análisis paramétricobibing.us.es/proyectos/abreproy/5198/fichero/4.+análisis... · anÁlisis...

4.

Análisis Paramétrico

Comparación de herramientas de cálculo para instalaciones de agua caliente sanitaria mediante energía solar Proyecto Fin de Carrera Francisco Castellano Ruz

77

4. ANÁLISIS PARAMÉTRICO

A continuación se analiza como varían los resultados tanto en CHEQ4 como en TRNSYS. Los parámetros que se van a variar son:

• La zona climática en la que se sitúa la instalación. • La demanda energética. • El modelo de captador. • El caudal de circuito primario. • El área de captación. • El número de captadores en serie. • El volumen de acumulación.


78

4.1. Zona climática España está dividida en 5 zonas climáticas (HE4-3.1.2). Estas zonas se han tenido en cuenta según la radiación solar media diaria anual sobre superficie horizontal (H), de la siguiente forma:

Zona climática MJ/m2 I H < 13.7 II 13.7 ≤ H ≤ 15.1 III 15.1 ≤ H ≤ 16.6 IV 16.6 ≤ H ≤ 18 V H ≥ 18

Tabla 4.1. Zona climática según radiación

El mapa de España queda con el siguiente aspecto:

Figura 4.1. Zonas climáticas


79

El análisis incluye una ciudad de cada zona climática. Las ciudades son:

Zona climática Ciudad I Bilbao II Barcelona III Salamanca IV Madrid V Sevilla Tabla 4.2. Ciudades

La fracción solar obtenida para cada ciudad y por cada uno de los medios es:

Zona Ciudad FS CHEQ4 (%) FS TRNSYS (%) I Bilbao 40 51.5 II Barcelona 62.7 62 III Salamanca 63.2 63.7 IV Madrid 61.3 70.1 V Sevilla 74.2 79.7

Tabla 4.3. Fracción solar para cada zona climática

Se observan diferencias bastante importantes sobre todo en Madrid y en Bilbao donde se tiene una fracción solar un 8.8% y un 11.5% menor respectivamente. Para explicar estas diferencias hay que tener en cuenta lo que siguiente:

Los datos meteorológicos que utiliza CHEQ4 (Radiación global media diaria mensual, temperatura del agua de red y temperatura ambiente) vienen recogidos en las normas UNE 94002 y UNE 94003. Sin embargo, para simular en TRNSYS se han utilizado los datos correspondientes a Meteonorm 5.0 que son los que se utilizaron en Transol para obtener las curvas para el método MetaSol.

Además, no se pueden utilizar los mismos datos climáticos ya que CHEQ4 usa

datos en base mensual y las simulaciones en TRNSYS se han hecho en base horaria. Este hecho en sí ya puede producir unas diferencias importantes. Los resultados obtenidos al simular en base horaria y al simular en base mensual van a diferir.

Otro hecho importante a tener en cuenta es que CHEQ4 está utilizando valores

medios provinciales. Por lo tanto los datos de entrada no corresponden exactamente con el emplazamiento del sistema. Sin embargo los datos obtenidos de la base de datos Meteonorm si se aproximan mucho más al emplazamiento real. En las siguientes tablas se observan los datos de radiación de entrada a cada uno de los programas:


80

Radiación (MJ/m2) CHEQ4 Mes Bilbao Barcelona Salamanca Madrid Sevilla Enero 4.5 7.2 6.6 6.8 9.1 Febrero 6.7 10.2 10 9.6 12.2 Marzo 9.6 13.7 14.2 13.6 16 Abril 12 17.7 18.1 17.4 19.8 Mayo 15.2 21.2 22.6 21.4 24.1 Junio 16.9 23 25.3 23.9 25.9 Julio 17.3 24.3 27.1 25.9 27.2 Agosto 15.3 20.9 24.5 23.1 24.8 Septiembre 12.4 15.9 17.7 17.2 19.2 Octubre 8.6 11.6 12.1 11.8 14.3 Noviembre 5.3 8 7.9 7.7 10.2 Diciembre 3.9 6.6 5.7 6 8.3

Medio Anual 10.6 15 16 15.4 17.6 Tabla 4.4. Radiación media diaria mensual CHEQ4

Radiación (MJ/m2) TRNSYS Mes Bilbao Barcelona Salamanca Madrid Sevilla

Enero 5.2 6.2 7.0 7.7 9.1 Febrero 7.6 8.9 9.7 9.9 11.7 Marzo 12.1 13.6 15.5 16.4 16.9 Abril 15.1 17.0 17.6 18.3 19.3 Mayo 18.8 19.4 22.1 23.7 23.8 Junio 20.3 22.4 25.7 26.8 25.9 Julio 20.0 23.2 26.9 26.7 27.3

Agosto 17.4 20.3 23.7 23.3 23.4 Septiembre 14.5 16.0 18.0 18.0 19.3

Octubre 9.5 10.8 11.6 12.2 13.9 Noviembre 6.0 7.1 7.2 7.7 9.0 Diciembre 4.4 5.6 5.2 5.7 7.8

Medio Anual 12.6 14.2 15.8 16.4 17.3 Tabla 4.5. Radiación media diaria mensual TRNSYS


81

Se observa que las mayores diferencias en radiación se observan precisamente en Madrid y en Bilbao. En ambos casos la utilizada en TRNSYS es más alta así como la fracción solar que se obtiene como resultado. Lo mismo ocurre con la temperatura ambiente, mientras que CHEQ4 utiliza medias provinciales, las obtenidas con Meteonorm 5.0 se acercan más a la realidad.

Es reseñable que en los casos de Madrid y Sevilla, CHEQ4 esté utilizando datos de radiación que no coinciden con la zona climática asociada lo que también es provocado por el hecho de que se usen medias provinciales. Esto puede causar que con el programa se obtengan resultados erróneos en las provincias en los que hay 2 o más zonas climáticas. Según HE4-2.1, dependiendo de la zona climática, la contribución solar mínima varía:

Tabla 4.6. Contribución solar mínima

Por lo tanto no tiene sentido el utilizar datos de radiación que no concuerdan con la

zona climática ya que se pueden dar las siguientes posibilidades: • Estar en una zona climática inferior a la que corresponde a la radiación utilizada

para el cálculo. Esto puede dar lugar a que una instalación que no cumple el CTE, el CHEQ4 la de como válida.

• Estar en una zona climática superior a la que corresponde a la radiación

utilizada para el cálculo. Esto puede dar lugar a que el CHEQ4 de como no válida una instalación que cumple el código técnico.


82

4.2. Demanda energética

Se analiza a continuación como afecta la demanda de ACS a la fracción solar de la instalación. La demanda se ha variado entre 1650 y 10340 l/día manteniendo constantes todos los demás parámetros del sistema (área captación, volumen de acumulación,…). En este rango la fracción solar varía entre 30-90%. Los resultados obtenidos son:

Demanda (l/día) FS CHEQ4 (%) FS TRNSYS (%) 10340 30 34.83 8800 34.8 39.89 7590 39.6 45.08 6600 44.7 50.33 5720 50.2 56.36 5060 55.1 61.62 4510 59.8 66.46 3960 65 71.44 3432 70.5 76.23 2970 75.3 80.76 2420 79.7 85.86 1826 85.3 91.32 1650 89.6 92.95

Tabla 4.7. Variación fracción solar con demanda ACS

Si se representa gráficamente queda:

Figura 4.2. Variación fracción solar con la demanda

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Fra

cció

n s

ola

r (%

)

Demanda ACS (l/día)

Variación fracción solar con la demanda

CHEQ4

TRNSYS


83

En los resultados se observa claramente con la diferencia de en torno al 5% que se tiene en caso base se mantiene en prácticamente todas las simulaciones. Esto indica que CHEQ4 responde correctamente a las variaciones de demanda. En la gráfica se observa que para demandas más bajas la curva correspondiente al CHEQ4 varía un poco respecto a la de TRNSYS, cuya curva tiene una evolución más suave en esos valores. Como ya se comentó anteriormente, estas variaciones se pueden deber tanto a la diferencia de paso de simulación en TRNSYS y CHEQ4, de los diferentes datos meteorológicos utilizado y de las incertidumbres en las hipótesis tomadas para el modelo en TRNSYS.


84

4.3. Modelo de captador

En este caso se va a varía el modelo del captador. CHEQ4 trae incorporada una base de datos con captadores homologados y existentes en el mercado. La base de datos se va actualizando en las sucesivas versiones del programa.

Con este análisis se busca el ver como ambos programas responden a las

simulaciones con captadores de unas características similares al usado en el caso base. Solamente se han cambiado las características de los captadores manteniendo constantes los demás parámetros de la instalación.

Los captadores utilizados corresponden a la versión 1.1 de CHEQ4 y sus

características son las siguientes:

Modelo de captador Área (m2) n0 a1 a2 Qtest

(l/(h/m2)) k50

Termico T 10 S 2.4 0.818 4.1 0.001 72 0.88 Astersa - NEO24 2.41 0.769 3.957 0.01 64.8 0.94 Baxi SOL 250 2.373 0.814 3.639 0.0069 73.5 0.93 Ims ML 2.4 2.44 0.756 3.9 0.028 54 0.85 Salvador Escoda RKQ 2500 2.39 0.759 3.8 0.0161 76 0.95 Soliker Plus GH 2.37 0.783 3.512 0.021 129.6 0.94 Soliker EVO H 2.34 0.8 4.255 0.012 72 0.97 Soliker Plus EVO 2.35 0.8 3.757 0.012 68.4 0.96 Soliker SK 12 GH 2.34 0.708 4.413 0.011 72 0.94 Sonnenkraft SCE 250 2.392 0.759 3.48 0.161 604.8 0.95 Sonnenkraft SCE 250 CU 2.392 0.759 3.48 0.161 72 0.95 Vaillant VFK 145 V 2.352 0.79 2.414 0.049 49.5 0.87 Vaillant VFK 145 H 2.352 0.801 3.32 0.023 54.1 0.82 Wagner Euro L20 2.369 0.844 3.48 0.0154 72 0.95 GE H 2.5 C 2.32 0.791 4.5 0.021 129.6 0.96 Paradigma CPC 14 2.33 0.644 0.749 0.0005 61.2 0.98 Saunier Duval SRH 2.3 2.352 0.801 3.32 0.023 54.1 0.82 Saunier Duval SCV 2.3 2.352 0.729 2.414 0.055 49.5 0.92 Schuco CTE 319 2.34 0.797 4.403 0.009 72 0.91

Tabla 4.8. Características de los captadores

En la tabla se observa que los captadores que se han seleccionado son prácticamente del mismo tamaño y con unas características parecidas. Sombreado en amarillo está el utilizado para el caso base. Sólo hay dos excepciones que se sobresalen del resto: El captador Sonnenkraft SCE 250 tiene un caudal de test de 604.8 l/(h·m2) y el captador Paradigma CPC 14 cuyo tercer coeficiente es mucho menor que en los demás casos.


85

En el primer caso, parece un fallo de CHEQ4 ya que no es lógico que un captador tenga ese caudal de test tan grande. Además, los fallos en características en algunos captadores es algo que ocurre en más ocasiones en el programa. Además el captador Sonnenkraft SCE 250 CU tiene las mismas características y un caudal de prueba más lógico lo que parece indicar que, en efecto, es un fallo del programa. Aun así, está disponible en la base de datos.

En el segundo caso no es ningún fallo del programa sino que el captador es un

captador de vacío y eso es lo que provoca que ese valor sea tan bajo. Tras simular, los resultados que se obtienen son los siguientes:

Tipo Colector FS CHEQ4 (%) FS TRNSYS (%) Termico T 10 S 74.20% 79.70%

Astersa - NEO24 76.61% 79.10% Baxi SOL 250 80.05% 81.70% Ims ML 2.4 65.44% 73.60%

Salvador Escoda RKQ 2500 75.70% 78.30% Soliker Plus GH 75.48% 79.20% Soliker EVO H 79.00% 80.30%

Soliker Plus EVO 80.77% 81.87% Soliker SK 12 GH 67.01% 72.37%

Sonnenkraft SCE 250 59.14% 69.40% Sonnenkraft SCE 250 CU 77.30% 79.29%

Vaillant VFK 145 V 75.02% 78.17% Vaillant VFK 145 H 67.84% 76.00% Wagner Euro L20 84.26% 83.64%

GE H 2.5 C 72.48% 77.30% Paradigma CPC 14 82.14% 81.13%

Saunier Duval SRH 2.3 67.84% 76.00% Saunier Duval SCV 2.3 74.00% 76.00%

Schuco CTE 319 72.00% 77.50% Tabla 4.9. Fracción solar según modelo de captador

En la tabla se observan varias cosas interesantes:

En CHEQ4 el mejor resultado se consigue con el captador Wagner Euro L20 (FS=84.26%) y el peor (sin tener en cuenta el Sonnenkraft SCE 250 por lo comentado anteriormente) con el captador Ims ML 2.4 (FS=65.44%). Por otra parte, con TRNSYS, el mejor también se consigue con el Wagner Euro L20 (FS=83.64%) y el peor (sin tener en cuenta el Sonnenkraft SCE 250) con el Soliker SK 12 GH (FS=72%). La diferencia entre el mejor y el peor en el caso de CHEQ4 está en torno al 20% y en el caso del TRNSYS está en torno al 10%. Parecen más lógicos los resultados obtenidos con TRNSYS ya que para captadores con características similares las diferencias no deberían de ser tan abultadas.


86

En el caso de CHEQ4 las características de entrada de los captadores no son más que parámetros de entrada para interpolar en las curvas correspondientes a ese tipo de instalación. Es extraño, cuanto menos, que los resultados sean tan diferentes.

De las características que describen a los captadores, las que más van a afectar a su

funcionamiento son aquellas que se refieren a su ecuación del rendimiento (n0, a1 y a2). Se recuerda la ecuación:

� = �0 − �1 � − �� − �2�� − ��

Siendo la temperatura del fluido a la entrada del colector, �� la temperatura ambiente y � la irradiación sobre la superficie.

Los otros dos factores, caudal de test y el modificador del ángulo de incidencia, en

los valores que se manejan no tienen especial repercusión en el funcionamiento del captador. En este análisis paramétrico, donde solo se ha variado el modelo del captador, lo que más va a afectar a cómo varían los resultados es precisamente como funcionan estos.

En la siguiente gráfica se observa como varía la fracción solar con el parámetro n0

para el caso de TRNSYS:

Figura 4.3. Variación fracción solar con n0 en TRNSYS

En la gráfica se observa una tendencia ascendente. Al aumentar n0, el rendimiento de los captadores aumenta y con ello la fracción solar de la planta.

70.00%

72.00%

74.00%

76.00%

78.00%

80.00%

82.00%

84.00%

0.7 0.72 0.74 0.76 0.78 0.8 0.82 0.84 0.86

Fra

cció

n s

ola

r (%

)

n0

Variación fracción solar con n0 en TRNSYS


87

Sin embargo, esta misma figura para los resultados obtenidos con CHEQ4:

Figura 4.4. Variación fracción solar con n0 en CHEQ4

En la gráfica obtenida con CHEQ4 esta relación se observa mucho menos. La tendencia que se ve en TRNSYS está mejor definida que en este caso.

Parece ser, por lo tanto, que los resultados obtenidos con TRNSYS tienen más

sentido que los obtenidos con CHEQ4. Para la instalación que se analiza en concreto, con los resultados obtenidos en TRNSYS todas las instalaciones habrían sido válidas mientras que con CHEQ4 hay cuatro que no lo son, lo que indica que además estas diferencias pueden ser relevantes a la hora de realizar comprobaciones con el programa.

58.00%

63.00%

68.00%

73.00%

78.00%

83.00%

0.7 0.72 0.74 0.76 0.78 0.8 0.82 0.84 0.86

Fra

cció

n s

ola

r (%

)

n0

Variación fracción solar con n0 en CHEQ4


88

4.4. Caudal del circuito primario Se analiza ahora la influencia que tiene el caudal del circuito primario en el funcionamiento de la planta. Se ha variado entre los valores que permite el CHEQ4, es decir entre 0.005 y 0.03 l/(s·m2). Los resultados que se han obtenido en este caso son:

Caudal CP (l/h) TRNSYS CHEQ4 1150 78.9% 62% 1350 79.3% 65% 1550 79.5% 68% 1750 79.5% 70% 1950 79.5% 72% 2150 79.6% 73% 2350 80.1% 75% 2550 79.5% 76% 2750 78.6% 77% 2950 78.1% 77% 3150 77.3% 78% Tabla 4.10. Variación fracción solar con caudal CP

En este caso se encuentran diferencias bastante apreciables. Mientras que en

CHEQ4 la fracción solar siempre sube con el caudal, en TRNSYS se observa como el valor va subiendo hasta 2350 l/h y luego empieza a bajar pero siempre moviéndose en valores muy cercanos. En la siguiente gráfica se observa mejor cómo evoluciona la fracción solar en cada caso.


89

Figura 4.5. Variación fracción solar con caudal del CP

Para explicar qué está pasando, hay que analizar que ocurre en la instalación cuando el caudal del circuito primario. Con respecto al campo de captadores, se conoce que al aumentar el caudal que pasa por estos, el rendimiento aumenta y por tanto el calor que aporta al fluido. Este calor se expresa de la siguiente forma:

�� = �� − �� Donde:

�� ≡ calor útil �� ≡ caudal del CP �� ≡ calor específico del fluido caloportador �� ≡ Temperatura del fluido a la salida del campo de captadores

�� ≡ Temperatura del fluido a la entrada del campo de captadores

El rendimiento del captador varía según el factor r1 que depende del caudal del CP. Esta ecuación se utiliza en el método F-Chart, que además es la que TRNSYS utiliza para sus cálculos:

50.0%

55.0%

60.0%

65.0%

70.0%

75.0%

80.0%

85.0%

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Fra

cció

n s

ola

r (%

)

Caudal CP (l/h)

Variación fracción solar con caudal del CP

TRNSYS

CHEQ4


90

!" =�� #$′&' �1 − (

)*+,-. �� /0123 �� 45��#$′&' �1 − (

)*+,-. �� /06786123 �

Donde:

$,&' = −�� # 9� �1 − #$:&'��

$:&' ≡ Factor de pérdidas de la ecuación del rendimiento de un captador. La representación de este factor es la siguiente:

Figura 4.6. Corrección del rendimiento de un captador por caudal del CP

Aquí se ve claramente que el rendimiento del captador aumenta con el caudal. En los casos simulados con TRNSYS se tienen los siguientes rendimientos medios anuales en cada uno de los casos:


91

Caudal CP (l/h) η captador 1150 0.471 1350 0.483 1550 0.491 1750 0.499 1950 0.506 2150 0.535 2350 0.536 2550 0.536 2750 0.538 2950 0.539 3150 0.543

Tabla 4.11. Variación del rendimiento del captador con el caudal del CP en TRNSYS

En la tabla se observa que el rendimiento efectivamente sube al aumentar el caudal

del circuito primario. Por lo tanto, el modelo está funcionando bien en este aspecto. Esto indica que el calor útil que el captador aporta al fluido aumenta con el caudal del CP. Este incremento de caudal tiene otro efecto en la instalación. Al aumentar el caudal, la temperatura de salida del campo solar del fluido caloportador va disminuyendo. Esto se ve fácilmente en la ecuación del calor útil mostrada anteriormente. Es cierto que el rendimiento del campo aumenta, pero este aumento no es suficiente como para que la temperatura de salida del fluido caloportador no disminuya. Esto también afecta al controlador por temperatura de las bombas de los circuitos. Recordemos que es un controlador por histéresis cuyas bandas muertas superior e inferior son 2 y 7ºC respectivamente. La señal de entrada es la diferencia de temperatura entre la temperatura de salida en cuestión y la temperatura en la parte inferior del acumulador. Entonces, siempre que la bomba esté parada, para arrancar necesita que la temperatura de salida sea de al menos 7ºC. Un aumento en el caudal del circuito primario provoca que sea más difícil llegar a la temperatura de arranque provocando que la bomba en la gran mayoría de los días arranque más tarde. El mismo efecto se tiene por la tarde-noche. Es más fácil de que la diferencia de temperatura baje hasta los 2ºC conforme aumenta el caudal que pasa por el campo de captadores. Debido a esto, como se ve en la siguiente tabla, las horas que funciona la bomba a lo largo del año disminuyen siempre que aumenta el caudal:


92

Caudal CP (l/h) Horas Bomba 1150 2315 1350 2255 1550 2223 1750 2179 1950 2142 2150 2029 2350 2000 2550 1975 2750 1938 2950 1919 3150 1880

Tabla 4.12. Variación de las horas de funcionamiento de las bombas con el caudal del CP

Ambos efectos vistos son contrapuestos y explican los resultados obtenidos con TRNSYS. Observando los resultados de la fracción solar parece ser que se obtiene una curva que tiene su máximo en 2350 l/h. Antes de este valor, el efecto del aumento del rendimiento es mayor que el de las horas de bomba y con valores mayores ocurre lo contrario. Si las bandas muertas superior e inferior tienen un valor superior, el efecto que provoca a las horas de funcionamiento de las bombas es mayor. Esto provocará que la curva se desplace hacia la izquierda. Esto mismo se observa en el estudio realizado por Hobby y Saddiqui (2009) en que se estudia el mismo efecto para una instalación igual que esta:

Figura 4.7. Variación de la fracción solar con el caudal del circuito primario (Hobby y Saddiqui, 2009)


93

En este caso también se observa la curva aunque el máximo está desplazado a la izquierda por lo comentado anteriormente. Aquí se ha simulado (también en TRNSYS) con una banda muerta inferior de 5ºC y una superior de 10ºC. Ya se ha visto que CHEQ4 responde siempre a con un incremento de la fracción solar por lo que se puede decir que los resultados obtenidos con el programa no son fiables.


94

4.5. Área de captación Se varía el área de captación, es decir, el número de captadores manteniendo constante todo lo demás (caudal por área de captador, volumen de acumulación por área de captación,…). Se simulan de 12 a 40 captadores y los resultados obtenidos son:

Nº Captadores CHEQ4 TRNSYS 12 39.85% 46.6% 16 51.91% 59.3% 20 61.88% 69.7% 24 69.70% 76.5% 28 75.49% 81.6% 32 79.25% 85.2% 36 81.02% 87.8% 40 83.58% 90.2%

Tabla 4.13. Variación de la fracción solar con el área de captación

Gráficamente:

Figura 4.8. Variación de la fracción solar con el área de captación

En los resultados se aprecia que ambos programas responden de igual manera. La diferencia en el resultado que se tiene en el caso base se mantiene prácticamente en todas las simulaciones realizadas. Evidentemente, al aumentar el área de captación la fracción solar va aumentando también.

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

0 20 40 60 80 100

Variación de la fracción solar con el área de

captación

CHEQ4

TRNSYS


95

4.6. Número de captadores en serie La gran mayoría de las instalaciones que se instalan tienen uno o dos captadores en serie. Se va a analizar ahora la influencia que esto tiene en el sistema que atañe al proyecto.

Nº Captadores Área

1 Captador Serie 2 Captadores Serie

CHEQ4 TRNSYS CHEQ4 TRNSYS 12 26.4 44.64% 38.9% 39.85% 46.6% 16 36 58.06% 49.8% 51.91% 59.3% 20 45.6 69.00% 58.6% 61.88% 69.7% 24 55.2 77.10% 65.1% 69.70% 76.5% 28 64.8 82.34% 71.0% 75.49% 81.6% 32 74.4 85.90% 74.9% 79.25% 85.2% 36 84 87.90% 79.8% 81.02% 87.8% 40 93.6 88.98% 82.4% 83.58% 90.2%

Tabla 4.14. Variación de la fracción solar con el área y el número de captadores en serie

Aquí si se observan resultados muy dispares entre CHEQ4 y TRNSYS. La principal diferencia es que en TRNSYS al poner un captador en serie la fracción solar baja y en CHEQ4 ocurre todo lo contrario. Gráficamente:

Figura 4.9. Variación de la fracción solar con el área para un captador en serie

Aquí ya se ve que, al contrario que se ha visto en todas las demás simulaciones, los resultados en CHEQ4 son mejores que en TRNSYS. Sin embargo, para dos captadores en serie:

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

0 20 40 60 80 100

1 Captador Serie

CHEQ4

TRNSYS


96

Figura 4.10. Variación de la fracción solar con el área para dos captadores en serie

Aquí los resultados en TRNSYS vuelven a ser mejores. Para explicar por qué ocurre

esto hay que ver cómo afecta a la instalación el tener uno, dos o más captadores en serie. Veamos primero cómo afecta al rendimiento del captador. Cuanto mayor es la temperatura de entrada a un captador peor es su rendimiento. Cuando se tiene un captador en serie, el fluido caloportador entra a la misma temperatura a todos los captadores. Sin embargo cuando se tienen dos captadores en serie, la temperatura de entrada a los que están en serie va a ser mayor que la de entrada. Esto va a provocar que el rendimiento de estos captadores disminuya y por lo tanto el rendimiento medio del campo solar va a disminuir. El rendimiento del captador se ve afectado por el siguiente factor !�:

!� =1 − ;1 − #$:&'��<�=

>

? #$:&'��<�

Donde, N es el número de captadores en serie. Cuanto mayor es N, menor es rendimiento del campo solar. En esta tabla se reflejan el rendimiento medio anual del campo obtenido en cada caso con TRNSYS:

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

0 20 40 60 80 100

2 Captadores Serie

CHEQ4

TRNSYS


97

Nº Captadores 1 Captador Serie

2 Captadores Serie

12 0.621 0.545 16 0.656 0.629 20 0.631 0.596 24 0.612 0.561 28 0.581 0.528 32 0.553 0.503 36 0.543 0.485 40 0.529 0.471

Tabla 4.15. Variación del rendimiento del campo solar con el área y el número de captadores en serie

En los resultados se observa lo comentado anteriormente. El rendimiento siempre es

menor en el caso de dos captadores en serie y además verifica que el programa está funcionando bien en este aspecto. Hay que tener en cuenta que se está simulando teniendo en cuenta que el caudal de fluido caloportador que pasa por cada captador no varía con el número de captadores en serie. Esto provoca que cuanto mayor sea el número de captadores en serie, menor es el caudal que tiene que mover la bomba. Para dos captadores en serie, la bomba tendrá que mover la mitad de caudal que para un captador en serie.

Otra consecuencia de esto es que la temperatura de salida del fluido aumenta con el número de captadores en serie. El fluido, en su paso por el primer captador se comporta igual que si el número de captadores en serie fuera uno. La diferencia, a la salida de ese captador entra en otro y por lo tanto la temperatura del fluido sube.

Al igual que ocurre en el caso en el que se varia el caudal de entrada a la bomba, afecta al control por diferencia de temperatura entre la salida del campo solar y zona inferior del acumulador. Cuanto mayor sea el número de captadores en serie, menor será la temperatura de salida del fluido. Esto provoca que sea más complicado llegar a la diferencia de temperatura correspondiente a la banda muerta superior y más fácil llegar a la banda muerta inferior. Es decir, la bomba arranca más tarde y para antes. Para un captador en serie se tendrán, por lo tanto, menos horas de funcionamiento de las bombas y un mayor desaprovechamiento de la radiación. En la siguiente tabla se muestran las horas de funcionamiento de las bombas para cada caso simulado en TRNSYS:


98

Nº Captadores 1 Captador

Serie 2 Captadores

Serie

12 1722 2189 16 1680 2135 20 1641 2102 24 1590 2047 28 1561 2016 32 1532 1986 36 1493 1983 40 1438 1921

Tabla 4.16. Horas de funcionamiento de la bomba según el área de captación y el número de captadores en serie

En los resultados se aprecia lo comentado antes. Con dos captadores en serie las bombas funcionan durante más horas. Se tienen efectos contrapuestos. Por un lado el incremento de rendimiento al tener un captador en serie y por otro la disminución de horas de funcionamiento. En este caso pesa más el efecto negativo ya que, según la tabla, la instalación funciona alrededor de 500 horas menos siempre que la instalación trabaja con un captador en serie. Según estos resultados y los obtenidos en el análisis de variación del caudal del circuito primario, parece ser que en CHEQ4 siempre que el rendimiento del captador sube, la fracción solar también lo hace sin tener en cuenta qué efectos adicionales se producen en la instalación. A favor de TRNSYS hay que decir que para el tipo de instalación que se está simulando, donde la temperatura de uso es 60ºC y la demanda es alta, se utilizan dos captadores en serie.


99

4.7. Volumen de acumulación

Por último, se varía el volumen de acumulación de la instalación manteniendo los demás parámetros constantes. Se va a analizar entre los valores que permite el código técnico. Según HE4-3.3.3.1 la relación entre el volumen de acumulación y el área de captación tendrá un valor tal que se cumpla la siguiente condición:

50 < B# < 180

Donde V es el volumen de acumulación en litros y A el área captación en m2. En la siguiente tabla se reflejan los resultados obtenidos:

V/A CHEQ4 TRNSYS 50 72.67% 78.02% 70 73.88% 79.45% 90 75.11% 80.17% 110 76.28% 80.18% 130 77.39% 79.77% 150 78.43% 79.98% 170 79.49% 79.33% 180 80.03% 79.23%

Tabla 4.17. Variación de la fracción solar con el volumen de acumulación

Gráficamente:

Figura 4.11. Variación de la fracción solar con el volumen de acumulación

50.00%

55.00%

60.00%

65.00%

70.00%

75.00%

80.00%

85.00%

0 50 100 150 200

Fra

cció

so

lar

V/A

Variación de la fracción solar con el

volumen de acumulación

CHEQ4

TRNSYS


100

En la figura se observa como la tendencia en valores hasta 90 l/m2 es igual en ambos casos. La fracción solar sube. Sin embargo a partir de ahí hasta 150 l/m2, en CHEQ4 la fracción solar continua subiendo mientras que en TRNSYS se mas o menos constante. Esto ocurre porque el aumento de la fracción solar que produce el aumento del volumen se ve contrarrestada por el aumento de las pérdidas térmicas del acumulador. A partir de 150 l/m2 el efecto que produce el aumento de las pérdidas ya es mayor que el que produce el aumento de la fracción solar y ésta empieza a disminuir. Sin embargo, según CHEQ4, que parece que no tiene en cuenta las pérdidas, la fracción solar sigue aumentando con el volumen de acumulación. Se observa como en el análisis paramétrico realizado por Hobby y Saddiqui (2009) también en TRNSYS y de una instalación igual que la que se analiza, el resultado obtenido es muy parecido:

Figura 4.12. Variación de la fracción solar con el volumen de acumulación Hobby y Saddiqui (2009)

Aquí se observa como la fracción solar va subiendo hasta que para un valor en torno a 100-150 l/m2 la fracción solar empieza a bajar como consecuencia del aumento de las pérdidas térmicas en el tanque.

análisis paramétricobibing.us.es/proyectos/abreproy/5198/fichero/4.+análisis... · anÁlisis...

Documents