CIAR 2007 IX CONGRESO IBEROAMERICANO DE AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIÓN Lima – Perú
Análisis de las prestaciones de un sistema de climatización solar Miguel A. Lozano, Laurent Renin, Jesús Guallar, Carlos Monné y José Ramos GITSE-I3A, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Zaragoza c/ Maria de Luna 3, 50018 Zaragoza (España). e-mail:
[email protected]
RESUMEN La demanda creciente de climatización en los países mediterráneos, debida al aumento de las cargas internas y a la mayor exigencia de confort térmico por los usuarios, se está convirtiendo en uno de los consumos energéticos más importantes de los edificios. Así, el consumo de potencia eléctrica de los equipos de refrigeración comienza a producir problemas en la red de suministro los días más calurosos del verano. Por otro lado, la normativa española reciente sobre eficiencia energética en los edificios exige la instalación de colectores solares para abastecer un porcentaje elevado de las necesidades de agua caliente sanitaria. La integración térmica en la instalación solar de una máquina de refrigeración por absorción permite funcionar en verano abasteciendo parcialmente las necesidades de aire acondicionado y aumentar el aprovechamiento anual de la radiación solar incidente en los colectores. Esta comunicación comienza revisando el estado de la refrigeración solar en Europa. A continuación se muestra el esquema de una instalación simple de refrigeración solar detallando las características de sus componentes. Más tarde se presenta el modelo elaborado con TRNSYS para simular su funcionamiento y se caracterizan los parámetros que nos permitirán juzgar sus prestaciones. La capacidad de simular el comportamiento en régimen dinámico de la instalación modelada, hora a hora a lo largo del año, hace posible determinar las variables físicas requeridas para evaluar dichos parámetros. Finalmente, se analiza el efecto de las variables de diseño sobre la cobertura solar de la demanda de climatización.
1. INTRODUCCION La demanda creciente de climatización en los países mediterráneos, debida al aumento de las cargas internas en los edificios y a la mayor exigencia de confort térmico por sus usuarios, se está convirtiendo en uno de los consumos energéticos más importantes. Así, el consumo de potencia eléctrica por parte de los equipos de refrigeración comienza a producir problemas en la red de suministro los días más calurosos del verano. Por otro lado, la normativa sobre eficiencia energética en los edificios exige actualmente la instalación de colectores solares para abastecer un porcentaje elevado de las necesidades de agua caliente sanitaria (ACS). La integración térmica de una instalación solar con una máquina de refrigeración por absorción de simple efecto permite funcionar en verano abasteciendo parcialmente las necesidades de aire acondicionado dando lugar a un mayor aprovechamiento de la radiación solar incidente en los colectores. El estudio de la viabilidad económica de los sistemas de climatización solar para cubrir las necesidades energéticas de un edificio requiere un conjunto mínimo de datos sobre su ubicación, características y utilización. Este estudio, que nos permitirá disponer de datos objetivos sobre las ventajas de instalar un sistema de climatización solar adecuado al edificio y valorar la rentabilidad económica del mismo, antes de decidir si interesa abordar la inversión, consta de las siguientes etapas: i) Análisis de la demanda energética, ii) Propuesta de instalación incluyendo el dimensionado de equipos, iii) Balance energético (y ambiental) que determine el ahorro energético (y la disminución de emisiones de CO 2) que supone la instalación propuesta respecto de otra convencional (preexistente ó prevista), y iv) Balance económico que estime el ahorro en la factura energética y el periodo de recuperación de la inversión adicional que supone la instalación solar.
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Para el estudio de viabilidad y dimensionado de las instalaciones de energía solar térmica para ACS y/o calefacción se dispone de métodos simplificados ampliamente utilizados, como el método f-Chart (Duffie y Beckman, 2006). En instalaciones de refrigeración solar, el cálculo de la demanda térmica no puede simplificarse tanto y además no se dispone todavía de información empírica suficiente para validar este tipo de métodos. Existen, no obstante, herramientas como el simulador TRNSYS (Klein et al., 2006) que permiten acometer estas tareas. Este trabajo presenta un modelo de simulación TRNSYS para instalaciones de refrigeración solar con colectores planos y enfriadoras de absorción de simple efecto. La capacidad de simular el comportamiento en régimen dinámico de las instalaciones, hora a hora a lo largo del año, nos permite juzgar su desempeño. Como ejemplo de aplicación se analiza el efecto de algunas variables de diseño en la cobertura solar de la demanda.
2. ENERGÍA SOLAR Y EDIFICACIÓN 2
España, con una irradiación solar anual de entre 1.100 y 1.900 kWh/(m ·año), ofrece condiciones muy favorables para el aprovechamiento de la energía solar (ver Fig. 1). De hecho, en los últimos años se ha despertado un gran interés por la energía solar térmica como demuestra el crecimiento significativo de la superficie instalada de colectores solares (ver Fig. 2).
Fig. 1: Irradiación global anual sobre superficie horizontal en España (Fuente: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis)
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Fig. 2a: Superficie instalada de colectores solares (Fuente: IDAE, http://www.idae.es)
Fig. 2b: Previsión de desarrollo del mercado español de energía solar térmica (Fuente: ASIT, http://www.asit-solar.com) Aparte del calentamiento de piscinas al aire libre, donde la calefacción solar es el sistema más común, hoy en día los sistemas solares térmicos contribuyen parcialmente a la producción de ACS. Dentro de esta aplicación se pueden distinguir, por un lado los sistemas compactos para viviendas unifamiliares que suelen ser del tipo termosifón, y por otro lado, las instalaciones de mediano y gran tamaño para la obtención de ACS (y tal vez de apoyo a la calefacción) en grandes edificios (viviendas plurifamiliares, hospitales, hoteles, etc.). La razón de este despertar solar es, todavía, la actividad de las Administraciones Públicas abriendo líneas de subvención y regulando su obligatoriedad para ciertos usos. Recientemente, la Directiva 2002/91/CE, de la Unión Europea, relativa a la Eficiencia Energética de los Edificios impuso (Art. 5) que 2 en los edificios nuevos con una superficie útil total de más de 1.000 m , los Estados miembros velarán porque la viabilidad técnica, medioambiental y económica de sistemas alternativos como los sistemas descentralizados de producción de energía basados en energías renovables, entre otros, se consideren y se tengan en cuenta antes de que se inicie la construcción. El Código Técnico de la Edificación (Real Decreto 314/2006), de España, que regula los requisitos que han de cumplir las edificaciones, ordena, dentro del Documento Básico sobre Ahorro de Energía, una contribución solar mínima anual de los sistemas de captación solar 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.
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Factores relevantes para asegurar el continuo crecimiento del mercado son las ayudas financieras a las instalaciones solares térmicas y las normas legales que obligan a utilizarlas para determinados usos, pero de mayor importancia para su futuro desarrollo será la capacitación y profesionalidad del sector, logrando que los fabricantes, proyectistas, instaladores y mantenedores vendan, diseñen, monten y hagan funcionar sistemas solares térmicos fiables, duraderos, rentables y cómodos para el usuario.
3. CLIMATIZACIÓN SOLAR Actualmente, la energía solar permite abastecer no solo las demandas de calor de un edificio, como la producción de ACS y la calefacción, sino también la demanda de refrigeración. De hecho, una instalación solar que funciona en verano cubriendo parcialmente las necesidades de aire acondicionado, aprovecha las siguientes ventajas: i) simultaneidad de la radiación solar con la demanda de aire acondicionado, ii) mayor empleo de una fuente de energía inagotable, gratuita y respetuosa con el medio ambiente, y iii) mayor seguridad de suministro gracias a la diversificación de fuentes energéticas. La Fig. 3 ilustra como se amplia el aprovechamiento de la energía solar cuando se atienden parcialmente consumos de calefacción y refrigeración. Existen diferentes tecnologías para producir frío (enfriamiento de procesos industriales, conservación de productos, aire acondicionado, etc.) con energía solar (y con energía solar térmica en particular). Syed et al. (2002) realizaron un análisis económico simple comparando 8 configuraciones diferentes de sistemas de refrigeración solar. Dichas configuraciones contemplaban combinaciones razonables de refrigeración (eyector, compresión y absorción) y de accionamiento solar eléctrico (con colectores fotovoltaicos) ó térmico (con colectores cilindro-parabólicos, planos y de tubos de vacío). Algunas conclusiones del estudio fueron: i) los sistemas convencionales de refrigeración mecánica accionados con electricidad de la red son, hoy por hoy, los más económicos, ii) de entre los sistemas solares, los sistemas solares térmicos que utilizan refrigeración por absorción son los más económicos; en particular aquellos de baja temperatura (colectores planos y absorción de simple efecto), iii) los colectores solares suponen el mayor de los costes de ciclo de vida en todas las configuraciones analizadas.
Fig. 3: Ilustración del potencial solar en función de los servicios energéticos prestados (Fuente: Peuser et al, 2005)
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En los últimos años se han llevado a cabo proyectos de investigación sobre refrigeración solar con el propósito de desarrollar nuevos equipos, reducir costes y estimular su integración en el mercado de la climatización de edificios. Los proyectos CLIMASOL y SACE destacan entre los proyectos de I+D recientes financiados por la Comisión Europea (Cameron, 2006). La Agencia Internacional de la Energía dentro del Solar Heating and Cooling Program ha desarrollado la TASK 25 sobre esta temática. El libro de Henning (2004), basado en esta tarea, presenta una revisión excelente de como aplicar las tecnologías de refrigeración con energía solar térmica para el acondicionamiento de aire en los edificios. Según Henning (2007), en Europa a finales de 2005 había 70 sistemas de refrigeración utilizando colectores solares térmicos. La mayoría de ellos se ubicaban en Alemania (28) y España (19). La 2 superficie total de colectores solares se aproximaba a 17.500 m y la potencia frigorífica sumaba unos 6.300 kW. Aproximadamente un 60% de las tres magnitudes anteriores correspondían a sistemas de refrigeración por absorción.
4. REFRIGERACION SOLAR POR ABSORCION Los equipos esenciales de un sistema de refrigeración solar por absorción son el colector solar y la enfriadora de absorción. Según sea la configuración también existirán depósitos de agua caliente y/o agua fría, equipos auxiliares para la producción de calor y/o frío. Además deben tenerse en cuenta los subsistemas de transporte de energía (tuberías, bombas e intercambiadores) y de seguridad y control de la instalación. En el diseño del sistema hay que considerar que, tan importante como la buena selección y el dimensionado adecuado de los equipos, es la integración armónica de la operación de todos ellos y la sencillez y eficacia de las estrategias de control implementadas. Como sucede con otras tecnologías energéticas, la refrigeración solar por absorción no es un concepto nuevo que no haya sido probado técnicamente en el pasado. Solo ocurre que la disponibilidad de combustibles fósiles baratos ha impedido su desarrollo por razones económicas. Mientras que en el ciclo de compresión, la circulación del fluido refrigerante y el efecto de compresión se obtiene con un compresor mecánico, en el ciclo de absorción esto se logra aportando calor al generador donde el refrigerante está mezclado con otro fluido denominado absorbente cuya función es absorber el refrigerante que abandona el evaporador para enviarlo en forma liquida al generador. El fenómeno y las maquinas frigoríficas de absorción no son descubrimientos recientes. Joseph Priestley (1733-1804) que descubrió el amoniaco en 1774 ya había observado su gran afinidad por el agua. Esta propiedad condujo a Ferdinand Carré (1824-1900) a idear una máquina de refrigeración, que él llamo de afinidad, que consumía calor en lugar de trabajo. La patente de Carré de 1859 fue seguida de modo inmediato por el desarrollo de dos tipos de máquinas para la producción de hielo, una pequeña y de operación discontinua, y otra mayor de operación continua. La máquina de operación continua, de mayor repercusión, tenía casi todas las características de las máquinas actuales. Estaba compuesta por un calentador, situado en el horno, en cuya parte superior había un rectificador para desecar el amoniaco, un condensador formado por dos serpentines inmersos en agua fría, una válvula de expansión que daba paso al serpentín evaporador inmerso en salmuera, en la que había unos moldes donde el agua se congelaba, un absorbedor donde se regeneraba la solución concentrada y una bomba que la enviaba al calentador. Esta máquina comenzó a fabricarse en Paris por Mignon & Rouart, ya en 1860. Se hicieron 5 modelos con unas capacidades de producción de 12 a 100 kg de hielo por hora. Obtuvo el premio de la Exposición Universal de Londres de 1862. La máquina de Carré fue rápidamente exportada a otros países y en algunos de ellos, como Estados Unidos, fue fabricada y perfeccionada. Puede afirmarse que la máquina de absorción ejerció una clara hegemonía sobre las otras maquinas de refrigeración hasta 1875. En este año el buque Paraguay, equipado con ella, transportó por primera vez carne congelada de Buenos Aires a Le Havre.
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En aplicaciones de climatización se utiliza el par Agua/Bromuro de Litio como refrigerante/absorbente en vez del par Amoniaco/Agua. La operación de los sistemas de refrigeración por absorción esta bien documentada (Dorgan et al., 1995; Herold et al., 1996) por lo que no se describe aquí con detalle. En particular, su aplicación a la refrigeración solar ha sido analizada por Li y Sumathy (2000) y Grossman (2002). Otra aplicación actual muy interesante de las enfriadoras de absorción es el aprovechamiento de calores residuales en instalaciones de trigeneración (Lozano et al., 2005). Augustin Mouchot (1823-1912), ayudado por su asistente Abel Pifre, construyó un motor solar que maravilló a los visitantes de la Exposición Universal de Paris de 1878 y obtuvo la medalla de oro. A lo largo de la exposición demostró la aplicación de su motor para bombear agua, destilar alcohol y cocinar comida (ver Fig. 4). Pero la demostración más espectacular tuvo lugar el 29 de Septiembre. Como Mouchot refería: Bajo un sol ligeramente velado mas luciendo continuamente, fui capaz de elevar la presión en la caldera a 6,2 atmósferas … y, pese a la aparente paradoja, utilizar los rayos del sol para hacer hielo. Había conectado el motor solar al ingenioso refrigerador accionado calóricamente que Carré inventara años antes (Butti y Perlin, 1985).
Fig. 4: Detalle de la Conferencia de Abel Pifre en la Exposición Universal de Paris en 1878 (Utilización directa e industrial del calor solar en los países cálidos, http://cnum.cnam.fr/CGI/fpage.cgi?8XAE266.1/186/100/408/0107/0302)
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5. LA INSTALACION Y SUS COMPONENTES Como indica la Fig. 5, la enfriadora de absorción de H2O/BrLi de simple efecto tiene un coeficiente de operación (COP aprox. 2/3) reducido frente al de las enfriadoras de dos y tres efectos. Presenta, sin embargo, la ventaja de utilizar colectores solares de baja temperatura que resultan más económicos. Los colectores tradicionales de placa plana son los más utilizados para aplicaciones que requieren calor a menos de 100ºC, seguidos por los colectores de tubos de vacío. En los colectores planos, el absorbedor está protegido contra las perdidas térmicas por medio de un material de aislamiento como lana mineral y una cubierta simple ó doble de vidrio. Los tubos de vacío están formados por dos tubos concéntricos de vidrio: el interior actúa como captador y el exterior como cubierta. La eliminación de aire entre los tubos reduce las pérdidas de energía. Una ventaja de los tubos de vacío con absorbente plano, desde el punto de vista de la integración arquitectónica, es que pueden instalarse sobre una superficie horizontal ó vertical y girar los tubos para que el absorbente esté a la inclinación adecuada (Peuser et al., 2005).
Fig. 5: COP de las enfriadoras de absorción de H2O/ LiBr (Grossman, 2002)
Fig. 6: Esquema de la instalación de refrigeración solar analizada
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Aunque a nivel de investigación se han instalado otro tipo de combinaciones (Florides et al., 2002; Assilzadeh et al., 2005) el “tandem” colector plano – enfriadora de simple efecto es el que hoy está más representado en el mercado. El esquema de la instalación que analizaremos aquí se presenta en la Fig. 6. El acumulador de agua caliente es de presencia obligada, al igual que en otras aplicaciones. Para la caldera auxiliar se prefiere su disposición en paralelo para evitar que su operación contribuya a calentar el agua del acumulador. 5.1. Colector solar Se ha seleccionado el colector solar plano VITOSOL 100 (ver Tabla 1). Su rendimiento térmico instantáneo viene dado por la ecuación 2
η = k0 – k1 • (Δθ / G) – k2 • (Δθ / G)
(1)
siendo Δθ (ºC) la diferencia entre la temperatura media del agua en el captador y la temperatura 2 ambiente y G (W/m ) la radiación total incidente sobre la superficie de absorción. Tabla 1: Características técnicas del captador solar VITOSOL 100 (http://www.viessmann.es) Característica Superficie de absorción Rendimiento óptico k0 Coeficiente de perdidas k1 Coeficiente de perdidas k2
Unidades 2 m 2 W/(m ·K) 2 W/(m ·K)
Valor 2,50 0,840 3,36 0,013
5.2. Acumulador de agua caliente El dimensionado del acumulador constituye un paso decisivo en el diseño del sistema solar y depende de tres factores: área instalada de colectores, temperatura de utilización y desfase temporal entre la captación y el almacenamiento. En instalaciones para agua caliente sanitaria un volumen específico de 2 acumulador de 50 l/m ( 10%) ofrece una relación óptima entre coste y beneficio en las instalaciones de gran tamaño cuando el consumo de agua es constante durante todos los días de la semana (Peuser et 2 al., 2005). Para instalaciones de refrigeración solar otros autores han utilizado valores de 25 a 100 l/m . Para el cálculo del acumulador cilíndrico supondremos que el agua se estratifica en tres niveles de temperatura y que cada uno de ellos tiene una altura igual a la mitad del diámetro del cilindro. Resultan pues las siguientes dimensiones para el acumulador: D =·2/3 Htotal = (8 / (3
))
1/3
1/3
V
1/3
= 0,947 V
(2)
Se supondrá un coeficiente global de transferencia para las perdidas de calor entre el acumulador y el 2 ambiente de 1,5 kJ/(h·m ·K), próximo al utilizado por Balghouthi et al. (2005). 5.3. Enfriadora de absorción El punto de partida de la instalación analizada es la enfriadora de simple efecto YAZAKI WFC-SC10 con COP 0,70 y potencia frigorífica nominal CAPn de 35 kW (ver Tabla 2 y Fig. 7). Para el análisis de instalaciones supondremos siempre una demanda máxima capaz de ser satisfecha por esta enfriadora (en nuestro ejemplo la demanda máxima será 25 kW). Para controlar ciertas condiciones de operación, además de introducir los datos capacidad y consumo en forma tabular para el Type 107 de TRNSYS se han obtenido las siguientes funciones de ajuste: CAP CON
CAPn CONn
1,059 ( t c 1,962 ( t c
t cn ) 0 ,02714 ( t c t cn )
0 ,00035 ( t c
t cn )
2
t cn )
3 ,115 ( t r 2
3 ,259 ( t r
t rn ) 0 ,2167 ( t r t rn ) 0 ,0795 ( t r
t rn )
2
t rn )
0 ,04630 ( t c 2
0 ,04121 ( t c
t cn )( t r
t rn )
t cn )( t r
t rn )
(3) (4)
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Tabla 2: Características técnicas de la enfriadora YAZAKI WFC SC10 (http://www.absorsistem.com) Característica Potencia frigorífica (CAPn) Temperatura agua fría ( tfn) Rango temperatura salida Potencia calorífica consumida (CONn) Temperatura agua caliente (tcn ) Rango temperatura entrada Potencia calorífica a disipar (n) Temperatura agua refrigeración (trn ) Rango temperatura entrada Potencia eléctrica consumida
Unidades kW ºC ºC kW ºC ºC kW ºC ºC kW
Valor 35 12,5 7,0 5 – 20 50 88,0 83,0 70 - 95 85 31,0 35,0 24 – 32 0,21
Fig. 7: Capacidad frigorífica y consumo de calor de la enfriadora YAZAKI WFC SC10 en función de la temperatura de entrada del agua de refrigeración y de la temperatura de entrada del agua caliente.
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5.4. Caldera auxiliar Para accionar la máquina de absorción cuando la temperatura del agua en el acumulador resulta insuficiente se ha seleccionado una caldera de potencia nominal de 60 kW (CAPn/COPn = 35/0,70 50) y rendimiento del 90%, que se supondrá constante. 5.5. Torre de refrigeración La torre de refrigeración mecánica seleccionada con el Programa de la empresa B.A.C., es el modelo FXT-26, que tiene las condiciones nominales de operación que se indican en la Tabla 3 y es capaz de disipar todo el calor evacuado por la enfriadora de absorción en cualesquiera condiciones ambientales comunes en la localidad de instalación (Logroño, España). Tabla 3: Características técnicas de la torre FXT-26 (http://www.BaltimoreAircoil.com) Característica Potencia frigorífica Temperatura húmeda Temperatura agua refrigeración Flujo de aire Potencia motor
Unidades kW ºC ºC 3 m /h kW
Valor 105 25,0 35,0 30,0 15.630 0,75
6. SIMULACION TRNSYS es un programa de simulación dinámica modular de sistemas energéticos. TRNSYS es un programa especialmente diseñado 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 (TYPES) que representan a los equipos utilizados habitualmente en los sistemas energéticos, módulos de tratamiento de datos meteorológicos, módulos de tratamiento de los resultados de la simulación, etc. La estructura modular de TRNSYS le aporta gran flexibilidad para analizar distintos tipos de sistemas energéticos. Algunas de las hipótesis simplificadoras utilizadas en el cálculo se indican a continuación: Se desprecia la energía eléctrica consumida por las bombas Se supone que las bombas no transmiten energía térmica al fluido Cuando las bombas funcionan los flujos másicos se mantienen constantes Se supone que la capacidad límite de la enfriadora es la correspondiente a una temperatura de agua de refrigeración de 27ºC cuando la torre es capaz de enfriar el agua a temperatura inferior Para la elaboración del modelo se han tenido en cuenta las recomendaciones sugeridas por algunos autores que han simulado el comportamiento de sistemas de climatización solar con TRNSYS u otras aplicaciones (Balghouthi et al., 2005; Joudi y Abdul-Ghafour, 2003; Argirou et al., 2005; Assilzadeh et al., 2005; Florides et al., 2002a y 2002b). 6.1. Modelo TRNSYS La Fig. 8 muestra la representación en TRNSYS del sistema de refrigeración solar descrito en el apartado anterior (Fig. 6). La Tabla 4 informa de los componentes más importantes del sistema, del tipo de modulo que los representa y proporciona algunos parámetros del diseño base. La Fig. 8 y la Tabla 4 no recogen otros componentes y flujos de menor importancia.
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Fig. 8: Esquema (simplificado) del modelo TRNSYS de la instalación de refrigeración solar Tabla 4: Listado de los componentes más importantes del modelo TRNSYS Componente
Type TRNSYS
Colector solar
Type 1a
Acumulador agua caliente Caldera auxiliar Enfriadora de absorción Torre de refrigeración Datos climatológicos Bomba colector
Type 4a Type 6 Type 107 Type 51b Type 109 – TMY2 Type 3b
Control bomba colector
Type 2b
Control bomba acumulador
Type 2b
Parámetros (valores diseño base) VIESSMANN VITOSOL 100 (Tabla 1) Número de colectores (12) Inclinación (30º) / Orientación (Sur) 2 Volumen (100 litros/m de colector) Rendimiento (90%) YAZAKI WFC SC10 (Tabla 2) B.A.C. FXT-26 (Tabla 3) Localización: Logroño (España) 2 Caudal [50 (l/h)/m de colector] Temp. máxima acumulador (90ºC) Ganancia mínima colector (5ºC) Temp. superior (90ºC) Temp. inferior (75ºC)
6.2. Demanda La demanda de frío se simula con el Type 686 que genera una carga sintética mediante funciones senoidales y parámetros ajustables que determinan su variación diaria y horaria a lo largo del año. La carga punta de climatización es 25 kW (DP=25). La temporada de climatización comienza el 1 de Mayo (CT=2880), dura 24 semanas (4032 horas) y termina el 15 de Octubre (FT=6912). La hora pico diaria de la demanda de frío es el mediodía solar (HP=12). La demanda se calcula con las siguientes expresiones: Demanda (kW) = DP · Xdia · Xhora X dia X hora
a
b sen ( 180 (
c
d sen (-180
(5)
H
CT
FT
CT
H
180 ( HP - 18 )
12
12
(6)
))
)
(7)
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Se han fijado los parámetros a = 0,3 y b = 0,7 para Xdia y c = 0,0 y d = 1,0 para Xhora. Una muestra de la demanda correspondiente a las semanas 12 y 24 se presenta en la Fig. 9. Modificando estos parámetros puede alterarse la forma de la demanda. Aunque no han sido utilizados en nuestro modelo, TRNSYS permite incorporar funciones de ruido aleatorias que perturban Xdia y Xhora, dando una demanda irregular más realista, y modificadores de la demanda diaria para fines de semana. 6.3. Datos climatológicos Los datos de radiación solar y condiciones ambientales utilizados corresponden al formato TMY2 para Logroño (Aeropuerto de Agoncillo; Altitud: 352 m; Latitud: 42,45º N; Longitud: 2,33º W) en España. Estos datos son proporcionados por TRNSYS y han sido obtenidos con la Versión 5 del programa Meteonorm (http://www.meteotest.com).
Fig. 9a: Demanda de frío (kJ/h) durante la semana 12
Fig. 9b: Demanda de frío (kJ/h) durante la semana 24
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6.4. Control de la bomba del colector Para que la bomba de circulación del colector esté activada es necesario que las funciones Control_1 y Control_2 descritas en la Fig. 10 estén ambas en 1 (On). La segunda función evita calentar el agua del acumulador cuando en el techo del mismo, del que se alimenta la máquina de absorción, ya se supera cierta temperatura límite (Tsup 95ºC para la máquina YAZAKI WFC SC10). La primera función evita que la bomba opere cuando hay poca ganancia solar y el calor captado no contribuye a aumentar la temperatura media del agua acumulada en el tanque. El caudal de agua que circula por los colectores se 2 supone constante en el modelo. Algunos autores recomiendan valores entre 20 y 80 (l/h)/ m para colectores conectados en paralelo.
1
1
0
0 b
a
c
Si Control (t-1)=0 (Off)
y y
x(t)>b => Control_1=1 (On) x(t) Control_1=0 (Off)
Si z(t) Control_2=1 (On)
Si Control (t-1)=1 (On)
y y
x(t)
Control_1=0 (Off) x(t)>a => Control_1=1 (On)
Si z(t)>c => Control_2 = 0 (Off)
Control (t) = Control_1 · Control_2 La variable x es la diferencia entre la temperatura a la salida del colector y la temperatura media del tanque. La variable z es la temperatura en el techo del tanque y c = Tsup. (Para el diseño base: a = 1ºC, b = 5ºC y c = 90ºC).
Fig. 10: Control de la bomba del colector 6.5. Control de la alimentación de la enfriadora Cuando existe demanda de frío, una de las bombas, la del acumulador (Type 3b-2 en Fig.8) o la de la caldera auxiliar (Type 3b-3 en Fig.8), estará parada y la otra en servicio. Deben satisfacerse dos condiciones para que la bomba del acumulador esté en servicio: i) que el controlador descrito en la Fig.11 esté en posición 1 (On) y ii) que con la temperatura del agua en el acumulador la enfriadora de absorción tenga capacidad suficiente para cubrir la demanda. Para determinar si se cumple la segunda condición se calcula la capacidad máxima de la enfriadora, empleando la Ec. (3), en función de la temperatura caliente (en el techo del acumulador) y la temperatura del agua de refrigeración. Para esta última se toma el valor mayor entre la temperatura calculada por TRNSYS para el agua de refrigeración de la torre y la temperatura limite de 27ºC. Los parámetros Tinf (temperatura inferior) y Tsup (temperatura superior) definen la ventana de operación en que la máquina de absorción es accionada con calor solar. Si Control(t-1)=0 (Off )
y y
x(t)>b => Control(t)=1 (On) x(t) Control(t)=0 (Off)
Si Control(t-1)=1 (On)
y y
x(t) Control(t)=0 (Off) x(t)>a => Control(t)=1 (On)
1 0 a
b
La variable x es la diferencia entre la temperatura en el techo del acumulador y la temperatura inferior Tinf de accionamiento solar de la máquina de absorción. (Para el diseño base: Tinf = 75ºC, a = 0ºC y b = 5ºC).
Fig. 11: Control de la alimentación de la enfriadora de absorción
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7. ANALISIS DE RESULTADOS La Fig. 12 muestra un diagrama de flujos de energía de la instalación de climatización solar analizada. En ella se indican los parámetros de eficiencia de los componentes de la instalación.
Fig. 12: Flujos de energía y parámetros de eficiencia de equipos La cobertura solar (también denominada fracción solar) es la fracción del frío demandado que se cubre cuando la enfriadora de absorción funciona con agua caliente procedente del tanque de acumulación. Sin duda es un parámetro global decisivo para juzgar el desempeño de las instalaciones solares de climatización. A igualdad de costes de inversión el mejor diseño será aquel que ofrezca mayor cobertura. Como en las instalaciones de ACS solar, cabe esperar rendimientos decrecientes en la cobertura según vamos ampliando la superficie instalada de colectores, por lo que resulta prudente diseñar instalaciones que solo cubran parcialmente la demanda. 7.1. Diseño base En la Tabla 5 se indican los datos y resultados más relevantes para la operación anual del diseño base. Tabla 5: Diseño base Datos Localidad: Logroño (Datos climatológicos en Apdo. 6.3) Operación: 24 semanas a partir del 1 de Mayo Demanda: Máximo 30 kW (Se describe en el Apdo. 6.2) Colectores solares: VIESSMANN VITOSOL 100 (Apdo. 5.1) 2 Número de colectores: 12 (Área total = 30 m ) Orientación de los colectores: Sur Inclinación de los colectores: 30º 2 Flujo de agua a los colectores: 50 (l/h)/m Control de la bomba del colector: Se describe en el Apdo. 6.4 Acumulador de agua: 3 niveles de temperatura con H = D/2 2 Volumen: 50 l/m 2 Perdida de calor: 1,5 kJ/(h·m ·K) Enfriadora de absorción: YAZAKI WFC SC10 (Apdo. 5.3) Flujos de agua caliente, fría y refrigeración constantes Control de alimentación: Se describe en el Apdo. 6.5 Ventana de alimentación solar: Tinf = 75ºC y Tsup = 90ºC Caldera auxiliar: Agua caliente a 85ºC con rendimiento de 90% Torre de refrigeración: B.A.C. FXT-26 (Apdo. 5.5)
Resultados Demanda anual de frío (Qf): 23.925 kWh Consumo combustible (Fa): 14.322 kWh COPglobal = Qf/Fa = 1,67 Radiación horizontal: 28.180 kWh Rendimiento colector: s = Qc/Qs = 0,680
Rendimiento acumulador:
d
= Qd/Qc = 0,967
COP = Qf/(Qd + Qa) = 0,74
= Qa/Fa = 0,90 Cobertura Solar (CobSol): 61,2% a
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7.2. Análisis paramétrico A continuación se van analizando aquellos parámetros de diseño que se consideran más importantes y que se señalan con negrita en la Tabla 5. En todos los análisis realizados a continuación se modifica el valor de un solo parámetro manteniendo el resto en el valor correspondiente al diseño base. La inclinación del colector es el primero de ellos. La experiencia con instalaciones de ACS y calefacción solar recomienda una inclinación de los colectores igual a la latitud del lugar donde se instalan e incluso hasta 10º más. La latitud de Logroño es de 42º, aproximadamente, por lo que la inclinación recomendada para instalaciones de ACS y calefacción sería 40-50º. En la Tabla 6 y Fig. 13 se muestra la variación de la cobertura solar con la inclinación. Como comprobamos, las instalaciones de climatización solar son favorecidas por una inclinación menor que ayuda a captar más radiación solar en verano. La Fig. 13 pone de manifiesto como el mayor valor de la radiación captada por los colectores es el factor decisivo para que la mayor cobertura tenga lugar con una inclinación entre 15-25º. Tabla 6: Variación de la cobertura solar con la inclinación del colector Inclinación (º) Cobertura solar (%)
0 58,2
10 59,7
20 61,8
15 61,5
25 61,7
30 61,2
35 60,3
40 59,0
45 57,4
50 55,4
1.10
1.00
Radiación/RadiaciónH
0.90
0.80
0.70
CobSol 0.60
0.50 0
10
20
30
40
50
inclinación Fig. 13: Radiación sobre los colectores en función de su inclinación En la Tabla 7 se analiza como influye sobre la cobertura solar el caudal que circula a través de los 2 colectores solares. En la literatura se recomiendan valores entre 20 y 80 l/h por m de colector solar para paneles conectados en paralelo. Los resultados obtenidos nos permiten afirmar que este parámetro no 2 afecta mucho, siendo el caudal de 40 l/h por m el valor óptimo resultante. Tabla 7: Variación de la cobertura solar con el caudal de agua que circula por el colector 2
Flujo [(l/h)/m ] Cobertura solar (%)
20 60,7
30 61,1
35 61,2
40 61,3
45 61,2
50 61,2
60 61,1
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En la Fig. 14 y Tabla 8 se muestra como influye el volumen de acumulación de agua en la cobertura 2 solar. En la literatura se recomiendan valores entre 20 y 80 l por m de colector para instalaciones en que el desfase entre captación y consumo no supera las 24 h. Este es el caso de la instalación analizada por dos razones: 1) la demanda de frío va simultánea con la radiación solar y está puede aprovecharse sin retraso y 2) la demanda no depende del día de la semana (instalaciones sin demanda el fin de semana, por ejemplo, se verían favorecidas por un acumulador mayor). No es de extrañar, por tanto, que el volumen óptimo de acumulador se encuentre en los valores inferiores del intervalo recomendado. Tabla 8: Variación de la cobertura solar con el volumen del acumulador 2
Volumen (l//m ) Cobertura solar (%)
10 60,6
15 61,1
20 61,4
25 61,5
30 61,6
40 61,4
45 61,2
50 61,2
60 61,1
0.620
CobSol 0.615
0.610
0.605
0.600 0
10
20
30
40
50
60
2
V/A [l/m ] Fig. 14: Cobertura solar en función del volumen del acumulador En las Tablas 9 y 10 se presentan los resultados obtenidos para la variación de la cobertura solar con las temperaturas inferior y superior que definen la ventana de operación en que la máquina de absorción es accionada con calor solar; es decir, la enfriadora de absorción funcionará con agua procedente del acumulador cunado la temperatura en el techo del mismo se encuentre entre dichos limites y sea posible cubrir por completo la demanda de frío. Con relación a la temperatura superior, el valor de 90ºC utilizado en el diseño base parece razonable; un valor mayor mejoraría algo la cobertura pero debe tenerse en cuenta que no puede superarse el límite de 95ºC impuesto por la máquina de absorción utilizada. En cuanto a la temperatura inferior, resulta clara la ventaja de utilizar valores tan pequeños como sea posible. Esto se debe a que así puede emplearse más calor solar y el rendimiento del colector también aumenta. Además, puede verse en la Fig. 15 como el COP de la máquina de absorción no se ve especialmente favorecido por una temperatura media elevada del agua caliente de accionamiento. Tabla 9: Variación de la cobertura solar con la temperatura inferior Temperatura (ºC) Cobertura solar (%)
70 63,1
72,5 62,2
75 61,2
77,5 59,9
80 57,9
Tabla 10: Variación de la cobertura solar con la temperatura superior Temperatura (ºC) Cobertura solar (%)
85 60,7
87,5 61,0
90 61,2
92,5 61,3
95 60,6
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60
0.74
50 COP
0.72
Capacidad [kW] 40
0.70
30
0.68
20
0.66
10 Temp. Agua Refrigeración = 27ºC Temp. Agua Fría = 7ºC
0.64 65
70
75
80
85
90
0 100
95
Te mp. Agua Calie nte [ºC]
Fig. 15: Capacidad y COP de la máquina de absorción en función de temperatura del agua caliente 7.3. Efecto del número de colectores Una vez encontrados valores razonables para los parámetros analizados en el apartado anterior, se procede ahora a determinar como varia la cobertura solar con el número de colectores instalados. Los resultados se presentan en la Tabla 11 y Fig. 16. Tabla 11: Variación de la cobertura solar con el número de colectores 2
2
Inclinación: 20º, Caudal: 40 l/h/m , Volumen: 30 l/m , Tinf = 75ºC, Tsup = 90ºC Colectores Rendimiento Rendimiento COP 2 Colector Acumulador Absorción Numero Área (m ) 4 10 0,696 0,966 0,731 6 15 0,696 0,971 0,736 8 20 0,693 0,974 0,740 10 25 0,686 0,977 0,742 12 30 0,673 0,979 0,744 14 35 0,656 0,982 0,741 16 40 0,631 0,984 0,738 18 45 0,601 0,985 0,734 20 50 0,570 0,987 0,730 22 55 0,539 0,988 0,725 2 24 60 0,511 0,988Area [m ] 0,721 0
10
20
30
40
8
12
16
COP Global 0,821 0,961 1,141 1,381 1,720 2,176 2,763 3,497 4,414 5,436 6,847
50
60
70
20
24
28
Cobertura Solar (%) 21,9 32,7 43,3 53,1 62,3 70,2 76,6 81,5 85,3 88,1 90,6
1.0
CobSol 0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 0
4
Ncol
Fig. 16: Cobertura solar en función del numero de colectores instalados
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