Necesidades energéticas y propuestas de instalaciones solares. ENAC0108

3.3. Estimación de necesidades térmicas

En una vivienda unifamiliar, para conseguir el confort en los días de verano y de invierno, se necesitan instalar elementos que se encarguen de enfriar o calentar las estancias. Además, influyen los picos de frío y calor que se pueden presentar dentro de los períodos diarios y estacionales.

La estimación de la demanda necesaria depende del volumen de cada habitación y del período de tiempo que se estará en cada una de ellas a lo largo del día, ya que no es lo mismo un salón que un dormitorio, un baño o un pasillo.

La instalación de calefacción, aire acondicionado (AA) y agua caliente sanitaria (ACS) se deberá proyectar en función de la situación geográfica y los usos, para lo cual se deberá calcular el volumen de aire a calentar o a enfriar, midiendo el tamaño real de las estancias.

Como información útil, se indican las fórmulas que se utilizan en los cálculos de energía calorífica:

1 julio (J) = 0,24 calorías (cal)

1 hora (h) = 60 minutos (min) · 60 segundos (s) / minuto = 3600 s

1 KWh = 1000 vatios (W) · 3600 s = 3600000 J

3600000 J · 0,24 cal = 864000 cal = 864 Kcal

Cuando la energía (E) viene expresada en Julios (J)

Cantidad de calor (Q) en calorías = 0,24 · E

Cuando la energía (E) viene expresada en kilovatios hora (KWh)

Cantidad de calor (Q) en Kilocalorías = 0,24 · 864 · E

Aplicación práctica

Le avisaron de que existe un problema en una instalación de climatización industrial, ya que el calor que desprenden unas estufas es menor del esperado. El rendimiento teórico debe ser del 80%, y el calor que se cede actualmente es de 15.500 kcal al 55%.

Calcule el consumo en kWh de las estufas actualmente.

SOLUCIÓN

η = Trabajo realizado (W) / Energía suministrada (E)

55% = 0,55

0,55 = W / 15.500 kcal

W = 0,55 · 15.500 kcal = 8.525 kcal

Se tiene que 1 julio = 0,24 cal, por lo que aplicando una regla de tres:

1 J = 0,24 cal

A = 8.525 cal

A = (1 J · 8.525 cal) / 0,24 cal = 35.520,83 julios

Se tiene que 1 kWh = 3.600.000 julios, por lo que aplicando una regla de tres:

1 kWh = 3.600.000 J

B = 35.520,83 J

B = (1 kWh · 35.520,83 J) / 3.600.000 J = 0,00986 kWh

3.4. Estimación de necesidades eléctricas

En un edificio de viviendas donde existen zonas comunes de pasillos y escaleras que se deben iluminar, además de los servicios de ascensor y limpieza, es necesario realizar una estimación de necesidades eléctricas diferente.

Además de influir los períodos temporales en las estancias de las viviendas, hay que tener en cuenta que la electricidad es la energía más utilizada debido a que cualquier otro tipo de energía se puede transformar en ella.

Por ello, desde el calentador de agua eléctrico, las estufas de calefacción fijas y portátiles, la iluminación y los electrodomésticos, hasta el eventual ascensor y la maquinaria de limpieza, se deben tener en cuenta a la hora de la estimación y el cálculo de consumos, así como el tamaño de la vivienda, en la que puede existir un nivel de electrificación básica o un nivel de electrificación elevada.

Sabido es que el tipo de electricidad que se utiliza es de corriente alterna (CA). Al existir motores interviene en el cálculo de consumos y potencias unas nuevas variables, llamadas reactancia y capacitancia, relacionadas con la resistencia (R), ya que las bobinas tienen un componente electromagnético.

Los circuitos domésticos e industriales pueden ser monofásicos o trifásicos, y el cálculo de la energía necesaria se realiza de manera diferente. Como información útil, se indican las fórmulas que se utilizan:

Cuando la energía (E) viene expresada en Julios (J)

En circuitos monofásicos Energía (E) = Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) En circuitos trifásicos Energía (E) =

Cuando la energía (E) viene expresada en Kilovatios hora (KWh)

En circuitos monofásicos Energía (E) = Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) / 1000 En circuitos trifásicos Energía (E) =

Ley de Ohm

Tensión (V) = Intensidad (I) · Resistencia (R)

Recuerde

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Durante el período anual, la calefacción se utiliza en los meses más fríos, y el aire acondicionado durante los meses más cálidos, variando muy poco la utilización del agua caliente sanitaria (ACS) a lo largo del año.

De esta forma, un sencillo gráfico expresa la demanda de consumo de energía eléctrica habitual durante todos los meses del año.

Actividades

10. Revisar de nuevo su recibo de la luz y estimar en qué podría ahorrar en consumo.

Aplicación práctica

Esta mañana ha recibido la llamada de un cliente que requiere sus servicios profesionales como montador de instalaciones de energía solar. El primer paso es siempre visitar la vivienda y ver las necesidades térmicas de frío y calor.

Con el plano acotado de distribución de la vivienda, realice el primer cálculo de volúmenes de las habitaciones, teniendo en cuenta que la altura desde el suelo hasta el techo es de 2,5 metros.

Solución

Se realiza el cálculo de volúmenes de cada estancia, y al final se calcula el volumen total de la vivienda a climatizar:

1 Vestíbulo: V1 = 1 m · 1 m · 2,5 m = 2,5 m3.

2 Pasillo: V2 = 3,2 m · 0,8 m · 2,5 m = 6,4 m3.

3 Baño: V3 = 2,2 m · 1,8 m · 2,5 m = 9,9 m3.

4 Cocina: V4 = 1,8 m · 2,6 m · 2,5 m = 11,7 m3.

5 Salón: V5 = 3,5 m · 4 m · 2,5 m = 35 m3.

6 Comedor: V6 = 4 m · 4 m · 2,5 m = 40 m3.

7 Dormitorio: V7 = 2,5 m · 3,5 m · 2,5 m = 21,875 m3.

8 Volumen total: V1 + V2 + V3 + V4 + V5 + V6 + V7 = 127,375 m3.

9 Superficie total: V total / 2,5 m = 50,95 m2.

3.5. Normativa de aplicación en la estimación de necesidades energéticas

En España, las necesidades energéticas pueden variar del Norte (más frío) al Sur (más caluroso), por lo que el rendimiento debido al emplazamiento de la instalación puede variar con la latitud.

Independientemente de la situación de los paneles solares, ya sea urbana o interurbana, se ha de cumplir una legislación para la estimación de las necesidades energéticas, y continuar el estudio de la viabilidad de la instalación, cumpliendo además las demás exigencias normativas.

El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), junto con sus Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC), es la base normativa para el desarrollo de las instalaciones solares. Además, se debe cumplir la legislación medioambiental y de seguridad, que se desarrollará en el capítulo correspondiente de este manual.

Las normas UNE en cuanto a necesidades energéticas son:

1 UNE-EN 94002/2004: instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente sanitaria. Cálculo de la demanda de energía térmica.

2 UNE-EN ISO 13789/2001: prestaciones térmicas de los edificios. Coeficiente de pérdida por transmisión de calor. Método de cálculo (ISO 13789/1999).

3 UNE-EN ISO 10456/2001: materiales y productos para la edificación.

4 Procedimientos para la determinación de los valores térmicos declarados y de diseño (ISO 10456/1999).

5 UNE-EN 12524/2000: materiales y productos para la edificación. Propiedades higrométricas. Valores de diseño tabulados.

6 UNE-EN 832/2000: comportamiento térmico de los edificios. Cálculo de las necesidades energéticas para calefacción. Edificios residenciales.

7 UNE-EN 832/AC/2000: comportamiento térmico de los edificios. Cálculo de las necesidades energéticas para calefacción. Edificios residenciales.

8 UNE-EN ISO 12241/1999: aislamiento térmico para equipos de edificación e instalaciones industriales. Método de cálculo (ISO 12241-1998).

9 UNE-EN ISO 6946/1997: elementos y componentes de edificación. Resistencia y transmitancia térmica. Método de cálculo (ISO 6946-1996).

4. Factores del emplazamiento

Es necesario el estudio pormenorizado de la colocación de los elementos captadores de la energía calorífica, así como la variación diaria y anual del Sol, que es la fuente de energía aprovechable en las instalaciones.

4.1. Orientación, inclinación y sombras

Las tres variables iniciales que se han de tener en cuenta a la hora de realizar una instalación de aprovechamiento de la energía solar deben ser la orientación de los paneles (ya sean térmicos o fotovoltaicos) respecto al Sol, la inclinación de los paneles respecto a la superficie donde estén situados y las posibles sombras que pudieran presentarse, tanto por edificios colindantes como por los propios paneles cercanos.

En cuanto a la orientación, si se sitúan en el hemisferio norte (Europa, EE. UU., Rusia, Japón, etc.), la superficie mayor debe estar siempre en dirección sur, de forma que se aprovechen al máximo los rayos emitidos por el Sol en la trayectoria de giro rotacional de la Tierra alrededor de él.

Importante

El sur geográfico no coincide con el sur magnético que indica la brújula debido a la inclinación del eje de la Tierra.

La inclinación debe ser tal que a las 12 del mediodía los rayos del Sol incidan perpendicularmente sobre la superficie mayor del panel. De esta forma se aprovecharán las horas previas y las horas posteriores, en las que los rayos van aumentando y disminuyendo su intensidad a lo largo del día.

En las instalaciones urbanas con edificios colindantes, las sombras no permiten que los rayos solares incidan el máximo tiempo sobre los paneles. De igual forma, la sombra propia del panel cercano, debido a una incorrecta inclinación o separación entre ellos, sería perjudicial para la instalación solar.

4.2. Cálculo de orientación óptima

Para conseguir que los paneles aprovechen al máximo la incidencia de los rayos solares, la situación del sur geográfico debe ser lo más exacta posible. No se puede realizar directamente con la ayuda de la brújula, ya que se debe corregir.

Existe un método rutinario pero muy útil para detectar la posición del sur geográfico, ya que esta es la orientación ideal para los paneles situados en el hemisferio norte. Los pasos a seguir son:

1 A las 9 o 10 de la mañana clavar una varilla en el suelo y colocarla verticalmente marcando el extremo de la sombra (punto A).

2 Dibujar una circunferencia con centro en la varilla y con radio en el extremo de la sombra.

3 Cuando por la tarde la sombra se haya desplazado y su extremo caiga sobre el punto de la circunferencia dibujada en el suelo, se marcará (punto B).

4 Uniendo los puntos A y B se obtiene una línea que es paralela al meridiano de la Tierra, que pasa por el Ecuador.

5 Se traza una línea que sea perpendicular a la AB, y esa es la dirección exacta del nortesur geográfico; recta a la que deben colocarse perpendiculares los paneles para conseguir el máximo aprovechamiento de los rayos solares a lo largo del día.

Importante

La superficie del panel solar debe soportar muy bien las inclemencias meteorológicas del lugar en los días invernales.

4.3. Cálculo de inclinación óptima

Los paneles están compuestos por una superficie útil y un soporte que los mantiene inclinados a la vez que los sujeta estructuralmente a la superficie.

La latitud terrestre del punto donde se sitúen los paneles solares o fotovoltaicos será la que indique la inclinación óptima que estos deben tener con respecto a la superficie horizontal.

La latitud es el ángulo comprendido entre la línea horizontal que pasa por el centro de la Tierra, representada por el Ecuador, y la línea que pasa por el punto considerado (punto A), unida también con el centro de la Tierra.

Un punto en la superficie de la Tierra puede tener latitud norte, de 0° a 90°, y latitud sur, también de 0° a 90°. Los polos Norte y Sur son los extremos de latitud 90°, encontrándose el Ecuador a una latitud 0°.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, la inclinación óptima de los paneles será de 10° por encima de la latitud del punto en invierno y de 10° por debajo en verano.

Como ejemplo, si la instalación se encuentra a 43° de latitud, el máximo aprovechamiento en verano de la incidencia de los rayos solares será cuando se sitúen los paneles con una inclinación de α = 33° con respecto a la horizontal donde estén situados.

Actividades

11. Buscar la latitud a la que se encuentra actualmente y estimar la inclinación óptima de los paneles en un campo cercano para la época actual del año.

4.4. Sombras y mapas de trayectoria

En el desarrollo del proyecto de instalaciones solares hay que tener muy en cuenta no solo la orientación del sur geográfico y la latitud, sino que interviene además el movimiento de la Tierra alrededor del Sol que, debido a la inclinación de su eje, genera las cuatro estaciones.

De esta forma, existen tres puntos importantes a lo largo del año: el solsticio de invierno, que se produce el 21 de diciembre y en el que la altura del Sol es la más baja, siendo el día más corto y las sombras más alargadas; el solsticio de verano, el día 21 de junio, con el máximo de horas solares por la máxima altura solar con sombras más cortas; y los dos equinoccios, el 21 de marzo y el 21 de septiembre, en los que coinciden en horas el día y la noche.

Las sombras de los edificios colindantes pueden reducir el rendimiento de la instalación, por lo que se estudiarán también las trayectorias a lo largo del año.

El siguiente esquema representa la trayectoria del Sol en los tres puntos, así como la orientación óptima de los paneles solares para un aprovechamiento máximo de la incidencia de los rayos solares.

4.5. Cálculo de pérdidas por sombra

La rentabilidad de la instalación urbana en edificios y naves, o en los campos de paneles solares, siempre está en relación directa con las horas de Sol de las que se dispone, por lo que la existencia de sombras reduce notablemente el rendimiento de la instalación.

Para una superficie en planta, la separación óptima de los paneles inclinados deberá ser tal que no genere sombras en el panel contiguo. Como es lógico, la superficie de paneles siempre será menor que la superficie en planta de la instalación.

El estudio de la separación está unido a la inclinación del panel, y esta a la latitud geográfica.

Un colector solar dejará de ser rentable cuando el tiempo diario de sombras sea superior al 20%. Una pérdida del 5% se considera correcta, aunque siempre es ideal el máximo.

La óptima separación entre paneles contiguos se realiza teniendo en cuenta el ángulo de latitud, que será aproximadamente igual a la inclinación del panel con respecto a la superficie horizontal y a la longitud de este. Interviene además un factor de corrección denominado k cuyo valor varía entre 1 y 2, y que tiene que ver con la propia latitud del campo de paneles.

Siendo h la altura vertical del panel inclinado, p la proyección en planta del panel inclinado, α el ángulo de inclinación, k el coeficiente de corrección y d la distancia entre la parte posterior de un panel y la delantera del contiguo.

Para el replanteo en el campo o la azotea de los paneles solares es más útil determinar la distancia D = d + p.

Aplicación práctica

Se dispone de una superficie rectangular de 160 m · 100 m para colocar paneles solares en una finca que se encuentra a latitud 45° norte. Considerando un factor k = 1,1, y colocando en principio los paneles inclinados a 40° con respecto a la horizontal, calcule la distancia de separación entre paneles para obtener la menor pérdida por sombra, sabiendo que son de dimensiones L = 3 m.

Calcule, asimismo, el número de filas que se pueden colocar en el lado de 160 metros, ya que este es el paralelo al sur geográfico.

SOLUCIÓN

Para el cálculo de la distancia mínima entre paneles solares, teniendo en cuenta la inclinación de estos, se calcula directamente con la fórmula:

d = L · senα · k

d = 3 m · sen 40° · 1,1 = 2,12 m

La distancia en proyección horizontal del panel a 40° es:

p = L · cosα

p = 3 m · cos 40° = 2,29 m

La distancia entre el comienzo de un panel y el siguiente será la suma de la separación entre ellos más la proyección del panel en planta:

D = d + p = 2,12 m + 2,29 m = 4,41 m

Por último, en el lado de 160 metros del campo solar se podrán colocar:

N = 160 m / 4,41 m = 36,28 → 36 paneles

5. Sistemas arquitectónicos y estructurales

La colocación final de los paneles en el edificio es una tarea a menudo difícil, ya que la variabilidad de orientación y las inclinaciones en los tejados dependen en parte de la posible aparición de sobrecarga de nieve en las latitudes más al norte. En el Sur, las terrazas permiten la instalación más sencilla a costa de eliminar la superficie útil para las personas.

5.1. Integración arquitectónica

Con la actual legislación, los nuevos edificios deben permitir la fácil instalación de instalaciones solares, por lo que el arquitecto que diseña los edificios de viviendas, o el ingeniero las naves industriales, debe adaptar las cubiertas para los paneles.

Con las cubiertas a diferentes inclinaciones, además de la orientación en los cuatro puntos cardinales (N, S, E y O), la labor de diseño debe realizarse con la idea de poder captar la mayor incidencia de los rayos solares a lo largo del día y para diferentes épocas del año.

Además, entra en juego, en el diseño arquitectónico, la funcionalidad de la instalación con la colocación de los paneles sobre la misma superficie del tejado, formando un conjunto agradable junto con los huecos practicados para las ventanas y la ventilación. Sería interesante que las instalaciones quedaran integradas en forma y color a la estética del tejado del edificio, colocándolas paralelas al borde (alero), y con tejas en tonos similares a los paneles solares o fotovoltaicos.

Integración de una instalación en la estructura del edificio

Las empresas dedicadas a la fabricación y la instalación disponen de diferentes variables para poder anclar de manera correcta los paneles al soporte estructural, variando la inclinación para conseguir el mayor rendimiento en su utilización.

5.2. Estructura soporte

El panel solar se compone de la superficie útil, dedicada a la captación solar para energía térmica o fotovoltaica, y el soporte estructural, que permite la inclinación adecuada y la unión a la superficie, ya sea en cubiertas inclinadas de tejados, terrazas horizontales o campos solares.

Esta parte, la del anclaje, cobra una especial importancia cuando se deben realizar instalaciones en lugares urbanos elevados o desprotegidos, ya que la influencia del viento hace que se puedan llegar a levantar cuando se superan las acciones dinámicas de este.