Manual de Solar Térmica para Grandes Edificios y Piscinas Cubiertas

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Manual de Solar Térmica para grandes instalaciones y piscinas cubiertas, muy completo. Mantenimiento, soldadura, elementos auxiliares, condiciones de diseño, ejemplos. Cálculo de instalaciones. Legislación

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Manual de Solar Térmica para Grandes Edificios y Piscinas Cubiertas

  1. 1. UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES Manual de Diseño y Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas según DB HE 4 del C.T.E. PROYECTO PRESENTADO PARA OPTAR AL TITULO DEL MÁSTER UNIVERSITARIO EN INVESTIGACIÓN EN ARQUITECTURA E INGENIERÍA INDUSTRIAL POR AXEL COTÓN GUTIÉRREZ BADAJOZ, SEPTIEMBRE DE 2013
  2. 2. PROYECTO FIN DE MÁSTER Autor: AXEL COTÓN GUTIÉRREZ Director o Directores: ANTONIO RUIZ CELMA Y FERNANDO LÓPEZ RODRÍGUEZ Tribunal de evaluación: FRANCISCO CUADROS BLÁQUEZ AWF AL-KASSIR ABDULLA ALFONSO MARCOS HERNÁNDEZ
  3. 3. Dedico el presenta manual a todos aquellos compañeros ingenieros y arquitectos que me han ayudado tanto en mi etapa profesional como en la realización de este manual. En especial a: María Belén Trenado Núñez Alicia Jiménez García Laura Fernández Ruíz Francisco Javier Hernández Plaza
  4. 4. Manual de Diseño y Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas según DB HE 4 del C.T.E. Índice   ÍNDICE: BLOQUE I – RADIACIÓN SOLAR. .................................................................... 18  1.  INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES. ...................... 19  1.1.  INTRODUCCIÓN..................................................................................... 19  1.2.  EL SOL Y LA ENERGÍA SOLAR. ............................................................ 20  1.3.  MAGNITUDES Y UNIDADES FÍSICAS. ................................................. 21  1.3.1.  Conceptos fundamentales de las magnitudes más importantes. ............ 23  1.3.2.  Sistema Internacional de Unidades y conversión de unidades............... 25  1.3.3.  Magnitudes relacionadas con la energía solar. ....................................... 27  2.  MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL. .................................................. 29  2.1.  MOVIMIENTO DE TRASLACIÓN. .......................................................... 29  2.2.  MOVIMIENTO DE ROTACIÓN. .............................................................. 31  2.3.  SOLSTICIOS Y EQUINOCCIOS. ............................................................ 32  2.4.  CONCEPTOS BÁSICOS. ........................................................................ 36  2.5.  SISTEMA DE COORDENADAS GEOGRÁFICAS. ................................. 42  2.6.  ECUACIÓN DEL TIEMPO. TIEMPO SOLAR VERDADERO. ................. 44  3.  ENERGÉTICA SOLAR. .......................................................................... 47  3.1.  CONSTANTE SOLAR. ............................................................................ 47  3.2.  DISTRIBUCIÓN DE LA RADIACIÓN. ..................................................... 48  3.3.  MASA DE AIRE. ...................................................................................... 50  3.4.  RECURSOS DISPONIBLES. .................................................................. 52  3.5.  DISPERSIÓN E INTERMITENCIA. ......................................................... 55  4.  ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. ................................................................ 57  4.1.  CONCEPTO Y TIPOS DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. ...................... 57  4.2.  APROVECHAMIENTO TÉRMICO EN BAJA TEMPERATURA. ............. 58  4.3.  CAPTACIÓN TÉRMICA Y PÉRDIDAS. .................................................. 59  4.3.1.  Irradiación incidente sobre una superficie inclinada. .............................. 60  4.3.2.  Pérdidas por orientación e inclinación..................................................... 61  4.3.3.  Pérdidas por sombras. ............................................................................ 67  5.  INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS EN BAJA TEMPERATURA..................................................................................... 75  5.1.  FUNDAMENTOS DE LA INSTALACIÓN. ............................................... 75  Axel Cotón Gutiérrez   Página 4
  5. 5. Manual de Diseño y Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas según DB HE 4 del C.T.E. Índice   5.2.  SISTEMA DE CAPTACIÓN SOLAR. ...................................................... 77  5.3.  CLASIFICACIÓN DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA A.C.S. ........................................................................................... 78  5.3.1.  Según el principio de circulación. ............................................................ 78  5.3.2.  Según el sistema de intercambio de calor. ............................................. 81  5.3.3.  Según el sistema de expansión. ............................................................. 85  5.3.4.  Según el sistema de almacenamiento. ................................................... 85  5.3.5.  Según el sistema auxiliar. ....................................................................... 85  5.3.6.  Según el sistema de control. ................................................................... 86  BLOQUE II – CIRCUITO PRIMARIO. ................................................................. 87  6.  COLECTORES SOLARES. .................................................................... 89  6.1.  EFECTO INVERNADERO. ..................................................................... 89  6.2.  CAPTADOR SOLAR. CLASIFICACIÓN.................................................. 91  6.2.1.  Captador solar sin cubierta. .................................................................... 91  6.2.2.  Captador solar plano. .............................................................................. 92  6.2.3.  Captador de tubo de vacío. ..................................................................... 93  6.3.  COMPONENTES DE UN CAPTADOR SOLAR. ..................................... 94  6.3.1.  Cubiertas transparentes. Tipos y propiedades........................................ 94  6.3.2.  Absorbedor: materiales, tipos, características y revestimientos. .......... 100  6.3.3.  Aislamiento posterior. ............................................................................ 113  6.3.4.  Juntas de estanqueidad. ....................................................................... 115  6.3.5.  Carcasa. ................................................................................................ 115  6.4.  TIPOS DE TUBOS DE VACÍO. ............................................................. 117  6.4.1.  Tubos de vacío de flujo directo. ............................................................ 117  6.4.2.  Tubos de vacío tipo Heat-Pipe. ............................................................. 118  6.4.3.  Tubos de vacío tipo Sydney. ................................................................. 120  6.5.  CARACTERÍSTICAS DE LOS COLECTORES..................................... 121  6.5.1.  Temperatura de estancamiento. ........................................................... 121  6.5.2.  Áreas de un captador. ........................................................................... 122  6.6.  CURVA DE RENDIMIENTO DE UN CAPTADOR SOLAR. .................. 125  6.7.  LEGISLACIÓN SOBRE COLECTORES SOLARES. ............................ 130  7.  FLUIDO CALOPORTADOR. ................................................................ 133  7.1.  LEGISLACIÓN....................................................................................... 133  7.2.  CARACTERÍSTICAS GENERALES...................................................... 134  Axel Cotón Gutiérrez   Página 5
  6. 6. Manual de Diseño y Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas según DB HE 4 del C.T.E. Índice   7.3.  TIPOS DE FLUIDO CALOPORTADOR. ............................................... 134  7.3.1.  Agua natural. ......................................................................................... 134  7.3.2.  Agua con adición de anticongelante. .................................................... 135  7.3.3.  Fluidos orgánicos. ................................................................................. 136  7.3.4.  Aceites siliconas. ................................................................................... 137  7.4.  CÁLCULO DE LA MEZCLA. ................................................................. 137  8.  ACUMULADORES-INTERCAMBIADORES DE CALOR. ................... 149  8.1.  LEGISLACIÓN DE ACUMULADORES. ................................................ 149  8.2.  LEGISLACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR....................... 153  8.3.  FUNCIONES Y REQUISITOS DE LOS ACUMULADORES SOLARES. ............................................................................................ 154  8.4.  TIPOS DE ACUMULADORES DE A.C.S. ............................................. 155  8.4.1.  Acumuladores de acero vitrificado. ....................................................... 155  8.4.2.  Acumuladores de acero revestido de plástico....................................... 155  8.4.3.  Acumuladores de acero inoxidable. ...................................................... 156  8.5.  ACUMULADORES DE INERCIA Y TIPOS. .......................................... 156  8.5.1.  Acumuladores de inercia a ligera sobrepresión. ................................... 156  8.5.2.  Acumuladores de inercia abiertos. ........................................................ 157  8.5.3.  Acumuladores combinados. .................................................................. 157  8.6.  EL FENÓMENO DE LA ESTRATIFICACIÓN DE LA TEMPERATURA. .................................................................................. 158  8.7.  PROCESOS DE CARGA Y DESCARGA DE LOS ACUMULADORES. ............................................................................... 159  8.7.1.  Proceso de carga. ................................................................................. 159  8.7.2.  Descarga. .............................................................................................. 163  8.8.  INTERCONEXIÓN DE ACUMULADORES. .......................................... 165  8.9.  AISLAMIENTO DEL ACUMULADOR.................................................... 167  8.10.  FUNCIÓN Y REQUISITOS DE LOS INTERCAMBIADORES. .............. 168  8.11.  CARACTERÍSTICA DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR. ...... 169  8.12.  TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR. ................................... 173  8.12.1.  Intercambiadores de calor de serpentín. ............................................... 173  8.12.2.  Intercambiadores de doble envolvente. ................................................ 176  8.12.3.  Intercambiadores de calor externos. ..................................................... 177  9.  BOMBAS HIDRÁULICAS. ................................................................... 183  Axel Cotón Gutiérrez   Página 6
  7. 7. Manual de Diseño y Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas según DB HE 4 del C.T.E. Índice   9.1.  LEGISLACIÓN SOBRE BOMBAS HIDRÁULICAS. .............................. 183  9.2.  FUNCIÓN Y REQUISITOS. .................................................................. 184  9.3.  TIPOS DE BOMBAS MÁS USADOS. ................................................... 185  9.3.1.  Rotor sumergido. ................................................................................... 187  9.3.2.  Monobloc. .............................................................................................. 189  9.3.3.  Motor-Electrocirculador. ........................................................................ 189  9.4.  CURVAS CARACTERÍSTICAS. ............................................................ 190  9.5.  DIMENSIONAMIENTO. ......................................................................... 195  10.  VASO DE EXPANSIÓN. ....................................................................... 203  10.1.  LEGISLACIÓN SOBRE VASOS DE EXPANSIÓN. .............................. 203  10.2.  CARACTERÍSTICAS DE LOS VASOS DE EXPANSIÓN. .................... 204  10.2.1.  Circuitos abiertos. .................................................................................. 205  10.2.2.  Circuitos cerrados. ................................................................................ 205  10.3.  DIMENSIONADO DE VASOS DE EXPANSIÓN. .................................. 208  10.3.1.  Instalaciones medianas y grandes. ....................................................... 208  10.3.2.  Instalaciones de pequeño tamaño. ....................................................... 213  10.4.  INSTALACIÓN DEL VASO DE EXPANSIÓN. ...................................... 213  10.5.  VASO TAMPÓN. ................................................................................... 214  11.  CIRCUITO HIDRÁULICO. .................................................................... 217  11.1.  TUBERÍAS............................................................................................. 217  11.1.1.  Legislación............................................................................................. 217  11.1.2.  Requisitos. ............................................................................................. 218  11.1.3.  Características y propiedades de las tuberías de cobre. ...................... 219  11.1.4.  Características y propiedades de las tuberías del acero inoxidable. .... 226  11.2.  VÁLVULAS Y ACCESORIOS. .............................................................. 228  11.2.1.  Legislación de válvulas. ........................................................................ 228  11.2.2.  Características y tipos de válvulas. ....................................................... 229  11.2.3.  Racores, manguitos, codos, reducciones y tapones. ............................ 240  11.3.  PÉRDIDA DE CARGA. .......................................................................... 242  11.3.1.  Generalidades. ...................................................................................... 242  11.3.2.  Cálculo de pérdidas de carga lineales. ................................................. 242  11.3.3.  Cálculo de pérdidas de carga singulares. ............................................. 257  11.3.4.  Cálculo de la pérdida de carga total en el circuito primario. ................. 270  Axel Cotón Gutiérrez   Página 7
  8. 8. Manual de Diseño y Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas según DB HE 4 del C.T.E. Índice   11.4.  VOLUMEN DEL CIRCUITO PRIMARIO. .............................................. 271  11.5.  AISLAMIENTO TÉRMICO. .................................................................... 274  11.5.1.  Legislación: I.T. 1.2.4.2 Redes de tuberías y conductos. ..................... 274  11.5.2.  Procedimiento simplificado. ...................................