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SISTEMAS DE CALEFACCION DE DISTRITO CON APORTE SOLAR Y ACUMULACIÓN TÉRMICA ESTACIONAL F. Palacín Arizón*, M.A. Lozano Serrano** * Centro Nacional de Energías Renovables (CENER) Ciudad de la Innovación 7 31621 Sarriguren (Navarra) – España [email protected] ** Departamento de Ingeniería Mecánica – C.P.S. de Zaragoza C/ María de Luna 3 50018 Zaragoza – España [email protected]

Resumen: Hace dos años entró en vigor el Código Técnico de la Edificación (CTE). Esta normativa, además de exigir una mayor calidad en los elementos constructivos de los edificios, obliga a un aprovechamiento de energías de origen renovable. Exige que una fracción de la demanda de agua caliente sanitaria (ACS) sea suministrada a partir de energía solar térmica. La magnitud de esta fracción varía entre el 30% al 70% en función de la zona climática, el consumo diario de ACS del edificio y del tipo de energía ahorrada. Paradójicamente, el aprovechamiento de la energía solar térmica está más extendido en otros países europeos con menor radiación solar, como Alemania. Las instalaciones solares que se realizan en estos países están destinadas a suministrar nos solo ACS sino también una fracción de la demanda de calefacción del edificio. El trabajo comienza revisando el estado del arte de las instalaciones de energía solar térmica en Europa con acumulación estacional. Se propone el esquema de principio y se dimensiona una instalación solar con acumulación estacional capaz de cubrir la demanda de un complejo de cien viviendas situado en Zaragoza. Finalmente, el análisis de sus prestaciones se realiza utilizando el programa TRNSYS. Palabras clave: Energía solar, acumulación estacional, simulación dinámica

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1.

INTRODUCCION

Durante los últimos años, la energía solar térmica ha venido registrando un crecimiento muy bajo en relación con los objetivos que pretendían los diferentes planes de fomento del aprovechamiento de las energías renovables. El Plan de Energías Renovables de España (PER 2005-2010) pretende cubrir con fuentes renovables al menos el 12% del consumo de energía total de energía en el año 2010. Aplicado en el ámbito de la energía solar térmica, supone un incremento de superficie instalada de 4.200.000 m2. Con la entrada en vigor del CTE se pretende sustituir energía procedente de combustibles fósiles por energía solar térmica para cubrir las demandas energéticas del edificio. En particular, el documento básico de ahorro de energía DB-HE4 del CTE obliga a la instalación de sistemas solares térmicos para proporcionar una contribución solar mínima anual a la demanda de ACS, variando entre 30 y 70% según sean: i) la irradiación solar anual, ii) la magnitud de la demanda, y iii) el tipo de fuente energética de apoyo. Igualmente obliga a utilizar una instalación solar térmica para contribuir al calentamiento de piscinas cubiertas. La filosofía de diseño de los sistemas solares que se instalan cumpliendo el DB-HE4, se basa en disponer de una capacidad de acumulación de energía solar térmica equivalente a la demanda de ACS de dos o tres días. Esta conclusión se obtiene de la exigencia por dicho documento de un volumen de acumulación solar comprendido entre 50 y 180 litros por m2 de superficie de captación. Si analizamos el resto de países de Europa, se observa que los países donde más instalaciones solares se han realizado, no son los que reciben mayor irradiación solar. Alemania, por ejemplo, destaca por su aprovechamiento de la energía solar (ver figura 2). Además, al contrario que en España, buena parte de las instalaciones solares térmicas de los países de Europa Central aportan energía no solo para atender la demanda de ACS sino también para cubrir parte de las necesidades de calefacción. La filosofía de diseño ha variado significativamente en algunas actuaciones recientes. Así se han llevado a cabo proyectos de sistemas solares térmicos con grandes acumuladores estacionales para barrios residenciales. La propuesta de estos sistemas reside en la acumulación de la energía solar disponible durante los periodos de mayor oferta, primavera y verano, con el fin de utilizar esta energía almacenada para atender la demanda de calefacción en la última parte del año. Estas instalaciones suelen integrarse en los denominados sistemas de calefacción de distrito. El volumen de acumulación de energía solar térmica aumenta desde unos ratios de 50 - 180 litros por m2 de superficie de captación, anteriormente mencionados, hasta 1200 - 4200 litros por m2 de superficie de captación (Lindenberger et al., 2000).

Figura 1: Previsión del mercado español de energía solar térmica (asit-solar).

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Figura 2: Reparto de la superficie de colectores solares en Europa (estif). 2.

ESTADO DEL ARTE DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS EN EUROPA

En este apartado se presenta un resumen de las tipologías de sistemas solares térmicos que son utilizados en Europa para suministro conjunto de ACS y calefacción (Fisch et al., 1998; Lottner et al., 2000; Schmidt et al., 2004; Ellehauge&Pedersen, 2007). 2.1. Instalaciones pequeñas de calefacción y ACS Estas instalaciones se realizan en viviendas individuales ó pequeños edificios. Los tipos de sistemas de calefacción que mejor se adaptan a estas instalaciones son los de baja temperatura, como el suelo radiante. La utilización de acumuladores combinados ha permitido simplificar la construcción y el control de estas instalaciones, reduciendo los costes y el espacio necesario para su montaje. El acumulador combinado se carga de igual modo que en las instalaciones de ACS pequeñas, a través del circuito primario, mediante el uso de un sencillo control diferencial de temperaturas. En principio, los acumuladores combinados están divididos en tres zonas. En la zona inferior (la más fría) está colocado el intercambiador solar. La parte superior sirve de volumen de disposición de servicio de ACS y está calentada por el sistema convencional (Nota: El CTE prohíbe el calentamiento del acumulador solar por cualquier sistema auxiliar que consuma energía convencional para la producción de ACS). En el caso de producción de ACS y calefacción se han encontrado diversas interpretaciones del CTE con respecto a este tema cuando el nivel de temperatura alcanzado en la instalación solar no sea suficiente. La zona intermedia está destinada al suministro de calefacción. Se pueden distinguir dos tipos de acumuladores según sea la producción de ACS: 1) Sistemas con producción de ACS “al baño maría” (Fig. 3: izquierda), y 2) Sistemas con producción de ACS instantánea (Fig. 3: derecha).

Figura 3: Sistemas solares para ACS y calefacción (Peuser et al., 2005).

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El acumulador del tipo “al baño maría” se compone de dos recipientes concéntricos. La energía solar captada calienta el fluido que se encuentra entre ambos recipientes, siendo este a su vez el que calienta el ACS contenida en el recipiente interior. En los sistemas con producción de ACS instantánea, el acumulador es de acero negro, sin ningún requerimiento higiénico, puesto que solo va a contener el agua del circuito de calefacción. La producción de ACS se realiza mediante un intercambiador de calor externo. Con el fin de obtener un sistema compacto, este intercambiador de calor es un modulo que se coloca sobre el acumulador, reduciendo de esta manera el espacio requerido. A este modulo se le denomina “Estación de calentamiento instantáneo de ACS” y lleva incorporado una bomba de caudal variable, un sistema de estratificación y su lógica de control. 2.2. Instalaciones de calefacción y ACS para edificios multivivienda En España, el CTE obliga a suministrar un porcentaje de la demanda de ACS con energía solar térmica. Es por esto que la mayoría de instalaciones solares térmicas que se implantan, toman como única misión el cumplimiento de dicho requisito y no el aprovechamiento solar para calefacción en invierno y/o climatización en verano (Lozano et al., 2007). Únicamente en algunas viviendas unifamiliares se ha dado un paso más y se aprovecha la energía solar térmica para cubrir parte de la demanda de calefacción con instalaciones como las mostradas en el apartado anterior. En bloques de viviendas no se ha desarrollado la calefacción solar, debido probablemente a los elevados costes iníciales y a la complejidad de las instalaciones. Sin embargo, podría aprovecharse la mayor formación y experiencia de países de Europa Central, como Alemania y Austria. Para la obtención en un alto grado de aprovechamiento de la energía solar térmica en la cobertura de la demanda de calefacción, deben instalarse sistemas de calefacción de baja temperatura, como pueden ser sistemas de suelo radiante, cuya temperatura de trabajo se sitúa alrededor de 40-45ºC. La configuración del sistema solar dentro de los edificios residenciales persigue la filosofía del concepto de calefacción de distrito (district heating). El sistema centralizado almacenaría la energía solar en acumuladores comunes y la repartiría a cada una de las estaciones situadas en las viviendas del edificio mediante un circuito de distribución de fluido caloportador. En cada vivienda existiría una estación de transferencia de calor para proporcionar ACS y calefacción. En la Figura 4 se muestra el esquema de principio.

Figura 4: Sistema centralizado con apoyo central para calefacción y ACS.

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En caso de que la energía solar no fuera suficiente, el sistema auxiliar sería el encargado de proporcionar el último escalón de calentamiento al fluido caloportador. En cada estación de transferencia hay un intercambiador de calor que se encarga de la producción instantánea de ACS. Al ser instantánea la producción, el riesgo de producción de legionelosis se erradica. 2.3. Instalaciones de calefacción de distrito La calefacción solar de distrito (solar district heating) integra las instalaciones solares térmicas en las redes de distribución de los sistemas convencionales de calefacción de distrito. Los sistemas de calefacción de distrito deben ir acompañados de una alta calidad en la envolvente térmica de los edificios buscando la máxima reducción de su demanda de energía para calefacción. Integrando la calefacción solar se pueden alcanzar, con un esfuerzo económico razonable, tasas de cobertura solar de hasta el 50% del consumo de energía térmica. En cualquier caso, salvo algunas experiencias realizadas, los sistemas solares de calefacción de distrito no han conseguido implantarse en España. Entre los motivos cabe aducir la falta de madurez tecnológica, las grandes dimensiones de los campos de captación que han de distribuirse por varios edificios y la necesidad de acumuladores de gran tamaño. Los sistemas con acumulación estacional forman una variante de los sistemas de calefacción de distrito. Los sistemas solares de distrito con acumulación estacional se caracterizan por acumular toda la energía solar excedente del periodo de verano para atender parte de la demanda de calefacción del periodo de invierno. Los acumuladores estacionales son costosos y plantean problemas de concepción y ejecución a los ingenieros, arquitectos e instaladores especializados. En la Figura 5 se muestra un esquema de este tipo de instalaciones.

Figura 5: Sistema solar de distrito de Friedichshafen - Alemania (bmwa). Captadores de gran superficie. A diferencia de las instalaciones solares pequeñas y medianas, donde los captadores utilizados tienen una superficie bruta de entre 2,5 y 3 m2, para el caso de instalaciones de distrito, donde la dimensión del campo de captación solar es de centenares de metros cuadrados, la colocación de captadores de gran superficie supone un ahorro considerable. En la Figura 6 se muestran edificios donde se han colocado captadores de grandes dimensiones. La instalación de estos grandes captadores requiere una mayor especialización y la utilización de grúas.

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Figura 6: Captadores solares térmicos de grandes dimensiones y su instalación. Acumulación estacional Se ha realizado un trabajo de documentación sobre diferentes experiencias que existen en materia de acumulación estacional. La mayoría se encuentran localizadas en Alemania y se podrían clasificar en los siguientes grupos: 1) Depósito de agua enterrado, 2) Depósito de agua y piedras enterrado, 3) Uso de acuíferos naturales, y 4) Tubos enterrados en el terreno. En la Figura 7 se muestran diferentes tipos de depósitos de acumulación estacional con sus características principales como son la capacidad térmica y la estimación de su volumen en función de la superficie de captación solar. El primer sistema, el depósito de agua enterrado, es el que se ha instalado en más ocasiones, ya que tiene más amplio rango de posibilidades de aplicación. Puede emplearse independientemente de las condiciones geológicas o para tamaños pequeños. El tanque normalmente se construye de hormigón armado, y está parcialmente enterrado en el suelo. Está aislado, al menos en la superficie superior y en las superficies verticales de los laterales.

Figura 7: Tipos de acumuladores estacionales (www.igs.bau.tu-bs.de). 3.

LA INSTALACION DISEÑADA Y SUS COMPONENTES

La instalación diseñada y que se pretende analizar estará localizada en la ciudad de Zaragoza. Dará servicio a un total de 100 viviendas. Para el sistema de calefacción se ha supuesto un sistema de baja temperatura, como es un suelo radiante.

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Figura 8: Demanda térmica de los edificios en kW para un día tipo de Diciembre. 3.1. Demandas térmicas Para el cálculo de la demanda energética de calefacción y ACS se utilizó la demanda real de un conjunto residencial del barrio zaragozano “Parque Goya”. Partiendo de la demanda de un día tipo por cada mes del año se generó la demanda anual horaria de calefacción y ACS para el conjunto de las cien viviendas. La Figura 8 muestra la demanda de calefacción (azul) y ACS (rosa) del conjunto residencial para el día tipo de Diciembre. La demanda de ACS es mucho menor que la de calefacción, siendo los totales anuales de ambas 101,5 MWh/año y 479,5 MWh/año, respectivamente. 3.2. Esquema de principio El esquema de principio de la instalación diseñada se presenta en la Figura 9. Se compone de tres componentes principales: 1) El campo de captación solar, 2) El acumulador de agua caliente sanitaria, y 3) El acumulador estacional para la demanda de calefacción. El campo de captación solar será el encargado de captar la energía solar y suministrarla a ambos acumuladores.

Figura 9: Esquema de principio de la instalación diseñada. Tabla 1: Parámetros característicos del captador solar.

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Características Superficie de absorción Rendimiento óptico k0 Coeficiente de perdidas k1 Coeficiente de perdidas k2

Unidades m2 W/(m2·K) W/(m2·K2)

Valor 9,4 0,7981 3,2829 0,0187

3.3. Campo de captación solar Para el dimensionado inicial del campo de captación se tomaron en cuenta las referencias bibliográficas consultadas. Según Lindenberger et al. (2000) la superficie de captación en instalaciones realizadas en Alemania toma valores en el rango 1,0–2,5 m2/MWh de demanda térmica del edificio. Teniendo en cuenta que la irradiación solar en Alemania es inferior a la de España, se determinó para la instalación diseñada un valor inicial de 1,0 m2 de captación/MWh de demanda térmica total a suministrar. Debido a la elevada superficie del campo de captación, aproximadamente de 580 m2, se eligió un captador solar de gran tamaño cuyas características se muestran en la Tabla 1. La orientación del campo es Sur y su inclinación es de 45º. El DB HE4 recomienda una inclinación igual a la latitud donde se colocan los captadores cuando se utilice la instalación solar durante todo el año. Tras un análisis de su efecto en la fracción solar alcanzada, la inclinación elegida es ligeramente mayor que la latitud de Zaragoza (41º). El caudal especifico de diseño del campo de captación ha sido de 15 (l/h)/m2, valor que se encuentra en el rango de “low-flow”. En instalaciones convencionales se podrían presentar problemas durante los periodos estivales cuando la oferta solar es elevada y la demanda mínima, alcanzando el campo solar temperaturas muy altas. En el caso que se presenta, debido a la existencia del acumulador estacional, se elimina este problema, ya que en verano se continuara almacenando la energía solar. 3.4. Sistemas de acumulación Los acumuladores son elementos imprescindibles en cualquier instalación de energía solar destinada a cubrir total o parcialmente las demandas de ACS y/o calefacción. La misión del acumulador es mitigar el desfase temporal que suele presentarse entre la oferta solar y la demanda de calor que requiere el edificio. En contraste con otras instalaciones que sólo poseen un acumulador estacional que atiende tanto la demanda de calefacción como la de ACS, la instalación propuesta dispone de un acumulador para cada servicio. La ventaja principal de las instalaciones con solo acumulador estacional es que suministran un único flujo de agua caliente a las viviendas, tanto para la calefacción como para producir ACS de forma instantánea mediante intercambiadores de calor ó por medio de acumulación distribuida en los edificios. El disponer de un acumulador adicional, de menor capacidad, para el ACS permite alcanzar la temperatura de servicio con energía solar en un tiempo mínimo y de este modo disminuye el consumo de energía auxiliar. Para atender la demanda de calefacción se utilizará el acumulador estacional. Esté almacenará aquella parte de la energía solar captada por el campo solar, y no utilizada para la preparación de ACS, desde la primera parte del año hasta el comienzo de la temporada de calefacción. La energía almacenada será consumida en los primeros meses en que se requiera calefacción. El suministro de calefacción podrá realizarse a una temperatura inferior que si se atendieran las demandas de calefacción y ACS conjuntamente. En un acumulador solar es muy importante que las temperaturas de retorno, de las instalaciones a las que el acumulador suministra agua caliente, sean lo más bajas posibles. Como hay dos demandas cuyas temperaturas de servicio son diferentes, las perdidas térmicas por distribución y los perniciosos efectos de mezcla térmica se reducen. El dimensionado del acumulador de ACS se hizo en función del máximo consumo diario de ACS a lo largo del año. Este consumo es de 6500 litros, aproximadamente, por

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lo que se eligió un acumulador de 7000 litros. Para el acumulador estacional, cuya misión es almacenar la máxima cantidad de energía solar, se propone en la literatura (Lindenberger et al., 2000) un volumen de acumulación entre 1,2 y 4,2 m3/m2 de superficie de captación. Teniendo en cuenta la mayor irradiación solar en el lugar donde se localiza la instalación se tomó un valor inicial de 3,5 m3/m2. Las dimensiones del acumulador resultan: volumen 2000 m3, altura: 12 m, y diámetro 14,5 m. 3.5. Estrategia de control de la instalación Las bombas del primario y del secundario del sistema de captación solar se ponen en funcionamiento cada vez que exista un diferencial de temperatura positivo entre la temperatura de la zona inferior del acumulador estacional y la temperatura de salida del campo solar. Este diferencial de temperaturas suele estar por encima de cierto valor prefijado. Debido a las largas longitudes de tubería y sus posibles pérdidas térmicas por distribución se optó por un diferencial de 10ºC. Las bombas siguen funcionado mientras exista un diferencial de temperaturas mayor de 2ºC entre los mismos puntos. 3.6. Sistemas auxiliares de energía Se han instalado dos sistemas auxiliares para atender la parte de la demanda térmica que no sea capaz de cubrir el sistema solar. Como sistema auxiliar para la preparación de ACS se ha instalado una caldera de condensación de potencia 40 kW. La caldera solo suministrará energía al circuito de impulsión de ACS cuando sea necesario. La temperatura de consigna de impulsión de ACS es de 60ºC. Como sistema auxiliar de calefacción se ha instalado una caldera de condensación de potencia 370 kW. La caldera solo suministrará energía al circuito de impulsión de calefacción cuando sea necesario. La temperatura de consigna de impulsión de calefacción es de 50ºC. 3.7. Características principales de la instalación Tabla 2: Características principales de la instalación. Datos Localidad: Usuario: Captador solar: Área Total: Orientación: Inclinación: Caudal especifico: Acumulador de ACS Volumen: Acumulador estacional Volumen: Caldera auxiliar ACS Potencia: Rendimiento sobre PCI: Caldera auxiliar calefacción Potencia: Rendimiento sobre PCI:

Resultados Zaragoza 100 viviendas ver Tabla 1 2 580 m Sur 45º 2 15 l/(h·m ) 7m

3

2000 m

3

Demanda de ACS: Demanda de calefacción: Demanda global:

102 MWh/año 480 MWh/año 580 MWh/año

Radiación sobre horizontal: Radiación sobre captador: Energía captada: Rendimiento captador:

834 MWh/año 933 MWh/año 493 MWh/año 53%

Rendimiento acumulador:

96%

Rendimiento acumulador:

72%

40 kW 98%

Energía suministrada:

12 MWh/año

370 kW 98%

Energía suministrada:

284 MWh/año

Fracción solar ACS: Fracción solar calefacción: Fracción solar global:

88% 44% 52%

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Figura 10: Esquema (simplificado) del modelo TRNSYS de la instalación solar. 4.

MODELIZACION DE LA INSTALACION

En este apartado se explican los pasos seguidos para la modelización de la instalación diseñada con TRNSYS. TRNSYS es un programa de simulación dinámica modular de sistemas energéticos que resulta especialmente útil para la simulación de sistemas solares activos y la simulación térmica de edificios. TRNSYS utiliza un entorno gráfico de descripción de sistemas energéticos en el que el usuario puede seleccionar los módulos que constituyen el sistema e indicar como están interconectados. La librería de TRNSYS incluye módulos, denominados TYPES, que representan los equipos utilizados habitualmente en los sistemas energéticos, módulos de tratamiento de datos meteorológicos, módulos de tratamiento de los resultados la simulación, etc. La Figura 10 muestra la representación en TRNSYS de la instalación analizada. Para una mejor comprensión del esquema de la instalación no se han mostrado los TYPES auxiliares y de salida que gestionan y facilitan la extracción de datos y resultados del modelo. En la figura se puede observar la separación de las instalaciones de ACS (parte superior) y de calefacción (parte inferior), ambas con sus respectivos acumuladores. 4.1. Demandas térmicas Las demandas térmicas, tanto la de ACS como la de calefacción, han sido tratadas con el TYPE 9 de TRNSYS. Estas demandas térmicas fueron facilitadas en forma horaria en formato de archivo de texto. El TYPE 9 permite leer información recogida en este tipo de ficheros. Para modelizar el suministro de ACS se partió de la demanda de energía conocida en cada hora y de la temperatura de agua de red para la localidad de Zaragoza. Fijando la temperatura de impulsión en 60ºC se calculó el caudal necesario para cubrir la demanda de energía. Para modelizar la demanda de calefacción se supuso un intercambiador de calor ideal entre la energía suministrada por la instalación y la demanda a cubrir. Para ello se estimó un UA de diseño para el intercambiador a partir de la demanda máxima de calefacción. El circuito de calefacción trabaja para suministrar la demanda de calefacción, impulsando un caudal variable a una temperatura constante.

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Figura 11: Radiación sobre la horizontal a lo largo de un año. 4.2. Datos climatológicos Los datos de radiación solar y condiciones ambientales utilizados corresponden al formato TMY2 para Zaragoza. El TYPE 109 de TRNSYS es capaz de leer y procesar los datos en dicho formato. En la Figura 11 se muestra la radiación solar sobre la horizontal anual en Zaragoza. 4.3. Captadores solares El campo de captación solar se ha modelizado con el TYPE 1a de TRNSYS. Los parámetros principales del captador se han mostrado en la Tabla 1. 4.4. Sistemas de acumulación Para representar al acumulador de ACS se recurrió al TYPE 4e. Este es un acumulador vertical con perdidas térmicas uniformes y alturas fijas de las entradas al acumulador. Para representar al acumulador estacional se ha utilizado el TYPE 4c. Este es un acumulador vertical con perdidas térmicas uniformes y alturas variables de las entradas al acumulador. La diferencia entre ambos radica en el tratamiento del fenómeno de la estratificación. 4.5. Calderas auxiliares Todo sistema solar térmico requiere de un sistema auxiliar para asegurar el 100% del suministro de la demanda térmica. En esta instalación, al dividir servicios para cada demanda, se definieron dos calderas de gas. Los TYPES 6 y 700 fueron los elegidos para modelizar las calderas.

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5.

RESULTADOS

5.1. Sistema de captación solar La Figura 12 presenta la radiación mensual recibida y la captada. La radiación solar incidente es máxima en los meses de verano, alcanzando valores mensuales de unos 100000 kWh (172,4 kWh/m2) en Julio. Sin embargo, es en Mayo y Junio cuando más energía solar se capta. Esto es debido a que cuando el acumulador estacional se va cargando la temperatura en su parte inferior aumenta (ver Fig. 15), con lo cual el número de veces en que el diferencial de temperaturas con el campo de captación es propicio para que las bombas funcionen se reduce a partir de Mayo, disminuyendo el aprovechamiento de la radiación recibida. Energía Solar Captada 105000 97500 90000 82500 75000 67500

kWh

60000 52500 45000 37500 30000 22500 15000 7500 0 Enero

Marzo

Mayo

Julio

Energía Solar Captada

Septiembre

Noviembre

Energía Solar No Aprovechada

Figura 12: Radiación solar incidente y captada. 5.2. Sistema de producción de ACS Los resultados del análisis del sistema de producción de ACS se presentan en la Figura 13. La fracción solar anual para la demanda de ACS alcanza un valor del 88%, siendo del 100% durante los meses centrales de año.

kWh

Balance ACS 15000

1.20

12500

1.00

10000

0.80

7500

0.60

5000

0.40

2500

0.20

0.00

0 Enero

Febrero

Marzo

Abril

Aporte Solar ACS

Mayo

Junio

Julio

Aporte Caldera ACS

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviembre Diciembre

Fracción Solar ACS

Figura 13: Resultados del sistema de producción de ACS.

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5.3. Sistema de producción de calefacción Para analizar el comportamiento del acumulador estacional se muestra el balance de energía, mes a mes, en la Figura 14. Al inicio del año el acumulador estacional se encuentra cargado con la energía sobrante del periodo anterior. A medida que avanza el año el sistema de captación solar va aportando energía al acumulador (color amarillo), alcanzándose a finales del verano los valores máximos para la energía acumulada (color naranja). El acumulador suministra energía (color azul) para atender la demanda de calefacción mayoritariamente en los últimos meses del año. Balance Acumulador Heating 225000 200000 175000 150000 125000

kWh

100000 75000 50000 25000 0 -25000

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviembre

Diciembre

-50000 -75000 Energía aportada al acumulador

Energía suministrada por el acumulador

Energía acumulada

Figura 14: Balance energético del acumulador estacional. La Figura 15 muestra las temperaturas en el acumulador estacional a lo largo del año. Como es lógico al irse cargando de energía térmica el acumulador las temperaturas aumentan. A comienzos de Mayo la temperatura en el fondo (linea azul) comienza a aumentar desde 25ºC hasta alcanzar casi los 80ºC a finales del verano. Este incremento de temperatura provocará la disminución del aprovechamiento relativo de la energía solar incidente en el campo colector, antes comentado. La estratificación de temperaturas se mantiene en un margen de 20 a 30 ºC en los periodos con intensa acumulación ó desacumulación de energía térmica.

Figura 15: Evolución de la temperatura en el acumulador estacional a diferentes alturas.

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kWh

Balance Heating 150000

1.20

125000

1.00

100000

0.80

75000

0.60

50000

0.40

25000

0.20 0.00

0 Enero

Marzo

Mayo

Aporte Solar Heating

Julio

Septiembre

Aporte Caldera Heating

Noviembre

Fracción Solar Heating

Figura 16: Resultados del sistema de calefacción. Respecto a los balances energéticos mensuales del sistema de calefacción y su correspondiente fracción solar, se pueden analizar en la Figura 16. La conclusión que se obtiene es el alto grado de fracción solar que se consigue durante la segunda mitad del año. Prácticamente solo se utiliza energía convencional del sistema auxiliar durante cuatro meses al año. La fracción solar para calefacción alcanza el 44% anual. 5.4. Resultados globales En este último punto se exponen los resultados globales del sistema. La Tabla 2, que ya fue presentada, resume las características principales de la instalación diseñada. Las Figuras 17 y 18 muestran las magnitudes energéticas más importantes. La fracción solar global que se alcanza es del 52%. Cabe destacar la diferencia de aporte solar del sistema en los meses de Diciembre y Enero. Teniendo estos dos meses demandas térmicas de magnitud similar, el acumulador estacional se descarga casi por completo, energéticamente hablando, en Diciembre aportando más del 50% de la demanda térmica del mes. Aumentando la superficie de captación para incrementar el aporte de energía solar y el volumen de acumulación estacional para retenerla se podría aumentar la fracción solar global de la instalación.

kWh

Balance Total Demandas 150000

1.20

125000

1.00

100000

0.80

75000

0.60

50000

0.40

25000

0.20 0.00

0 Enero

Marzo

Energia Solar Total

Mayo

Julio

Energia caldera total

Septiembre

Noviembre

Fracción Solar Total

Figura 17: Resultados del sistema global.

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Figura 18: Diagrama de flujos de energía de la instalación estudiada. REFERENCIAS Ellehauge, K. & Pedersen, T.E., 2007, Solar heat storages in district heating networks, Energinet.dk, project no. 2006-2-6750. Fisch, M.N. et al., 1998, A review of large-scale solar heating systems in Europe, Solar Energy, Vol. 63, pp. 355-366. Klein S.A. et al., 2004, TRNSYS 16 (a TRaNsient SYstem Simulation program), Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison (http://sel.me.wisc.edu/trnsys). Lindenberger, D. et al., 2005, Optimization of solar district heating system: seasonal storage, heat pumps and cogeneration, Energy, Vol. 25, pp. 591-608. Lottner, V. et al., 2000, Solar-assisted district heating plants: Status of the German programme Solarthermie-2000, Solar Energy, Vol. 69, pp. 449-459. Lozano et al., 2007, Análisis de las prestaciones de un sistema de climatización solar, IX Congreso Iberoamericano de Aire Acondicionado y Refrigeración, Lima. Palacín, F., 2008, Optimización de sistemas de climatización con acumulación térmica y aporte solar, Informe de investigación, Línea 5L04512, Universidad de Zaragoza. Peuser, F.A. et al., 2005, Sistemas solares térmicos, Solarpraxis. Roth, K. & Brodrick, J., January 2009, Seasonal energy storage, ASHRAE J., pp. 41-43 Schmidt, T. et al., 2004, Central solar heating plants with seasonal storage in Germany, Solar Energy, Vol. 76, pp. 165-174. Asociación solar de la industria térmica (http://www.asit-solar.com). Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (http://www.bmwa.gv.at). European Solar Thermal Industry Federation (http://www.estif.org). Institut für Gebaude - und Solartechnik. TU Braunschweig (http://www.igs.bau.tu-bs.de).