REVISTA DE INGENIERIA DYNA

ACS Y CLIMATIZACION DE VIVIENDA Y PISCINA CON ENERGIA SOLAR

Abstract:
Solar thermal energy has to be used more and more in the future to help to avoid an energy crisis caused by lack of fossil energy. For a better domestic use of this energy source, systems has to be developped, that provide more of the demanded thermal energy by the sun using more efficiently the energy produced by the collectors. Such system that supplies heating, cooling, domestic hot water and heat for a swimming pool by solar energy is presented in this article.
Key words: solar thermal energy, heating, air conditioning, domestic hot water

Resumen:
Es muy importante utilizar la energía solar térmica para contribuir a evitar una crisis energética causada por falta de combustibles fósiles en el futuro. Para aprovecharla mejor en el ámbito domestico, hay que componer sistemas, que producen un aporte solar mayor a la demanda térmica aprovechando mejor el potencial que ofrecen los captadores. Un sistema así, que suministra calor (para la calefacción y la piscina), frío y agua caliente sanitaria (ACS) a partir de energía solar se presenta en este artículo.
Palabras clave: energía solar térmica, refrigeración, calefacción, ACS

El aprovechamiento de la energía solar térmica para la provisión de ACS y la calefacción se ha incrementado sustancialmente en los últimos años. No obstante, los consumos únicamente de agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción no se compaginan con la radiación solar incidente al no existir simultaneidad entre la demanda energética y la radiación incidente. El resultado de esto es que un aporte solar alto sólo puede ser obtenido con excesos de energía solar sobre todo en verano. Un consumo adicional que mejora la adaptación del perfil de consumo total a la energía solar incidente es la refrigeración por energía solar térmica conseguida mediante una máquina de absorción. A pesar de ello, aún se obtienen excesos en primavera y otoño cuando el aporte solar es alto, ya que no existe suficiente demanda de refrigeración o calefacción en estos meses. Estos excesos pueden ser aprovechados para calentar una piscina.

Este artículo investiga la posibilidad de cubrir la demanda térmica total de una vivienda con un aporte solar alto evitando excesos gracias a la climatización de una piscina.

Para obtener la demanda de refrigeración y calefacción de la vivienda, se ha modelado una casa con un Kg de 0,6. La superficie habitable de la vivienda se estima en 200m2 repartidos en dos plantas. Se ha realizado el modelado con los programas "SimCad" y "Prebid". Este modelo se ha aplicado en el software de simulación "TRNSYS" junto con el sistema de captación, refrigeración, calefacción, la demanda de la piscina, la demanda de ACS y la caldera auxiliar. Gracias a esta simulación obtenemos el aporte tanto del sistema de energía solar como de la caldera auxiliar.

Los datos meteorológicos de referencia que influyen en la simulación han sido tomados en la localidad de Castellón. Pese a esto, los resultados podrían ser extendidos para viviendas afectadas por el clima mediterráneo.

En la simulación se han contemplado varios sistemas de captación y varias inclinaciones de los captadores para, finalmente, escoger la combinación con la mejor relación existente entre aporte solar y costes del sistema.

La demanda está causada por:
- Calefacción de la vivienda (200 m2) obteniendo temperaturas > 21ºC.
- Refrigeración de la vivienda obteniendo temperaturas entre 23ºC y 25ºC.
- Piscina exterior de 32m2 de superficie y 48 m3 de volumen.
- ACS para 5 personas.

Las condiciones de la piscina se presentan en la tabla que se muestra a continuación.

Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Temp de la piscina 22 22 22 24 25 26 29 29 27 25 22 22
Tiempo sin manta térmica (%)* 5 5 20 50 100 100 100 100 100 50 5 5
Tabla I: condiciones de la piscina
* manta térmica que se utiliza para tapar la piscina reduciendo las perdidas de calor.

El sistema que ha sido considerado para cubrir la demanda está compuesto por:
- Captadores basados en tubos de vacío con tecnología CPC (Compound Parabolic Concentrator) del fabricante RITTER SOLAR por un total de 45 m2 de superficie de captación, inclinados por 35º hacia el sur. Estos captadores tienen un rendimiento nominal de 66,1% según EN12975 y alcanzan temperaturas mucho más elevadas que los captadores planos debido a la concentración de la radiación de la superficie captable (espejos CPC) en la superficie del absorbedor, situada en tubos de vacío que reducen las pérdidas de calor.
- Depósito de estratificación del fabricante SONNENKRAFT de 3.000 litros capacidad. Este depósito cuenta con módulos independientes para calefacción y ACS reduciendo así las pérdidas de calor por aislamiento térmico.
- Calefacción/refrigeración por suelo radiante/refrescante. Con este sistema se alcanza un COP (rendimiento a base del calor aportado) mayor de la máquina de absorción. Esto es debido a que las temperaturas de agua fría no tienen que ser tan bajas que en las condiciones nominales. Al emplear al sistema de suelo refrescante en una vivienda de clima mediterráneo, se hace necesaria la deshumidificación de la vivienda y el empleo de una sonda de rocío para evitar la condensación del vapor. También sería viable climatizar la vivienda con fan coils sin necesidad de emplear un deshumidificador.
- Máquina de absorción del fabricante EAW de 15kW de potencia nominal de refrigeración. El COP nominal de esta máquina es de 0,71 con las temperaturas nominales de agua caliente a 90ºC (entrada), agua fría a 11ºC (salida) y agua para la condensación a 30º (entrada).
- Caldera auxiliar con un rendimiento estimado del 80%.
- Torre de refrigeración. ( alternativa de realizar la condensación por geotermia apoyada por fan coil, con el ahorro de los problemas asociados a una torre de refrigeración)

Los componentes están interconectados tal y como se muestra en la ilustración I.

Ilustración 1: esquema de la instalación

En lugar del apoyo por caldera existe la posibilidad de realizar el apoyo por bomba de calor de manera más eficiente en la parte fría para refrigeración y en parte caliente para calefacción y ACS. Esto supone un aumento de la eficiencia general del sistema pues los COP de las bombas de calor comerciales disponen de COPs mayores a 4-5.

La condensación de la maquina de absorción también puede realizarse mediante geotérmica apoyada por un fan-coil. Con el sistema geotérmico adicional se podría llevar la energía auxiliar necesaria a un mínimo. No obstante en los cálculos siguientes se ha considerado el apoyo por caldera.

En la tabla siguiente están resumidos los resultados de la demanda, la cobertura solar y la energía auxiliar para los componentes modelados.

DEMANDA ENERGETICA ENERGIA SOLAR
Calefacción ACS Máquina absorción TOTAL Energía auxiliar Energía producida neta
ACS+Calf+Refr Piscina
Ene 1.450,00 445,00 0,00 6.255,00 230,00 4.800,00 2.231,00
Feb 1.030,00 395,00 0,00 4.485,00 150,00 2.750,00 2.165,00
Mar 550,00 430,00 0,00 3.240,00 200,00 500,00 2.680,00
Abr 90,00 410,00 112,00 3.472,00 0,00 0,00 3.472,00
May 0,00 420,00 560,00 2.600,00 0,00 0,00 2.600,00
Jun 0,00 400,00 2.100,00 4.140,00 70,00 0,00 4.084,00
Jul 0,00 405,00 3.360,00 5.895,00 850,00 0,00 5.215,00
Ago 0,00 410,00 3.220,00 6.320,00 820,00 0,00 5.664,00
Sep 0,00 405,00 2.240,00 5.475,00 500,00 0,00 5.075,00
Oct 50,00 425,00 567,00 3.692,00 60,00 450,00 3.284,00
Nov 550,00 420,00 0,00 3.860,00 300,00 1.800,00 2.180,00
Dic 1.400,00 435,00 0,00 6.075,00 340,00 4.800,00 1.963,00
TOTAL 5.120,00 5.000,00 12.159,00 55.509,00 3.520,00 15.100,00 40.613,00
Tabla I: demanda y cobertura. Datos mostrados en kWh

En la ilustración siguiente se muestran los datos en forma de un gráfico de barras.

Ilustración 2: demanda de la casa, aporte solar y energía auxiliar

Este gráfico muestra las distintas demandas térmicas (calefacción, ACS, la demanda térmica de la máquina de absorción y l calentamiento de la piscina), el aporte solar por los captadores de CPC y la energía auxiliar necesaria para cubrir el resto de la demanda de calefacción, refrigeración y ACS suponiendo un rendimiento de la caldera del 80%.

En esta figura se puede apreciar que el aporte solar al consumo de la calefacción, refrigeración y ACS es lo bastante alto como para cubrir la demanda casi por completo. La radiación solar incidente únicamente es insuficiente para cubrir la demanda energética unos pocos días al año. El resultado de esto es que el sistema auxiliar será necesario en muy pocas ocasiones, con el consiguiente ahorro económico.

La demanda energética de la piscina queda cubierta totalmente en los meses de abril a septiembre. En enero el aporte solar al calentamiento de la piscina representa un 12%, en febrero un 28%, en marzo un 82%, en octubre un 86%, en noviembre un 50% y en diciembre un 9%.

En verano, cuando la máquina de absorción se ponga en funcionamiento, la piscina será alimentada con el calor que se obtiene de la vivienda, transportando el calor no deseado de la casa a la piscina mediante la máquina de absorción. De esta manera resulta más energía producida neta (aporte solar) que la captada con los captadores. Cuando la temperatura de la piscina aumente por encima de lo deseado, el calor residual será desviado desde la máquina de absorción a la torre de refrigeración.

Cuando no exista demanda de refrigeración, el aporte solar al calentamiento de la piscina procederá de los excesos de energía solar. Por ejemplo, en abril hay muy poca demanda de refrigeración y calefacción, así que se puede utilizar el campo de captadores sobre todo para calentar la piscina. En los meses de invierno también hay bastantes días con excesos, así que estos días, se puede cubrir una parte de la demanda de la piscina gracias a esos excesos.

El aporte solar del sistema a los consumos, repartidos en un grupo que es ACS, calefacción y refrigeración y otro grupo que es la piscina se presenta en la tabla siguiente.

COBERTURA SOLAR
ACS + Calefacción + Refrigeración Piscina
Enero 90,29% 11,93%
Febrero 91,58% 28,10%
Marzo 83,67% 82,30%
Abril 100,00% 100,00%
Mayo 100,00% 100,00%
Junio 97,76% 100,00%
Julio 81,94% 100,00%
Agosto 81,93% 100,00%
Septiembre 84,88% 100,00%
Octubre 95,39% 86,42%
Noviembre 75,26% 50,17%
Diciembre 85,18% 9,43%
Media 87,36% 63,65%
Tabla II: aporte solar

Con el sistema elegido, se consigue un aporte solar para los consumos de ACS, calefacción y refrigeración muy alto durantes todos los meses del año. La climatización de la piscina requiere un muy elevado aporte energético. Renunciando a la climatización de la piscina en los meses de invierno, se podría conseguir cubrir prácticamente toda la demanda energética de la vivienda.

La aparición de máquinas de absorción de pequeña potencia que está sucediendo actualmente ha permitido que estas máquinas puedan ser empleadas en un ambienta doméstico. Cada vez más fabricantes están desarrollando este tipo de máquinas de absorción, lo cual hace que se esté abriendo el mercado de estos dispositivos fuera de las aplicaciones industriales. El resultado de esto es que los precios de estas máquinas van a descender un futuro próximo, reduciendo así el coste total del proyecto y aumentando por lo tanto su rentabilidad económica.

Jose Rodrigo Carda. Ingeniero Industrial. Director Técnico ELEKTROSOL s.l.
Matthias Fohrer. Ingeniero Industrial. Departamento Técnico ELEKTROSOL s.l.

www.elektrosol.es
REFERENCIAS:
- Solar Engineering of Thermal Processes, 3rd Edition John A. Duffie, William A. Beckman ISBN: 0-471-69867-9