quan els fotons incideixen sobre

ells, convertint així l’energia lluminosa en energia elèctrica. Depenent de l’aplicació,

l’energia generada s’emmagatzema en bateries o bé s’aporta directament a la xarxa de

distribució elèctrica.

Actualment en alguns països com ara Espanya, Alemanya o Japó, les companyies

distribuïdores d’electricitat estan obligades per llei a comprar l’energia generada a les

centrals fotovoltaiques.

2.4 SISTEMES D’APROFITAMENT DE L’ENERGIA TERMOSOLAR

2.4.1 Sistemes d’aprofitament de baixa temperatura

Aquest tipus d’aprofitament de l’energia solar tèrmica és el més extens, per ser utilitzat

en l’àmbit domèstic, comunitari i industrial per a l’escalfament d’aigua sanitària, de

piscines i com a sistema de suport a la calefacció.

Reben el nom de baixa temperatura perquè la temperatura de treball dels fluids que

estan dins dels col·lectors solars no supera els 100ºC, encara que aquests poden arribar

als 190ºC fora de les condicions normals de treball.

Mitjançant els sistemes d’energia solar tèrmica de baixa temperatura obtenim energia

calorífica a partir de l’energia electromagnètica que ens arriba del Sol. Aquesta energia

calorífica és transferida a un líquid que la transporta mitjançant una canonada fins a un o

diversos acumuladors d’aigua, on s’emmagatzema en forma d’aigua calenta.


Estela Martin

8 | P à g i n a

L’aigua acumulada en els dipòsits es pot utilitzar com a aigua calenta sanitària (ACS) o

per a sistemes de calefacció. En el cas d’escalfament de piscines, l’energia calorífica

obtinguda en els panells solars no s’emmagatzema en dipòsits sinó que escalfa l’aigua de

la piscina directament, mitjançant un intercanviador de calor.

La instal·lació estudiada en el present Treball de Recerca correspon, per tant, a un

sistema d’aprofitament d’energia termosolar de baixa temperatura.

2.4.2 Sistemes d’aprofitament de mitja temperatura

En aquests sistemes s’utilitzen reflectors parabòlics, anomenats captadors solars de

concentració, que dirigeixen la radicació solar directa sobre una conducció que discorre al

llarg del focus de la paràbola i que condueix un fluid primari, normalment oli sintètic, el

qual pot aconseguir temperatures de fins a 500ºC, suficients per produir vapor a alta

temperatura, que generalment s’utilitza per generar electricitat.

Per tal que aquestes paràboles puguin rebre la radicació solar en condicions òptimes,

han de disposar d’un sistema de seguiment del Sol, és a dir, un mecanisme incorporat als

Fig. 2.4.Captadors solars de concentració


Estela Martin

9 | P à g i n a

captadors que els permetin variar la posició respecte de dos eixos, l’horitzontal o

d’elevació i el vertical o azimut. Per poder funcionar correctament, els sistemes de

seguiment estan accionats per un servomotor comandat per un microordinador o per un

rellotge solar.

La calor recollida per l’oli sintètic és transferida a l’aigua mitjançant un intercanviador

de calor,i d’aquesta manera es duu a terme la generació de vapor, el qual s’expandeix tot

accionant les turbines que generen l’electricitat.

El principal inconvenient dels col·lectors de concentració és que només aprofiten la

radiació directa. Per això aquests sistemes no són apropiats en zones climàtiques que,

encara que tinguin una radiació solar acceptable, siguin relativament nuvoloses. Durant

els períodes de baixa insolació l’escalfament de l’aigua es duu a terme mitjançant gas

natural.

2.4.3 Sistemes d’aprofitament d’alta temperatura

Com les anteriors, aquest tipus de centrals també s’utilitzen per a generar electricitat.

Estan formades per un sistema concentrador o camp d’heliòstats, que capta i concentra

la component directa de la radicació solar sobre un receptor, normalment instal·lat en la

part superior d’una torre, on es produeix la conversió d’energia radiant en energia

tèrmica.

Els heliòstats són miralls amb un sistema de seguiment de la trajectòria del Sol. De la

mateixa manera que l’anterior, aquest sistema permet moure l’heliòstat en els dos eixos,

d’elevació i azimut. Una part molt important dels costos d’aquest tipus de centrals és

deguda al cost dels heliòstats.

El fluid primari pot ser, entre d’altres, aire, vapor d’aigua, sodi fos o sals foses, segons

la tecnologia escollida. En el cas que el fluid sigui vapor d’aigua, aquest mou directament


Estela Martin

10 | P à g i n a

una turbina. En els altres casos, el fluid transporta la calor a un generador de vapor

d’aigua, amb el qual es fa funcionar una turbina que mou el generador elèctric.

Un dels components més crítics de les centrals de torre és el receptor, situat d’alt de la

torre. Degut a les altes temperatures a les que por arribar, els estudis actuals es centren

bàsicament en l’elecció de materials i en la disposició d’aquests de manera que existeixin

les menors pèrdues de calor possibles per tal d’incrementar l’eficiència global del cicle.

Fig. 2.5.Central solar de torre central


Estela Martin

11 | P à g i n a

3. COMPONENTS DE LES INSTAL·LACIONS DE PRODUCCIÓ D’AIGUA

CALENTA SANITÀRIA (ACS)

Una instal·lació solar tèrmica està constituïda per un conjunt de components

encarregats de realitzar les funcions de captar la radicació solar, transferir-la directament

en energia tèrmica a un fluid de treball i, per últim, emmagatzemar aquesta energia

tèrmica de manera eficient, ja sigui en el mateix fluid de treball dels captadors, o bé

transferint-la a un altre fluid per poder utilitzar-la posteriorment en els punts de consum.

Aquest sistema es complementa amb la producció d’energia tèrmica per un sistema

convencional auxiliar, que pot o no estar integrat dins de la mateixa instal·lació.

Els sistemes que conformen una instal·lació solar tèrmica d’ACS són:

El sistema de captació, format per captadors solars, encarregat de transformar la

radicació solar incident en energia tèrmica de manera que s’escalfi el fluid de treball

que circula dins seu.

El sistema d’acumulació, constituït per un o més dipòsits que emmagatzemen l’aigua

calenta fins al seu ús.

Els circuits hidràulics, formats per canonades, bombes, vàlvules, vasos d’expansió,

purgadors d’aire, etc., que s’encarreguen d’establir un moviment del fluid calent fins al

sistema d’acumulació i els punts de consum.

L’intercanviador de calor, que realitza la transferència d’energia tèrmica captada des

del circuit de captadors, o circuit primari, a l’aigua calenta que es consumeix.

El sistema de regulació i control, que s’encarrega d’una banda d’assegurar el bon

funcionament de l’equip per proporcionar la màxima energia tèrmica possible i, d’una

altra, actua com a protecció davant l’acció de diversos factors, com ara

sobreescalfaments del sistema i perills de congelacions.


Estela Martin

12 | P à g i n a

L’equip d’energia convencional auxiliar, que s’utilitza per complementar la contribució

solar subministrant l’energia necessària per cobrir la demanda prevista, garantint la

continuïtat del subministrament d’aigua calenta en els casos d’escassa radicació solar

o demanda superior a la prevista.

3.1 CAPTADORS SOLARS

Els captadors solars són els encarregats de captar la radicació solar i convertir la seva

energia en energia calorífica.

Entre els diferents tipus de captadors solars trobem els col·lectors de buit amb tubs de

calor i els col·lectors de placa plana.

Els primers consisteixen en una sèrie de parells tubs concèntrics, un d’interior a l’altre,

entre els quals s’ha fet el buit. Els tubs exteriors són fets de vidre endurit. Sobre la

superfície exterior del tub interior es troba la capa absorbent, normalment de coure o

alumini, que atrapa la radicació solar deixant escapar només un 5% de pèrdues, gràcies a

l’excel·lent aïllament que proporciona el buit. Aquesta calor es transfereix al tub de coure

que es troba al seu interior on hi ha el fluid vaporitzant (barreja d’alcohol i aigua

destil·lada). La radiació solar provoca l’evaporació del fluid, fent que aquest arribi fins a la

part superior del tub, que com està més fred fa que el vapor es condensi i alliberi la calor

que es produeix al canviar d’estat. Quan el fluid torna a ser líquid, per l’acció de la

gravetat torna a l’extrem inferior del tub, on s’iniciarà un altre cop el cicle.


Estela Martin

13 | P à g i n a

Els col·lectors de placa plana són els més usuals, presentat l’aspecte d’un rectangle

pla, tot i que en realitat es tracta d’un paral·lelepípede rectangular.

Aquests col·lectors s’han de col·locar orientats cap al sud, ja que amb aquesta

disposició estan encarats el màxim d’hores al Sol, i han de tenir una inclinació respecte a

l’horitzontal, que permeti que el Sol coincideixi de la manera més perpendicular possible a

la superfície de captació, durant el període d’utilització.

Fig. 3.1.Col·lector de buit amb tubs de calor, Deutsches Museum (Munic)

Fig. 3.2.Col·lector solar de placa

plana, Deutsches Museum (Munic)


Estela Martin

14 | P à g i n a

Els elements principals d’un col·lector de placa plana són la placa absorbent, la

coberta transparent, l’aïllament tèrmic i la caixa contenidora.

La placa absorbent és l’element encarregat d’absorbir la radicació solar i cedir-la en

forma de calor al fluid que circula pel seu interior (aigua o aire). Està formada per un

conjunt de tubs per on circula el fluid i una superfície de captació, normalment

metàl·lica, amb un tractament per aconseguir la màxima absorció de la radicació solar i

el mínim d’emissió d’energia a l’exterior.

La coberta transparent té la finalitat de reduir les pèrdues, protegir la placa absorbent

de la intempèrie i crear l’efecte hivernacle. El material més utilitzat és el vidre, que ha

de complir dues condicions: ser trempat per aguantar possibles cops i tenir un baix

contingut en òxid fèrric, ja que aquest absorbeix la radicació solar abans d’arribar a la

placa. Les cobertes de plàstic transparent són menys fràgils, més lleugeres i

econòmiques, però tenen problemes d’envelliment.

L’aïllament tèrmic redueix les pèrdues de calor a través del fons i de les partes laterals

de captador. Els materials més utilitzats són la llana de vidre, el poliestirè expandit i

l’escuma de poliuretà. És convenient incorporar una làmina reflectant a la cara superior

de l’aïllament per evitar el seu contacte i reflectir cap a la capa absorbent la radicació

infraroja que aquesta emet.

A la caixa contenidora s’allotgen tots els elements del col·lector. Ha de donar rigidesa i

estanquitat al conjunt, a més de ser resistent a la intempèrie. Pot ser de material

plàstic, encara que és més normal que sigui d’acer.


Estela Martin

15 | P à g i n a

Desprès de travessar el vidre, la radiació arriba a la placa absorbent, la qual s’escalfa i

emet radicació amb una longitud d’ona d’entre 4,5 i 7,2 µm, per a la qual el vidre és opac i

no la deixa escapar cap a l’exterior.

En contra mesura el propi vidre també s’escalfa i emet radiació. Aproximadament la

meitat d’aquesta radicació és emesa cap a l’exterior, perdent-se, però l’altra meitat torna

cap a l’interior i contribueix així a escalfar encara més la superfície de l’absorbidor.

Aquest últim fenomen es coneix com efecte hivernacle, mètode utilitzat pels col·lectors de

placa plana.

Fig. 3.3.Elements d’un captador solar

Fig.3.4.Procés d’aprofitament de la radicació solar

en un captador


Estela Martin

16 | P à g i n a

3.2 FLUIDS CALOPORTADORS

El fluid caloportador és aquell que absorbeix l’energia tèrmica i la transfereix a una

altra part del sistema. Hi ha quatre tipus de fluids:

1. Aigua natural.

2. Aigua amb anticongelant (etilenglicol, propilenglicol, etc.)

3. Líquids orgànics sintètics o derivats del petroli.

4. Olis de silicona.

En la majoria dels casos els fluids més utilitzats són l’aigua i l’aigua amb anticongelant.

3.3 ACUMULADORS

Els acumuladors consisteixen en dipòsits on s’emmagatzema l’aigua que

posteriorment és utilitzada com ACS.

Aquests acumuladors poden ser de diferents materials, dependent de l’aplicació, del

lloc d’instal·lació, del cost, de la facilitat de manteniment, etc. Els més utilitzats són l’acer,

l’acer inoxidable, l’alumini i la fibra de vidre reforçada.

Per tal d’evitar pèrdues de calor, els acumuladors estan recoberts amb un aïllament

tèrmic, normalment escuma de poliuretà.

Pel que fa a la forma, normalment són cilíndrics, per la seva facilitat de construcció.


Estela Martin

17 | P à g i n a

3.4 CIRCUITS HIDRÀULICS

3.4.1 Conduccions

Per poder transportar l’aigua per tota la instal·lació utilitzem canonades que

normalment són de coure, acer galvanitzat, acer negre i materials plàstics. A continuació

es detallen breument les principals característiques d’aquests materials:

Coure. És un material molt utilitzat en les instal·lacions i molt aconsellable per a

instal·lacions d’ACS, per ser resistent a la corrosió (líquids de treball, aire, humitat,

etc.), mal·leable, dúctil i fàcil de soldar.

Acer galvanitzat. És molt utilitzat per transportar ACS. Encara que no s’ha d’utilitzar en

els circuits primaris, degut al fort deteriorament que pateix la protecció de zinc amb

temperatures superiors a 65ºC.

Acer negre. Es tracta d’acer amb baix contingut de carboni, i sense cap tractament

superficial. Aquest material només s’ha d’utilitzar en instal·lacions que requereixin

grans quantitats de cabal, i només en circuits primaris, ja que pateix oxidacions que

perjudiquen la potabilitat de l’aigua, i per tant no està permesa la seva utilització en la

conducció d’ACS.

Fig. 3.5.a.Acumulador,

Deutsches Museum (Munic)

Fig. 3.5.b.Acumulador de la instal·lació d’ACS

de l’INS Domènech i Montaner


Estela Martin

18 | P à g i n a

Plàstic. Té qualitats semblants a les del coure, i la seva utilització s’està generalitzant

cada cop més. El problema de l’elecció de canonades de plàstic radica en la gran

quantitat de materials existents, encara que les més utilitzades són les canonades de

polietilè reticulat.

3.4.2 Bombes

Les bombes o electrocirculadors són aparells accionats per un motor elèctric capaços

de subministrar al fluid l’energia necessària per transportar-lo per un circuit obert o tancat,

a una determinada pressió.

Existeixen tres grans tipus de bombes, les bombes alternatives, les rotatives i les

centrífugues. En els sistemes d’energia solar els electrocirculadors que s’utilitzen són els

centrífugs. Aquests funcionen mitjançant la força centrífuga; el fluid entra per l’eix i és

expulsat cap a l’exterior per mitjà d’un element que gira a gran velocitat.

Fig. 3.6.Bomba de la instal·lació

d’ACS de l’INS Domènech i Montaner


Estela Martin

19 | P à g i n a

3.4.3 Vàlvules

Una instal·lació d’ACS compta amb diversos tipus de vàlvules, alguns dels quals són:

Vàlvules de seguretat. L’actual legislació exigeix la col·locació de vàlvules de seguretat

en tots els circuits sotmesos a pressions i a variacions de temperatures.

Aquestes vàlvules actuen com a elements limitadors de la pressió en els circuits i són

imprescindibles per protegir els components de la instal·lació.

Vàlvules antiretorn. Una vàlvula antiretorn és aquella que només permet el pas del

fluid en un sentit, impedint la circulació en el sentit contrari.

Vàlvules de pas. Són els elements encarregats d’interrompre total o parcialment el pas

del fluid per les canonades. Aquí es diferencien dos tipus de vàlvules, les de

tancament total, que serveixen per separar una part de la instal·lació o aïllar-la del

servei, i les de tancament parcial que serveixen per produir una pèrdua de carrega

addicional en el circuit, amb l’objectiu de regular el cabal.

Fig. 3.8.Vàlvula antiretorn

Fig. 3.7.Vàlvula de seguretat

Vàlvula de seguretat


Estela Martin

20 | P à g i n a

Vàlvules de buidatge. Són vàlvules col·locades a la part inferior dels circuits que

serveix per buidar amb rapidesa i comoditat el circuit primari o el secundari.

3.4.4 Dipòsits d’expansió

Els dipòsits d’expansió tenen el propòsit d’absorbir les dilatacions de l’aigua.

Estan formats per un dipòsit amb dues cambres separades per una membrana

elàstica. En una cambra es troba l’aigua de la instal·lació i l’altra és plena de gas,

normalment nitrogen, ja que l’oxigen corroeix el material de la membrana.

Quan augmenta la pressió en la instal·lació degut a la dilatació de l’aigua, aquesta

empeny la membrana i el gas es comprimeix.

La capacitat o volum útil del dipòsit, ha de ser igual, com a mínim, a l’augment de

volum degut a la dilatació del fluid caloportador de la instal·lació.

Fig.3.9.Vàlvula de pas

Fig.3.10. Vàlvula de buidatge


Estela Martin

21 | P à g i n a

3.4.5 Purgadors d’aire

El purgador és l’element encarregat d’evacuar els gasos, generalment aire, continguts

en el fluid caloportador.

La presència de gasos en el circuit pot donar lloc a la formació de bosses que

impedeixin la correcta circulació del fluid de treball, i provocar corrosions a les canonades

o als col·lectors.

Fig.3.11.a.Dipòsit d’expansió de la instal·lació

d’ACS de l’IES Domènech i Montaner

Fig.3.12.Purgador d’aire

Fig. 3.11.b.Dipòsit d’expansió


Estela Martin

22 | P à g i n a

3.5 INTERCANVIADORS

En una instal·lació solar utilitzarem l’intercanviador de calor quan vulguem tenir dos

circuits independents, un de primari i un de secundari. S’utilitzen en:

Instal·lacions d’ACS, en les quals no es desitja que l’aigua sanitària passi pels

col·lectors per evitar perills de congelació, incrustacions en els col·lectors,etc.

Instal·lacions de calefacció amb emmagatzematge d’aigua calenta, en els quals es vol

limitar la quantitat d’anticongelant, gràcies a un circuit primari de volum reduït.

Instal·lacions combinades d’aigua calenta i calefacció, en les quals l’aigua sanitària

s’escalfa mitjançant l’intercanviador, així com en el sistema de distribució de calefacció

si es vol reduir la quantitat d’anticongelant.

La utilització d’intercanviadors suposa dos inconvenients:

Suposen una pèrdua de rendiment del sistema. Hi ha sempre una diferència de

temperatura entre el líquid del circuit primari i secundari que pot ser de 3ºC a 10ºC.

Suposen una elevació en el cost de la instal·lació, no només pel seu propi cost, sinó

també per la quantitat d’elements que l’acompanyen necessàriament.

Cal tenir en compte que si el líquid del circuit primari no és aigua potable, els

intercanviadors de calor estan sotmesos a una reglamentació.

3.6 SISTEMES DE REGULACIÓ I CONTROL

Els elements de control asseguren el correcte funcionant de les instal·lacions,

procurant obtenir un bon aprofitament de l’energia solar captada i assegurant un ús

adequat de l’energia auxiliar. El sistema de regulació i control inclou tant el control de

funcionament dels circuits com dels sistemes de protecció i seguretat contra

sobreescalfaments, gelades, etc.


Estela Martin

23 | P à g i n a

Alguns del elements que componen els sistemes de regulació i control són:

Manòmetre. Es fa sevir per conèixer el valor de la pressió a l’interior de la canonada o

dipòsit.

Termòmetre. S’utilitza per mesurar la temperatura a la que es troba el fluid.

Termòstat. Manté una temperatura o una diferència de temperatures constant.

Reguladors proporcionals. Són aquells en els quals existeix una relació de

proporcionalitat lineal i contínua entre el valor del paràmetre sotmès a control i la

potencia aplicada a l’element regulador.

Termòstat diferencial. Mesura la diferencia de temperatura i en funció d’aquesta actua

sobre algun element del sistema.

3.7 EQUIPS D’ENERGIA CONVENCIONAL AUXILIAR

Per assegurar la continuïtat en el proveïment de la demanda tèrmica, les instal·lacions

d’energia solar han de disposar d’un sistema d’energia convencional auxiliar.

Aquests sistemes auxiliars poden ser de diversos tipus, tot i que uns són més

econòmics que els altres. Els principals són els elèctrics, els de gas natural, els de fuel i

els de carbó.

El disseny del sistema haurà de tenir en compte dos aspectes:

Fig. 3.13.Manòmetre


Estela Martin

24 | P à g i n a

La dimensió ha d’assegurar l’escalfament, fins a la temperatura de disseny, de la

totalitat de l’aigua utilitzada en el consum diari previst.

El sistema tindrà, en tot cas, un control de la temperatura de sortida, de manera que

aquesta no superi la temperatura d’utilització prevista, que no serà superior a 50ºC.

A l’actualitat són tècnica i econòmicament viables els següents sistemes d’aportació

d’energia auxiliar:

Caldera de gas: és adequada per tot tipus d’instal·lacions i en especial per als

sistemes unifamiliars i multifamiliars distribuïts.

Caldera de gasoil: és rentable únicament en aplicacions industrials i en calefacció.

Aquestes calderes requereixen un circuit auxiliar amb un intercanviador de calor. El

circuit primari és el circuit de subministrament d’aigua calenta i el secundari el de la

caldera.

Caldera elèctrica: és aplicable a instal·lacions industrials i sistemes de calefacció.

Fig. 3.14.Calderes de gas per a la producció

d’ACS i calefacció de l’INS Domènech i Montaner


Estela Martin

25 | P à g i n a

4. DISSENY DE LA INSTAL·LACIÓ

4.1 CÀLCUL DEL CONSUM D’ACS

Utilitzarem dos mètodes per calcular el consum diari d’aigua de les dutxes de l’institut,

un de teòric i un altre d’experimental.

Càlcul experimental:

Hem calculat el cabal de les dutxes mesurant la quantitat d’aigua que hi raja durant un

temps determinat. Hem mesurat el cabal en vuit de les setze dutxes dels vestidors. Per tal

d’evitar errors, hem mesurat dos cops el cabal de cada dutxa i hem fet la mitjana

aritmètica dels dos valors. La taula següent mostra els resultats obtinguts:

Com que la dutxa 4 té un cabal bastant més petit que les demés, no la tindrem en

compte.

El cabal d’aigua que proporcionen les dutxes podem considerar-lo per tant, com la

mitjana aritmètica dels diferents valors obtinguts.

Q= 0,093 l/s

Per calcular el consum d’aigua diari tindrem en compte les hores lectives durant les

quals s’utilitzen les dutxes. El número total d’hores lectives setmanals que tenen lloc a

Dutxa V(l) t (s) Q1(l/s) V(l) t (s) Q2(l/s) Qm(l/s)

1 1,62 17,81 0,091 1,7 18,88 0,090 0,091

2 1,53 18,5 0,083 1,43 18,16 0,079 0,081

3 1,3 14,78 0,088 1,43 15,53 0,092 0,090

4 1,23 21,06 0,058 1,17 20,97 0,056 0,057

5 1,73 19,06 0,091 1,94 19,41 0,100 0,095

6 1,46 14,54 0,100 1,3 13,15 0,099 0,100

7 1,46 15,75 0,093 1,4 15,75 0,089 0,091

8 1,89 18,19 0,104 1,96 17,82 0,110 0,107


Estela Martin

26 | P à g i n a

l’institut és de 31 hores, que suposen una mitjana de 6,2 hores lectives diàries durant cinc

dies a la setmana, de dilluns a divendres.

Per cada hora lectiva els alumnes disposen de 10 min. per dutxar-se. Tot i això

considerarem que raja aigua només durant 5 min d’aquests 10 min disponibles, i que els

5 min restants els alumnes els dediquen a vestir-se. Per tant podem considerar que les

dutxes funcionen 6,2 hores/dia x 5 min/h = 31 min/dia. Com que als vestidors hi ha 16

dutxes, tenim:

La següent taula mostra els cabals teòrics de diversos aparells de consum, expressats

en l/s i els diàmetres de les canonades corresponents, en mm:

Segons els valors de la taula, les nostres dutxes haurien de tenir un cabal de 0,2 a 0,3

l/s. Observem que el cabal mesurat per nosaltres és inferior, ja que correspon a 0,093 l/s.

Aquesta diferència de cabal pot ser deguda a que el diàmetre de les canonades de la

instal·lació de l’institut és inferior del que indica la taula, o bé que la pressió de

subministrament és més baixa del que s’ha considerat en el càlcul del cabal de la taula

anterior.


Estela Martin

27 | P à g i n a

Càlcul teòric:

La següent taula, extreta de la Sección HE4 Contribución solar mínima de agua

caliente sanitaria, del Documento Básico HE Ahorro de Energia, mostra el consum d’ACS

diari en diferents instal·lacions:

En el nostre cas ens interessa el consum d’aigua per a vestuaris o dutxes col·lectives,

que correspon a 15 litres per persona i dia.

Per calcular el número de persones que utilitzen diàriament les dutxes tindrem en

compte el número d’alumnes del centre que les utilitzen. Aquests són tots els de l’ESO i

els de primer de Batxillerat. Segons informació facilitada per la Secretaria del centre

aquest valor correspon a 392 alumnes.

Aquests alumnes fan 2 hores d’Educació Física setmanals. Per tant, podem afirmar

que les dutxes són utilitzades 784 cops cada setmana, o el que és el mateix, 157 cops al

dia tenint en compte els cinc dies lectius a la setmana. Per tant, el consum d’aigua diari

serà:


Estela Martin

28 | P à g i n a

Arribats a aquest punt, hem de decidir amb quin dels dos valors obtinguts amb els

diferents sistemes de càlcul ens quedem.

Podríem pensar que el valor del cabal obtingut experimentalment és el més adequat,

ja que es tracta d’un valor real. D’altra banda hem de pensar que el cabal que

proporcionen les dutxes podria ser modificat. De fet aquesta situació es va donar durant

la realització d’aquest projecte. Es va mesurar el cabal una primera vegada i el valor

obtingut va ser molt baix, de manera que la instal·lació va ser revisada per un tècnic i el

cabal d’aigua va ser augmentat. Els valors actuals corresponen als mesurats desprès

d’aquesta intervenció.

Per aquest motiu utilitzarem el valor obtingut segons el càlcul teòric, ja que a l’hora de

realitzar un projecte tècnic ens hem d’atendre als paràmetres establerts per la legislació,

en aquest cas el Documento Básico HE Ahorro de Energia.

4.2 CÀLCUL DE LA DEMANDA ENERGÈTICA I LA SUPERFÍCIE COL·LECTORA

La taula següent mostra els diferents paràmetres necessaris per al càlcul de la

superfície col·lectora de la instal·lació:


Estela Martin

29 | P à g i n a

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Consum

diari (m

3)

Consum mensual

(m3)

Tempe- ratura

de xarxa (ºC)

Salt tèrmic

(ºC)

Necessitat energètica

diària (MJ/dia)

Necessitat energètica mensual (MJ/mes)

H (taules)

(MJ/m2dia)

H (corregida) (MJ/m

2dia)

k α= 50˚ L=41˚

E (MJ/m

2dia)

Gen 2,352 40 8 37 343 5826 6,5 6,18 1,41 8,2

Feb 2,352 49 9 36 333 7002 9,5 9,03 1,28 10,9

Mar 2,352 54 11 34 315 7243 12,9 12,26 1,13 13,0

Abr 2,352 49 13 32 296 6224 16,1 15,30 0,98 14,1

Maig 2,352 52 14 31 287 6317 18,6 17,67 0,87 14

Jun 2,352 35 15 30 278 4168 20,3 19,29 0,83 15,0

Jul 2,352 0 16 29 0 0 21,6 20,52 0,87 17

Ago 2,352 0 15 30 0 0 18,1 17,20 0,99 16,0

Sep 2,352 40 14 31 287 4881 14,6 13,87 1,18 15,4

Oct 2,352 49 13 32 296 6224 10,8 10,26 1,39 13

Nov 2,352 52 11 34 315 6928 7,2 6,84 1,54 9,9

Des 2,352 38 8 37 343 5483 5,8 5,51 1,52 7,9

Total any 60296

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Nº d'hores de sol útils

G (W/m

2)

t˚a (ºC)

η (%)

Aportació energètica solar diària (MJ/m

2dia)

Energia neta disponible al

dia per m2

(MJ/m2dia)

Energia neta disponible al mes per m

2

(MJ/m2mes)

Energia total

obtinguda (MJ/mes)

% de substitució

Dèficit energètic (MJ/mes)

8 284 11 14,52 1,19 1,01 17,2 1446 25 4380

9 335 12 25,29 3 2,33 49,0 4130 59 2872

9 402 14 36,07 4,70 3,99 92 7733 100 0

9,5 412 17 39,36 5,55 4,71 99 8339 100 0

9,5 423 20 41,40 5,98 5,08 112 9424 100 0

9,5 440 24 43,85 6,6 5,61 84 7086 100 0

9,5 491 26 48,15 8,1 6,87 0 0 0 0

9,5 468 26 45,77 7,3 6,23 0 0 0 0

9 475 24 45,22 7 5,91 101 8468 100 0

9 414 20 39,52 5,30 4,50 95 7966 100 0

8 344 16 29,32 2,90 2,47 54 4574 66 2354

7,5 292 12 16,08 1,27 1,08 17,2 1450 26 4033

720

13639


Estela Martin

30 | P à g i n a

Columna 1. Consum d’aigua diari de la instal·lació, en m3: segons hem calculat en

l’apartat 4.1.

Columna 2. Consum mensual d’aigua, en m3: s’ha calculat multiplicant la columna 1 pel

nombre de dies que s’utilitzen les dutxes en un mes. S’han considerat 5 dies

lectius a la setmana i s’han descartat els dies festius corresponents a cada

mes.

Columna 3. Temperatura mitja de l’aigua de la xarxa de Barcelona, en ºC: segons la

taula 1 de l’annex 1.

Columna 4. Salt tèrmic, en ºC: diferència entre la temperatura d’ús i la de la xarxa.

Prenem com a temperatura d’ús 45ºC.

Columna 5. Necessitat energètica diària, en MJ: energia necessària diàriament per

escalfar l’aigua de les dutxes.

L’energia necessària per escalfar una massa m d’aigua des d’una

temperatura T1 fins a una temperatura T2 s’obté mitjançant l’expressió:

Q=m·c·∆T

m és la massa del fluid caloportador (aigua i l’anticongelant) escalfat,

en kg. S’obté a partir de la columna 1, tenint en compte que la densitat

del nostre fluid caloportador és de 1013kg/m3 (veure apartat 4.5).

c és la calor específica del fluid caloportador, en MJ/(kg ºC). Aquesta

correspon a la quantitat de calor que s’ha de subministrar a una massa

d’una substància per elevar un grau la seva temperatura. En el nostre

cas la calor específica és de 3,88·10-3 MJ/kg˚C (veure apartat 4.5).

∆T és el salt tèrmic,en ºC (columna 4).


Estela Martin

31 | P à g i n a

Columna 6. Necessitat energètica mensual, en MJ: valor obtingut multiplicant la columna

5 pel nombre de dies en que s’utilitzen les dutxes cada mes.

Columna 7. Irradiació horitzontal mitja, en MJ/m2-dia: energia que incideix sobre un metre

quadrat de superfície horitzontal en un dia mig de cada mes. Valors

obtinguts de la taula 2 de l’annex 2.

Columna 8. Irradiació horitzontal mitja (columna 7) corregida, en MJ/m2-dia:

Si la instal·lació és ubicada en una zona de muntanya o amb atmosfera

molt neta, la irradiació es multiplicarà per 1,05.

Si pel contrari és ubicada en una gran zona urbana, H es multiplica per

0,95.

En el nostre cas, tractant-se d’una zona metropolitana, utilitzarem el factor

corrector 0,95.

Columna 9. Factor de correcció per inclinació: coeficient de correcció dels col·lectors en

funció de la latitud del municipi on s’ubiquen. Valors obtinguts de la taula 3

de l’annex 3.

El valor d’aquests coeficient depèn de la latitud del lloc on se situa la

instal·lació (L) i de l’angle d’inclinació dels col·lectors (α).

Es considerarà com orientació òptima el sud i la inclinació òptima, depenent

del període d’utilització, un del valors següents:

Demanda constant anual: la latitud geogràfica.

Demanda preferent a l’hivern: la latitud geogràfica +10º.

Demanda preferent a l’estiu: la latitud geogràfica -10º.

En el nostre cas, com que la demanda principal és a l’hivern, haurem de

sumar 10º a la latitud de Barcelona. Aquesta és de 41,23º i per tant la nostra


Estela Martin

32 | P à g i n a

inclinació òptima serà de 51,23º. Prendrem el valor de 50º, ja que és el més

proper.

Columna 10. Energia útil que incideix un dia mitjà del mes considerat per unitat de

superfície, en MJ/m2-dia.

E=0.94·k·H

On 0.94 és un factor constant. Un 6% de l’energia total diària no s’aprofita

perquè incideix en moments en què el sol es troba a poca altura, i per tant

l’eficiència energètica és del 94%.

k (columna 9) és el factor de correcció per inclinació.

H és la irradiació horitzontal mitja corregida (columna 8).

Columna 11. Número d’hores de sol útils: valor obtingut de la taula 4 de l’annex 3.

Columna 12. Irradiància global incident sobre la superfície dels col·lectors, en W/m2: és la

potència energètica que incideix per unitat de superfície dels col·lectors.

S’obté dividint la columna 10 entre la 11.

Columna 13. Temperatura ambient durant les hores de sol a Barcelona, en ºC: valor

obtingut de la taula 5 de l’annex 4.

Columna 14. Rendiment real del col·lector, expressat en %:

és el rendiment òptic (segons el fabricant).

K1 és el coeficient de pèrdues primari (segons el fabricant).

K2 és el coeficient de pèrdues secundari (segons el fabricant).


Estela Martin

33 | P à g i n a

G és la irradiància global (columna 12).

Tm és la temperatura d’ús (45ºC).

Ta és la temperatura de la xarxa (columna 3).

A la pràctica no s’acostuma a considerar el tercer factor de l’expressió del rendiment.

Per tant, podem considerar el rendiment com:

En aquest punt necessitem, doncs, dades facilitades pel fabricant dels col·lectors.

Utilitzarem els valors dels col·lectors de l’empresa SOLECO de Sant Joan Despí

(Barcelona). Aquesta empresa fabrica dos models de col·lectors, el models Soleco 2.3 Cu

i Soleco 2.3 Cu S. Farem els càlculs per als dos casos.

Les dades tècniques de cadascun d’aquests col·lectors són les adjuntes a l’annex 9.

Per al model Soleco 2.3 Cu els paràmetres de rendiment són els següents:

= 0,761; K1=4,73; K2=0,0499

Més tard, refarem els càlculs amb el model de col·lector Soleco 2.3 Cu S.

Columna 15. Aportació energètica solar diària per unitat de superfície, en MJ/m2-dia: és

l’energia que aporta cada dia un m2 de col·lector. S’obté multiplicant les

columnes 10 i 14.

Columna 16. Energia neta disponible diàriament per unitat de superfície, en MJ/m2-dia: és

el producte de la columna 15 pel factor de correcció 0,85 per tal de tenir en

compte les pèrdues a l’acumulador.

Columna 17. Energia neta disponible al mes per unitat de superfície, en MJ/m2-mes:

producte de la columna 16 pel nombre de dies d’un mes.


Estela Martin

34 | P à g i n a

Càlcul de la superfície col·lectora:

Arribats en aquest punt, ja podem calcular la superfície col·lectora necessària. Dividim

els valor resultant de la suma de les necessitats energètiques mensuals (columna 6)

entre el resultant de la suma de l’energia neta disponible al mes per unitat de superfície

(columna 17):

Com que la superfície útil de cada col·lector Soleco 2.3 Cu és de 2,16 m2 (veure fitxa

tècnica de l’annex 9) el número de col·lectors necessaris serà:

Arrodonint, obtenim, per tant, que seran necessaris 39 col·lectors del model Soleco 2.3

Cu, i per tant la superfície útil corresponent a aquests 39 col·lectors serà 84,24 m2.

Columna 18. Energia solar total obtinguda cada mes, en MJ/mes: s’obté multiplicant el

total de la superfície col·lectora real per l’energia neta disponible per unitat

de superfície (columna 17).

Columna 19. Percentatge de substitució, en %: representa la fracció de consum energètic

que és aportada per l’energia solar. En els mesos que l’aportació solar sigui

superior al consum, aquest percentatge serà igual a cent. Quocient entre la

columna 18 i la 6.


Estela Martin

35 | P à g i n a

Columna 20. Dèficit energètic, en MJ: representa l’energia auxiliar que caldrà aportar en

els mesos en què l’energia solar no sigui suficient per cobrir el 100% de les

necessitats energètiques. Diferència entre la columna 6 i la 18.

La suma de la columna 20 (dèficit total anual) serà l’energia auxiliar que

necessitarem aportar en un any. Aquesta energia representa un 22,6%

(quocient entre la suma de la columna 20 i la de la 6) del total necessari, i

per tant, l’estalvi global en energia a causa de l’aportació solar serà del

77,4%.

Si prenem el model de col·lector Captador Soleco 2.3 Cu S, els paràmetres de

rendiment són els següents:

Fig.4.1.Gràfica del percentatge de substitució (captador 2.3 Cu)

0

50

100

Gen

Feb

Mar

Ab

r

Mai

g

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

No

v

Des

Fig. 4.2. Gràfica necessitat energètica (captador 2.3 Cu)

0

5000

10000

Gen

Fe

b

Mar

Ab

r

Mai

g

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

No

v

Des

Necessitat energètca mensual

Energia total obtinguda


Estela Martin

36 | P à g i n a

= 0,75; K1=3,85; K2=0,0289

Amb aquests nous valors, caldrà refer els càlculs a partir de la columna 14.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Consum

diari (m

3)

Consum mensual

(m3)

Tempe- ratura

de xarxa (ºC)

Salt tèrmic

(ºC)

Necessitat energètica

diària (MJ/dia)

Necessitat energètica mensual (MJ/mes)

H (taules)

(MJ/m2dia)

H (corregida) (MJ/m

2dia)

k α= 50˚ L=41˚

E (MJ/m

2dia)

Gen 2,352 40 8 37 343 5826 6,5 6,18 1,41 8,2

Feb 2,352 49 9 36 333 7002 9,5 9,03 1,28 10,9

Mar 2,352 54 11 34 315 7243 12,9 12,26 1,13 13,0

Abr 2,352 49 13 32 296 6224 16,1 15,30 0,98 14,1

Maig 2,352 52 14 31 287 6317 18,6 17,67 0,87 14

Jun 2,352 35 15 30 278 4168 20,3 19,29 0,83 15,0

Jul 2,352 0 16 29 0 0 21,6 20,52 0,87 17

Ago 2,352 0 15 30 0 0 18,1 17,20 0,99 16,0

Sep 2,352 40 14 31 287 4881 14,6 13,87 1,18 15,4

Oct 2,352 49 13 32 296 6224 10,8 10,26 1,39 13

Nov 2,352 52 11 34 315 6928 7,2 6,84 1,54 9,9

Des 2,352 38 8 37 343 5483 5,8 5,51 1,52 7,9

Total any 60296

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Nº d'hores de sol útils

G (W/m

2)

t˚a (ºC)

η (%)

Aportació energètica solar diària (MJ/m

2dia)

Energia neta disponible al

dia per m2

(MJ/m2dia)

Energia neta disponible al mes per m

2

(MJ/m2mes)

Energia total

obtinguda (MJ/mes)

% de substitució

Dèficit energètic (MJ/mes)

8 284 11 24,87 2,04 1,73 29,4 2107 36 3719

9 335 12 33,65 4 3,11 65,2 4670 67 2332

9 402 14 42,42 5,52 4,69 108 7730 100 0

9,5 412 17 45,10 6,35 5,40 113 8122 100 0

9,5 423 20 46,75 6,76 5,74 126 9047 100 0

9,5 440 24 48,75 7,3 6,23 94 6697 100 0

9,5 491 26 52,25 8,8 7,45 0 0 0 0

9,5 468 26 50,31 8,1 6,84 0 0 0 0

9 475 24 49,87 8 6,52 111 7938 100 0

9 414 20 45,22 6,06 5,15 108 7749 100 0

8 344 16 36,93 3,66 3,11 68 4896 71 2032

7,5 292 12 26,15 2,06 1,75 28,0 2005 37 3478

851 11562


Estela Martin

37 | P à g i n a

Càlcul de la superfície col·lectora:

Com que la superfície útil de cada col·lector Soleco 2.3 Cu S és de 2,17 m2 (veure fitxa

tècnica de l’annex 9) el número de col·lectors necessaris serà:

Arrodonint, obtenim, per tant, que seran necessaris 33 col·lectors del model Soleco 2.3

Cu S, i per tant la superfície útil corresponent a aquests 33 col·lectors serà 71,61 m2.

En aquest cas l’energia auxiliar que necessitarem en un any representa un 19,2%

(quocient entre la suma de la columna 20 i la de la 6) del total necessari, i per tant,

l’estalvi global en energia a causa de l’aportació solar serà del 80,8%.

Fig. 4.3.Gràfica percentatge substitució (captador 2.3 Cu S)

0

50

100


Estela Martin

38 | P à g i n a

Decidirem, més endavant, amb quin model ens quedarem, en funció del preu tant dels

col·lectors com del dipòsit d’acumulació associat a cadascun.

4.3 DIPÒSIT ACUMULADOR

El sistema solar s’ha de concebre en funció de l’energia que aporta al llarg del dia i no

en funció de la potència dels captadors solars, per tant s’ha de preveure una acumulació

d’acord amb la demanda al no ser aquesta simultània amb la generació.

A l’hora de calcular les dimensions del dipòsit acumulador, en general, es pren un

volum de 70 litres per cada m2 de col·lector instal·lat.

Tal i com hem vist, si utilitzem els col·lectors SOLECO 2.3 Cu, la superfície col·lectora

total serà de 84,24m2 i per tant el volum de l’acumulador serà:

V = 84,24 m2 x 70 l/m2 = 5896,8 l

Si utilitzem el model de col·lector SOLECO 2.3 Cu S, aleshores la superfície col·lectora

total serà de 71,61 m2 i per tant el volum de l’acumulador serà:

V = 71,61 m2 x 70 l/m2 = 5.012,7 l

Fig.4.4.Gràfica necessitat energètica (captador 2.3 Cu S)

0

2000

4000

6000

8000

10000

Gen

Feb

Mar

Ab

r

Mai

g

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

No

v

Des

Necessitat energètica mensual Energia total obtinguda


Estela Martin

39 | P à g i n a

Segons la normativa, en els sistemes de producció d’ACS, l’àrea total del captadors

tindrà un valor que compleixi la condició:

50 <

< 180

on A és la suma de les àrees del captadors (m2) i V és el volum del dipòsit

d’acumulació (litres). En el nostre cas, com que V = 5.012,7 l i A = 84,24m2, aquesta

relació es compleix.

El fabricant SOLECO disposa de diversos models d’acumuladors de diferents

dimensions (veure dades tècniques dels acumuladors a l’annex 9). Per al nostre cas,

s’hauria d’agafar un depòsit acumulador de 5.000 litres, però a causa de les seves

dimensions no es podrà fer servir, ja que no hi cap a la sala de calderes.

La nostra instal·lació disposarà de dos acumuladors de 2.500 litres cadascun

connectats en sèrie invertida. D’aquesta manera continuarem tenint el volum desitjable i

disminuirem les dimensions dels dipòsits, ja que un únic dipòsit de 5.000 litres no cap a la

nostra sala de calderes, de fet ni tan sols entra per la porta.

4.4 SELECCIÓ DE LA CONFIGURACIÓ BÀSICA DEL PROJECTE

En general, les instal·lacions es realitzen amb un circuit primari i un circuit secundari

independents, amb producte químic anticongelant, evitant qualsevol tipus de barreja entre

els fluids que circulen pel primari i el secundari.

En instal·lacions que comptin amb més de 10 m2 de captació corresponent a un únic

circuit primari, aquest serà de circulació forçada.

Arribats a aquest punt, hem de decidir quin dels dos models de col·lector i

d’acumulador ens quedem. Per fer aquesta elecció, com ja hem dit anteriorment, tindrem

en compte el preu tant de l’acumulador com dels captadors.


Estela Martin

40 | P à g i n a

Els preus facilitats pel fabricant SOLECO són els següents:

Un dels avantatges del model de col·lector SOLECO 2.3 Cu S és que, degut al seu

rendiment, aquest necessita menys col·lectors respecte el model de col·lector SOLECO

2.3 Cu. A més, el dèficit energètic del primer model també és inferior. Per contra el

col·lector 2.3 Cu és una mica més assequible.

Hem escollit el model de col·lector SOLECO 2.3 Cu S pels següents motius:

Encara que sigui una mica més car, aquest disposa de millors característiques.

Necessita un superfície de col·lectors més petita, ja que té un rendiment més elevat.

El seu dèficit energètic és menor que el model 2.3 Cu, la qual cosa vol dir que serà

necessària una menor aportació d’energia auxiliar.

Les característiques detallades del model triat són a l’annex 9.

Per saber la disposició dels col·lectors ens ajudarem de les recomanacions extretes

del Documento Básico HE Ahorro de Energia, on diu que els captadors s’han de disposar

en files constituïdes, preferentment, pel mateix nombre d’elements. Les files de captadors

es poden connectar entre sí en paral·lel, en sèrie ó en sèrie-paral·lel. A més, dins de cada

fila els captadors es connectaran en sèrie o paral·lel. El número de captadors que es

podrà connectar en paral·lel tindrà en compte les limitacions del fabricant. En el cas de

que la aplicació sigui exclusivament d'ACS es podrà connectar en sèrie fins a 10 m2 en

les zones climàtiques I i II, fins 8 m2 en la zona climàtica III i fins a 6 m2 en les zones

climàtiques IV i V.

CONCEPTE PREU

UNITAT

Captador SOLECO 2.3 Cu 517 €

Captador SOLECO 2.3 Cu S 657 €

Acumulador de 2.500 litres amb serpentí interior 4.335,27 €


Estela Martin

41 | P à g i n a

Com que la nostra instal·lació esta situada a Barcelona i aquesta es troba a la zona

climàtica II, podrem connectar en sèrie fins a 10 m2 de col·lectors. Per tant:

Com que tenim 33 col·lectors, el circuit estarà format per 9 branques en paral·lel, de

les quals 6 tindran 4 col·lectors connectats en sèrie i 3 branques en tindran 3. La

distribució del circuit és la que es mostra a la figura següent:

Fig. 4.5.Mapa zones climàtiques a Espanya


Estela Martin

42 | P à g i n a

La distribució física del col·lectors en el terrat serà de 3 files de 11 col·lectors

cadascuna:

Fig. 4.6.Connexió col·lectors

Fig. 4.7.Distribució física col·lectors


Estela Martin

43 | P à g i n a

La instal·lació que es farà a l’institut constarà de les següents característiques:

Circulació forçada per mitjà d’un electrocirculador. Com que el dipòsit es col·locarà

a la planta -1 de l’institut i els col·lectors al terrat, es necessari utilitzar una bomba

perquè hi hagi una bona circulació. Per poder prescindir de l’electrocirculador, el

dipòsit hauria d’estar situat per sobre dels col·lectors.

Sistema d’intercanviador de calor mitjançant un serpentí col·locat a l’interior de

l’acumulador. Aquesta és la solució més adequada, ja que evita el risc de gelades i

és més aconsellable des del punt de vista sanitari.

Sistema amb dos acumuladors: el primer acumula l’aigua escalfada mitjançant

l’energia solar procedent dels col·lectors. El segon emmagatzema l’aigua que es

escalfada per la caldera de gas i que s’utilitzarà com a energia auxiliar.

Si l’aportació solar és suficient l’aigua calenta de l’acumulador solar passarà

directament al consum. En cas que no sigui suficient, l’aigua preescalfada de

l’acumulador solar passarà a l’acumulador de la caldera, en el qual s’aportarà

l’energia necessària per aconseguir la temperatura de consum.

Circuit primari tancat.

4.5 SELECCIÓ DEL FLUID CALOPORTADOR

El fluid caloportador que circula pel circuit primari serà una barreja d’aigua i

anticongelant, d’aquesta manera ens assegurem que el fluid no pateixi cap congelació.

L’anticongelant que utilitzarem serà el propilenglicol. La proporció d’anticongelant la

determinarà la temperatura mínima que hagi de suportar la instal·lació.


Estela Martin

44 | P à g i n a

La temperatura mínima històrica a Barcelona és de -10 ºC, per la qual cosa la nostra

instal·lació ha d’estar preparada per suportat temperatures de fins a -15 ºC (es pren 5 ºC

menys que la temperatura mínima històrica).

Per suportar aquesta temperatura la concentració en pes d’anticongelant serà del

33%, segons indica la corba de la figura 6.1 de l’annex 5.

La calor especifica de la barreja serà d’aproximadament 0,93 kcal/kgºC (és a dir,

3,88·10-3 MJ/kg˚C) segons indica la corba de la figura 6.2 de l’annex 6, i la seva densitat

serà de 1,013 g/cm3 segons indica la corba de la figura 6.3. de l’annex 7.

4.6 DISSENY DEL CIRCUIT HIDRÀULIC

4.6.1 Canonades

El material utilitzat per les canonades serà el coure, tant en el circuit primari com en el

secundari.

Per calcular el diàmetre de les canonades del circuit primari utilitzarem la següent

expressió:

D = j · C0.35

D: diàmetre canonada, en cm.

C: cabal, en m3/h.

j= 2.2 per canonades metàl·liques.

El fabricant dels col·lectors especifica un cabal de 60 l/h-m2 en el cas que el fluid

caloportador sigui aigua. En el nostre cas aquest valor caldrà dividir-lo entre la calor

específica de la barreja d’aigua i anticongelant (0,93 kcal/kgºC) i per tant el cabal serà

64,5 l/h-m2. Com que la superfície total dels col·lectors és de 71,61 m2, el diàmetre de les

canonades del circuit primari serà:


Estela Martin

45 | P à g i n a

D = 2,2 x (64,5 l/h-m2 · 1m3/1000l · 71,61m2)0.35 = 3,75 cm = 37,5 mm

Amb aquestes dades, agafarem la canonada normalitzada de 39/42 mm, segons la

taula següent:

Encara que nosaltres no les tindrem en compte per la seva dificultat de càlcul, en

aquest apartat s’haurien de considerar les pèrdues de càrrega degudes al fregament i a la

velocitat de circulació del fluid caloportador, així com les pèrdues de càrrega produïdes

en les derivacions en T, als colzes, a les vàlvules, etc.

Tal i com indiquen les especificacions tècniques, el circuit hidràulic haurà de complir

les següents condicions:

Traçat de canonades amb retorn invertit per garantir que el cabal es distribueix

uniformement entre els captadors.

Bomba de circulació en línia, en les zones més fredes del circuit i en llocs de

canonades verticals.

El vas d’expansió es connectarà a l’aspiració de la bomba.

El circuit anirà proveït de vàlvules de seguretat regulades a una pressió que garanteixi

que en qualsevol punt del circuit no superi la pressió màxima de treball dels

components.

Fig. 4.8.Dimensions de la canonada de coure (en mm).


Estela Martin

46 | P à g i n a

Es col·locaran sistemes antiretorn per evitar la circulació inversa i a l’entrada d’aigua

freda de l’acumulador solar.

El circuit incorporarà un sistema d’ompliment manual que permetrà omplir i mantenir

pressuritzat el circuit.

Es muntaran vàlvules de tall per facilitar la substitució o reparació dels components

sense necessitat de realitzar el buidatge total de la instal·lació. Aquestes vàlvules faran

que les bateries de captadors, l’intercanviador de calor, l’acumulador i la bomba siguin

elements independents.

S’instal·laran vàlvules que permetin el buidatge total o parcial de la instal·lació.

A cada zona de la bateria de captadors en la que hi hagi situada una vàlvula de tall

s’instal·laran vàlvules de seguretat.

En els punts alts de la sortida de bateries de captadors es col·locarà un sistema de

purga manual o automàtic.

En el traçat del circuit s’evitaran en la mesura que sigui possible els sifons invertits i

camins tortuosos que facilitin el desplaçament de l’aire atrapat fins als punts alts de la

instal·lació.

Els traçats horitzontals de canonades tindran sempre una pendent mínima de l’1% en

el sentit de la circulació.

Les canonades i accessoris s’instal·laran i protegiran amb materials que compleixin les

normes especifiques.


Estela Martin

47 | P à g i n a

4.6.2 Vas d’expansió

Utilitzarem un vas d’expansió tancat, que dimensionarem mitjançant l’expressió

següent:

V = Vt (0,2+0,01h)

Vt: capacitat total del circuit primari, en litres.

h: diferencia d’altura entre el punt més alt del camp de col·lectors i el vas d’expansió,

en m. En el nostre cas, aquesta diferència d’altures, corresponent a la distància entre

el terrat on s’instal·laran els col·lectors i la sala de calderes on s’instal·larà el vas

d’expansió, és de 15 m aproximadament.

A continuació procedirem a calcular la capacitat aproximada del circuit primari a partir

de la capacitat dels seus diferents elements:

Col·lectors: el fabricant ens indica una capacitat de 1,58 l per cada col·lector.

1,58 l/col·lector x 33 col·lectors = 52,14 litres

Intercanviador: a falta de dades concretes del nostre dipòsit acumulador i comparant-lo

amb d'altres de capacitat similar, prendrem un volum de 10 litres.

10 litres x 2 acumuladors = 20 litres

Fig. 4.9.Terrat on se situaran els col·lectors


Estela Martin

48 | P à g i n a

Volum de les canonades: amb una canonada de diàmetre interior de 39 mm i una

longitud aproximada de 40 m (80 m amb el retorn) el volum de les canonades del

circuit primari es pot calcular com:

V = S · d = (π · D2/4) · d

= 95,5 litres

Per tant la capacitat total del circuit primari serà:

Vt = 52,14+ 20 + 95,5= 167,64 litres

Tenint en compte que el valor de h = 15 m, estem en disposició de calcular el volum

del vas d’expansió:

V = Vt (0,2+0,01h)

V = 167,64 (0,2+0,01·15) = 58,67 litres

4.6.3 Sistema de regulació i control

El sistema de regulació consistirà en:

Termòstat que activarà el sistema auxiliar (caldera de gas) quan la temperatura del

dipòsit sigui inferior a 35ºC i la desactivarà quan sigui de 45ºC.

Termòstat diferencial per controlar la marxa de l’electrocirculador. Aquest termòstat

constarà de dues sondes de temperatura que es situaran a la sortida dels col·lectors i

a la part baixa del dipòsit d’acumulació. El termòstat diferencial es programarà per tal

que activi la bomba quan la diferència entre la temperatura del col·lector i la del dipòsit

sigui de 5ºC i es desactivi quan la diferència sigui de 2ºC.


Estela Martin

49 | P à g i n a

4.6.4 Aïllament

L’aïllament tèrmic de les canonades i altres elements del circuit primari es realitzarà

amb escuma elastomèrica.

Les característiques d'aquest material aïllant són:

- Temperatura límit: 105ºC

- No vulnerable a la corrosió.

- Comportament davant del foc: autoextinguible.

- Resistència mecànica mitja.

- Molt resistent a l’aigua.

- Pes específic: 60 kg/m3.

- Coeficient de conductivitat: 0.035 W/m·ºK als 20ºC

L’escuma elastomèrica pateix degradació quan és exposada a les radiacions UV del

sol, per la qual cosa és necessari protegir les parts instal·lades a la intempèrie amb una

imprimació subministrada pel fabricant (Armaflex).


Estela Martin

50 | P à g i n a

5. PRESSUPOST

El pressupost total de la instal·lació es desglossa en diferents partides:

Partida 1: Material solar (correspon als col·lectors solars).

Partida 2: Material Hidràulic (correspon als diferents elements hidràulics que

componen el circuit primari, com ara l’acumulador, el vas d’expansió, la bomba de

circulació, les canonades i els seus elements de connexió, les vàlvules, els

manòmetres, els purgadors, el sistema de control, el líquid anticongelant, etc.).

Partida 3: Material elèctric.

Partida 4: Material aïllant.

Partida 5: Instal·lació i posada en marxa.

Partida 6: Transport.

Per tal de calcular el cost real de la instal·lació hauríem de concretar la quantitat i el

cost de tots i cadascun dels elements que la componen. Aquest càlcul queda, però, fora

de l’abast d’aquest Treball de Recerca.

En petites instal·lacions domèstiques, l’experiència ens diu que el cost dels col·lectors

solars i el dipòsit acumulador suposa el 60% del cost total de la instal·lació.

En el nostre cas, però, com que alguns del elements que es tenen en compte en

aquestes partides ja els tenim, estimarem que el conjunt de col·lectors i d’acumuladors

suposarà un 70% del total del pressupost de la instal·lació.

El preu dels col·lectors i els dipòsits acumuladors ens ha estat facilitat per l’empresa

SOLECO. Aquests són:

ò ò


Estela Martin

51 | P à g i n a

Si considerem que aquest és el cost del 70% de la instal·lació, aleshores el cost total de

la instal·lació serà:

ó


Estela Martin

52 | P à g i n a

6. ESTUDI DE LA VIABILITAT ECONÒMICA

Hi ha tres motius o raons per les quals es decideix instal·lar un sistema d’energia solar:

Tenir una autosuficiència i independència respecte els subministres convencionals.

Contribuir a frenar la deterioració ecològica del planeta utilitzant energies netes i no

contaminants.

Aconseguir un benefici econòmic aprofitant una energia que arriba de manera gratuïta

fins al lloc de consum.

És necessari tenir en compte que el factor més important en qualsevol instal·lació és la

seva durabilitat i un funcionament eficaç durant molts anys.

Una instal·lació solar tèrmica realitzada amb materials de primera qualitat, muntada i

revisada adequadament, ha de ser capaç de tenir una vida útil de vint-i-cinc anys, amb un

manteniment raonable i algunes reparacions inevitables. Es considera que una instal·lació

haurà finalitzat la seva vida útil quan les despeses de manteniment creixin

desmesuradament, o quan exigeixi reparacions o substitucions d’un cost econòmic tan

gran que hagi de considerar-se l’opció de realitzar una inversió en una nova instal·lació.

Normalment una instal·lació solar suposa una inversió inicial major que una de

convencional, tot i que aquesta diferència es veu compensada al cap d’uns anys amb

l’estalvi produït per la primera.

A l’hora de calcular la rendibilitat d’una instal·lació solar cal tenir en compte que si

aquesta es realitza per complementar una instal·lació convencional existent sense

eliminar-la, com és el cas que ens ocupa, la despesa total no serà la suma del cost de

cadascuna de les instal·lacions per separat, ja que totes dues tindran elements en comú.

Parlarem sempre d’inversió diferencial, referint-nos a la inversió imputable a la part

estrictament solar de la instal·lació, descomptant la inversió en la instal·lació convencional

que substitueix o complementa.


Estela Martin

53 | P à g i n a

El període de retorn del capital invertit és el temps que transcorre des de que es

realitza la inversió fins que l’estalvi produït per la instal·lació l’amortitzi totalment.

La taxa de rendibilitat interna de la instal·lació és el tipus d’interès que hauria d’existir

per a que la inversió en la instal·lació solar, una vegada arribada al final de la seva vida

útil, hagués produït el mateix benefici que una capitalització amb aquest tipus d’interès.

La taxa de rendibilitat ens determina l’interès efectiu dels diners que produeix la inversió

realitzada. Per tant, si aquesta fos inferior a l’obtingut en el mercat financer seria indici

d’una mala inversió, ja que podríem obtenir major rendibilitat d’una altra manera. Per

contra, una taxa de rendibilitat clarament superior a l’interès mig dels diners indica que la

inversió en energia solar és aconsellable i rentable. Aquest serà l’objectiu a aconseguir en

tots el casos.

Finalment, per poder avaluar correctament i comparar les quantitats que intervenen en

l’estudi de la rendibilitat d’una instal·lació, és precís tenir en compte que el cost dels

combustibles, del manteniment, etc., variaran, normalment a l’alça, com a conseqüència

de la inflació.

6.1 Càlcul del període de retorn

Sigui C el cost de la inversió diferencial, A l‘estalvi previst anualment i M el cost del

manteniment durant el primer any de vida de la instal·lació.

Per calcular l’estalvi total produït en un període de temps de t anys cal tenir en compte,

d’una banda, l’increment previsible cada any del preu dels combustibles. Sigui c aquest

increment, en tant per u. D’altra banda també cal tenir en compte que podríem obtenir

una rendibilitat dels nostres diners col·locant-los a un interès e. D’aquesta manera una

quantitat inicial X al cap de t anys es convertiria en X(1+e)t, i inversament, una quantitat

que al cap de t anys és X, correspondria a una quantitat inicial de X/(1+e)t.


Estela Martin

54 | P à g i n a

Combinat els dos conceptes, podem afirmar que l’estalvi brut en un període de t anys

equivaldria a:

De la mateixa manera, el cost del manteniment en aquest període, comparant-lo amb

el valor dels diners en el moment inicial, és:

on i és el valor de la inflació anual, ja que suposem que la factura del manteniment

augmentarà igual que ho fa l’índex d’inflació.

Per tant, l’estalvi net, això és, l’estalvi brut menys el cost de manteniment, serà:

i el benefici net B que la instal·lació proporciona al cap de t anys és:

Si calculéssim B per als primers anys, veuríem que el resultat seria negatiu, és a dir,

que l’estalvi encara no hauria aconseguit compensar la inversió. Però transcorregut un

cert període de temps t, el benefici net B seria zero. Aquest valor de t serà precisament el

temps de retorn de la inversió. A partir d’aquest any, i fins al final de la vida útil de la

instal·lació, tot l’estalvi que es produeixi es convertirà en un benefici net, ja que la

instal·lació ja haurà sigut amortitzada.

Per calcular el valor de t substituirem els sumatoris de l’equació anterior per l’expressió

de la suma dels n primers termes d’una progressió geomètrica. Aquesta és:


Estela Martin

55 | P à g i n a

on a i r són el primer terme i la raó de la progressió geomètrica respectivament.

Finalment resoldrem l’equació resultant mitjançant el mètode del tempteig, és a dir,

donant valors arbitraris a t i anant-los ajustant fins que es compleixi la igualtat de

l’equació. D’aquesta manera trobarem el valor de t, és a dir, el temps de retorn de la

inversió.

Comencem calculant el valor de l’estalvi en forma de gas natural previst anualment.

Per aconseguir-ho partirem del preu de cada kWh de gas natural, obtingut d’una factura

de gas natural. Aquest és:

Amb aquesta dada i la quantitat d’energia que ens estalviarem cada l’any (diferència

entre la suma de les columnes 6 i 20 de la taula de la pàgina 36, és a dir, 48.734 MJ)

trobarem quants diners ens estalviarem en gas natural. Així doncs tenim:

Però per resoldre les equacions plantejades, a més de l’estalvi previst anualment (A),

hem de conèixer d’altres valors:

El cost de la inversió diferencial (C) en el nostre cas és de 43.359,34 , segons hem

calculat a l’apartat 5.

Segons dades facilitades per l’empresa d’instal·lació, el cost del manteniment el primer

any (M) és d’aproximadament 400 .

Pel que fa a l’increment del preu del combustible (c), no hem trobat cap valor

actualitzat. Per aquest motiu, hem pres un valor d’un 20%, tenint com a referència altres

projectes d’ACS consultats.


Estela Martin

56 | P à g i n a

Actualment, els interessos que ens donen pels nostres diners al banc (e) són d’un 4%

aproximadament, per tant farem servir aquest valor.

Finalment, la inflació anual (i) del darrer any correspon al 2,4%, però com que és

recomanable agafar dos o tres punts per sobre del valor l’oficial, nosaltres prendrem un

valor d’un 5,4%.

Per resoldre les equacions, tots els valors percentuals anteriors s’han de passar a tan

per un.

Per calcular el període de retorn, cal partir de l’equació:

i considerar que el benefici net (B) és zero. Per tant:

Substituint els sumatoris per l’expressió de la suma dels n primers termes d’una

progressió geomètrica tenim:

Arribats en aquests punt, hem de procedir pel mètode del tempteig. Donarem valors a t

fins que trobem el que compleixi millor la condició anterior. Llavors:

Per a t = 15 el primer membre de l’equació anterior val -7.956,35.

Per a t = 16 el primer membre de l’equació anterior val -1.120,69.


Estela Martin

57 | P à g i n a

Per a t = 17 el primer membre de l’equació anterior val 6.835,78.

Veiem que per un valor de t entre 16 i 17 anys es compleix la igualtat anterior. De fet el

valor que més s’aproxima al compliment de la igualtat és t = 16. Per tant, podem afirmar

que el temps de retorn del capital invertit serà de 16 anys.

Aquest és un temps acceptable, ja que és inferior als 20 anys de vida útil de la

instal·lació que hem considerat i per tant podem afirmar que la instal·lació dissenyada ens

donarà beneficis.

6.2 Càlcul de la taxa de rendibilitat interna

Per calcular la taxa de rendibilitat interna r s’haurà de suposar un temps de vida útil de

la instal·lació. L’ideal seria que fos de 25 anys, però adoptarem un criteri més

conservador, suposant que només sigui de 20 anys.

Segons la definició de r, aquesta taxa és l’interès fictici e que fa que B sigui zero quan t =

20 anys. Per tant, partint de l’equació:

i substituint e per r, i igualant t = 20 i B = 0:

Ara, substituint valors:

I, com abans, substituint els sumatoris per l’expressió de la suma dels n primers

termes d’una progressió geomètrica tenim:


Estela Martin

58 | P à g i n a

Per resoldre aquesta equació, més complexa que l’anterior, també utilitzarem el

mètode del tempteig, anant donant valors a r fins que es compleixi la igualtat de l’equació.

Per a fer-ho utilitzarem el full de càlcul Excel.

Per a r = 0,04 (valor de l’interès bancari) el primer membre de l’equació val 39.349,29.

Per a r = 0,08 el primer membre de l’equació val 4.077,05.

Per a r = 0,09 el primer membre de l’equació val -1.740,16.

Per a r = 0,085 el primer membre de l’equació val 1.055,25.

Per a r = 0,086 el primer membre de l’equació val 478,68.

Per a r = 0,087 el primer membre de l’equació val -88,99.

Per tant, la taxa de rendibilitat serà del 8,7% aproximadament.

Com a norma general, perquè la inversió resulti atractiva, la taxa de rendibilitat ha

d’estar tres o quatre punts per sobre de l’interès màxim que podem esperar obtenir en

una hipotètica inversió alternativa. Per tant, podem afirmar que la nostra inversió és

acceptable.


Estela Martin

59 | P à g i n a

7. ESTUDI DE L’IMPACTE AMBIENTAL

A més dels beneficis econòmics, no hem d’oblidar que l’estalvi energètic produït amb

l’ús de l’energia solar contribueix a una reducció de la contaminació ambiental.

La reducció de la contaminació ambiental encara no s’inclou com un paràmetre

d’estalvi econòmic, però és ben cert que millorant la qualitat de l’aire que respirem,

contribuirem a una millor salut i, en definitiva, a una millor qualitat de vida.

Per calcular la quantitat de gasos contaminats que deixarem d’emetre anualment amb

la combustió de gas natural, en concret de CO2, sabem que per cada m3 de gas natural

combustionat s'emeten a l'atmosfera 2,15 kg de CO2.

Començarem, doncs, calculant quants m3 de gas natural que deixem de cremar degut

a l'aportació solar. Això ho farem a partir de l’energia anual que ens aporten els

col·lectors, que és de 48734 MJ (diferència entre la suma de les columnes 6 i 20 de la

taula de la pàgina 36). Per fer aquest càlcul també caldrà conèixer la densitat del gas

natural (ρ = 0,78 Kg/m3) i el seu poder calorífic (pc = 53,6 MJ/Kg):

Per tant la massa de CO2 que no emetrem a l'atmosfera al no cremar el gas natural,

serà:

Per tant cada any deixarem d'emetre a l’atmosfera 2112,12 kg CO2.


Estela Martin

60 | P à g i n a

8. MANTENIMENT DE LA INSTAL·LACIÓ

8.1 Operacions de manteniment a realitzar per l’usuari

L’usuari de la instal·lació haurà de realitzar les següents operacions de control i

manteniment, com a mínim un cop al mes:

Comprovar la pressió del circuit. Aquesta comprovació ha de realitzar-se en fred,

preferiblement a primeres hores del matí. Quan la pressió baixi de 1,5 kg/cm2 s’haurà

de procedir a reomplir el circuit hidràulic, o bé posar-se en contacte amb l’empresa

amb la qual tingui contractat el manteniment.

Purgar el sistema per eliminar la possible presència d’aire en els conductes i altres

elements de la instal·lació.

És recomanable que l’usuari es familiaritzi amb les següents operacions bàsiques

d’actuació sobre el sistema:

- Ompliment del circuit.

- Arrencada i parada del sistema.

- Operació sobre els termòstats de control.

8.2 Operacions de manteniment a realitzar pel personal especialitzat

Operacions imprescindibles de manteniment:

- Control anual de l’anticongelant.

- Comprovació de la pressió i ompliment del circuit.

- Purga del circuit.

- Comprovació de la pressió de l’aire del vas d’expansió.

- Calibratge del sistema de control.


Estela Martin

61 | P à g i n a

- Comprovació del funcionament automàtic de la bomba.

A més s’inspeccionaran visualment i comprovaran:

- Els col·lectors.

- L’aïllament.

- Les vàlvules manuals.

- El soroll de la bomba

- Les canonades.

Les dimensions d’una instal·lació d’aquestes característiques estan limitades pel

compliment de la condició de que cap mes de l’any l’energia produïda per la instal·lació

pot superar el 110% de la demanda energètica. En el cas que algun mes de l’any la

contribució solar real superi el 110% de la demanda energètica, o bé el 100% en més de

tres mesos seguits, s’adoptarà qualsevol de les següents mesures:

Possibilitat de dissipar els excedents d’energia de la instal·lació.

Cobriment parcial dels captadors per tal d’aïllar-los de l’escalfament produït per la

radicació solar.

Buidatge parcial del camp de captadors. Aquesta solució permet evitar el

sobreescalfament, però com que buidem part del fluid del circuit primari, aquest haurà

de ser omplert de nou per personal especialitzat.

Com que en el nostre cas, l’energia produïda per la instal·lació supera en diversos

mesos el 110% de la contribució solar, haurem de tenir en compte algunes de les

solucions mencionades anteriorment. Com que l’institut està tancat durant juliol i agost,

considerem que la millor opció és el buidatge total dels captadors.


Estela Martin

62 | P à g i n a

9. CONCLUSIONS

Al començament del projecte esmentàvem els objectius principals del treball. Partint

d’aquets propòsits, podem extraure les següents conclusions:

La instal·lació de producció d’ACS que es duria a terme a l’institut constaria de 33

col·lectors de 2,17 m2 de superfície útil cadascun connectats en bateries. Per a aquest

nombre de col·lectors necessitem un volum d’acumulació de 5.000 litres, que

resoldrem amb dos dipòsits de 2.500 litres cadascun.

A més dels col·lectors i els dipòsits, la instal·lació dissenyada compta amb tota una

sèrie d’altres components que han estat exposats al llarg d’aquest treball.

Les instal·lacions necessàries per l’aprofitament de l’energia solar, com s’ha pogut

comprovar, no són barates, ja que requereixen una gran inversió inicial. Fins i tot, en

alguns casos no és rentable fer-ne ús. En el nostre cas, la inversió inicial quedaria

totalment pagada quan transcorreguessin entre 16 i 17 anys, moment a partir del qual

seria rendible. Tenint en compte que la vida útil d’aquest tipus de sistemes oscil·la

entre 20 i 25 anys, en el nostre cas no surt especialment a compte fer la inversió

necessària, ja que el període durant el qual guanyem diners és molt curt i per tant els

guanys són mínims.

Si deixem de banda l’aspecte econòmic i ens centrem en l’aspecte ambiental, aquests

sistemes d’aprofitament d’energia sí que resulten recomanables. D’aquesta manera

s’evita emetre una gran quantitat de gasos contaminants a l’atmosfera, i això a la llarga

és beneficiós per al planeta i per a la nostra salut.

En el nostre cas evitaríem l’emissió de 2.112,12 kg CO2 cada any a l’atmosfera,

contribuint d’aquesta manera a una reducció de la contaminació ambiental.


Estela Martin

63 | P à g i n a

A nivell personal, vull destacar que durant la realització d’aquest treball he après

moltes coses i això m’ha donat molta satisfacció.

A més a més de tots els continguts teòrics i procediments de càlcul que he hagut

d’aprendre per dissenyar la instal·lació, un dels aspectes que he après i que més valoro,

és que, a diferència dels problemes teòrics que resolem a l’aula on totes les dades estan

ben definides a l’enunciat, a l’hora de resoldre un problema de càlculs real moltes

vegades no disposem de les dades necessàries, ja sigui perquè no les tenim i les hem de

buscar, com és el cas de les característiques del col·lectors o dels paràmetres necessaris

per calcular la rendibilitat, o perquè simplement no existeixen, com en el cas del cabal de

les dutxes. En aquest cas he hagut de fer supòsits i prendre decisions. Això no m’ha

resultat gens fàcil i no hauria estat possible sense l’ajuda del tutor.

És molt probable que la instal·lació dissenyada en aquest Treball no es dugui a terme

a causa del seu cost. Però, tot i així, en traurem un profit, ja que durant la seva elaboració

ens vam adonar de que el cabal de les dutxes era molt inferior al que hauria de ser, i

aleshores la instal·lació va ser revisada i reparada per un tècnic.

Aquest projecte, a més, m’ha servit per introduir-me en l’interesant món de les

energies alternatives. Qui sap si mai m’hi acabaré dedicant!


Estela Martin

64 | P à g i n a

10. BIBLIOGRAFIA

Libres consultats

COLECTIVO. (1900-1995). Instalaciones de energía solar. Tomo 1: Física, Sevilla, 4ª

ed.

COLECTIVO. (1900-1995). Instalaciones de energía solar. Tomo 2: Energía Solar,

Sevilla, 4ª ed.

COLECTIVO. (1900-1996). Instalaciones de energía solar. Tomo 3: Sistemas de

aprovechamiento térmico I, Sevilla, 4ª ed.

COLECTIVO. (1900-1997). Instalaciones de energía solar. Tomo 4: Sistemas de

aprovechamiento térmico II, Sevilla, 4ª ed.

JOSEPH, Joan; HOYOS, Roger; GARRAVÉ, Jaume; GARÓFANO, Francesc; VILA,

Francesc. (2008). Tecnologia industrial 1 · Batxillerat, Madrid, Ed. McGraw-Hill

Mediterrània.

Informació en línia

AMORDAD. Tubos de vacío [En línea]. <http://www.amordad.es/tubos_de_vacio.asp>

ANDALUCÍA INVESTIGA. Energía solar [En línea].

<http://platea.pntic.mec.es/~aanderic/flash/solar.swf>

http://www.amordad.es/tubos_de_vacio.asp

http://platea.pntic.mec.es/~aanderic/flash/solar.swf


Estela Martin

65 | P à g i n a

ENERGÍAS RENOVABLES. Energía Solar De Alta Temperatura [En línea].

<http://www.gstriatum.com/energiasolar/blog/2009/09/18/energia-solar-de-alta-

temperatura/>

MILIARIUM. Ingeniería Civil y Medio Ambiente [En línea].

<http://www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Energia/EnergiasRenovables/Ener

giaSolarFotovoltaica.asp >

SITIOSOLAR. Proyecto de instalación ACS solar en vivienda unifamiliar [En línea].

<http://www.sitiosolar.com/proyecto.pdf>

SLIDESHARE. Energía solar térmica [En línea].

<http://www.slideshare.net/geopaloma/energa-solar-trmica>

SOLARWEB. Energía solar fotovoltaica [En línea].

<http://www.solarweb.net/solar-fotovoltaica.php>

SOLARWEB. Energía solar térmica [En línea].

<http://www.solarweb.net/solar-termica.php>

TOP 50 SOLAR. Energía solar térmica [En línea].

<http://energiasolartermica.blogspot.com/2006/02/el-vaso-de-expansin.html>

Proyecto de instalación energía solar para obtención a agua caliente sanitaria [En

línea]. <http://www.biblioteca.org.ar/libros/211403.pdf>

http://www.gstriatum.com/energiasolar/blog/2009/09/18/energia-solar-de-alta-temperatura/

http://www.gstriatum.com/energiasolar/blog/2009/09/18/energia-solar-de-alta-temperatura/

http://www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Energia/EnergiasRenovables/EnergiaSolarFotovoltaica.asp

http://www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Energia/EnergiasRenovables/EnergiaSolarFotovoltaica.asp

http://www.slideshare.net/geopaloma/energa-solar-trmica

http://www.solarweb.net/solar-fotovoltaica.php

http://www.solarweb.net/solar-termica.php

http://energiasolartermica.blogspot.com/2006/02/el-vaso-de-expansin.html


Estela Martin

66 | P à g i n a

ANNEX 1

ANNEX 2

Taula 1. Temperatura mitja de l’aigua de la xarxa general, en ºC.


Estela Martin

67 | P à g i n a

ANNEX 2

Taula 2. Energia, en MJ, que incideix sobre un metre quadrat de superfície horitzontal en

un dia mig de cada mes.


Estela Martin

68 | P à g i n a

ANNEX 3

Taula 3.

Taula 4. Numero mig d’hores diàries de sol útils per col·lectors orientats aproximadament

cap a l’equador i inclinats amb un angle igual a la latitud ( 15 º). Si els col·lectors

estiguessin disposats horitzontalment, a finals de tardor i principis d’hivern, el temps útil

seria una mica menor que l’indicat i, per tant, la intensitat mitja seria major.


Estela Martin

69 | P à g i n a

ANNEX 4

Taula 5. Temperatura ambient mitja durant les hores de sol, en ºC.


Estela Martin

70 | P à g i n a

ANNEX 5

Fig. 6.1. Corbes de congelació de dos preparats comercials a base d’etilenglicol i

propilenglicol respectivament.


Estela Martin

71 | P à g i n a

ANNEX 6

Fig. 6.2. Calor específica d’una dissolució de propilenglicol, en funció de la temperatura.


Estela Martin

72 | P à g i n a

ANNEX 7

Annex 7

Fig. 6.3. Densitat d’una dissolució de propilenglicol, en funció de la temperatura.


Estela Martin

73 | P à g i n a

ANNEX 8

Taula 7. Gruix mínim de l’aïllament tèrmic (mm)


Estela Martin

74 | P à g i n a

ANNEX 9

Dades tècniques SOLECO

instal·laciÓ solar d’acs · l’energia solar rebuda i de les possibilitats de ventilació...

Documents