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Diseño de una instalación de agua caliente sanitaria y calefacción con suelo radiante para una vivienda unifamiliar, mediante energía solar térmica

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229 pages

El presente proyecto tiene dos finalidades claras, la primera será diseñar y calcular una instalación de producción de agua caliente sanitaria y apoyo a la calefacción mediante métodos renovables, concretamente haciendo uso de la energía solar térmica, para una vivienda unifamiliar. Se adecuará para esta función la instalación ya existente, sustituyendo en algunos casos y aprovechando en otros las instalaciones previas. La segunda finalidad será diseñar la instalación de colectores óptima para el caso de estudio, mediante un análisis económico-prestaciones. Se someterán a estudio toda una serie de colectores que reflejarán gran parte de la gama actual de colectores que se puede encontrar en el mercado. Al término de este estudio se conocerá de forma rigurosa el tipo y numero de colectores para cada aplicación que será adecuado en cada caso.
Ingeniería Técnica en Mecánica
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
ÁREA DE INGENIERIA TÉRMICA

PROYECTO DE FIN DE CARRERA DE
INGENIERIA TÉCNICA INDUSTRIAL:
MECÁNICA

DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN DE AGUA
CALIENTE SANITARIA Y CALEFACCIÓN
CON SUELO RADIANTE PARA UNA
VIVIENDA UNIFAMILIAR, MEDIANTE
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Autor: Mario Pérez Basa
Director de proyecto: María Venegas Bernal
SEPTIEMBRE 2009 Ingeniería Técnica Industrial
Especialidad Mecánica
MEMORIA   Mario Pérez Basa 







Capítulo 1:
INTRODUCCIÓN














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1.1 El objeto del proyecto
El presente proyecto tiene dos finalidades claras, la primera será diseñar y
calcular una instalación de producción de agua caliente sanitaria y apoyo a la
calefacción mediante métodos renovables, concretamente haciendo uso de la energía
solar térmica, para una vivienda unifamiliar. Se adecuará para esta función la instalación
ya existente, sustituyendo en algunos casos y aprovechando en otros las instalaciones
previas.
La segunda finalidad será diseñar la instalación de colectores óptima para el
caso de estudio, mediante un análisis económico-prestaciones. Se someterán a estudio
toda una serie de colectores que reflejarán gran parte de la gama actual de colectores
que se puede encontrar en el mercado. Al término de este estudio se conocerá de forma
rigurosa el tipo y numero de colectores para cada aplicación que será adecuado en cada
caso.
Para las distintas metodologías de cálculo, nos apoyaremos de los documentos
oficiales que existen en torno a estos tipos de instalaciones, principalmente usaremos
estos tres:
• Pliego de Condiciones Técnicas de instalaciones de baja
temperatura (PCT)
• Reglamento de instalaciones térmicas de los edificios del
Instituto para la Diversificación y el Ahorro de Energía (RITE-
IDAE)
• Código Técnico de la Edificación, Documento Básico HE, de
ahorro de energía. (CTE, DB-HE)
Por otro lado para los cálculos de radiación solar, y condiciones climatológicas,
usaremos el Tomo II de “Manual de Climatización” de Pinazo Ojer.

1.2 Panorama energético mundial:

En el año 2006, el consumo mundial de energía primaria fue de 11741 Mtep. En
la figura 1.1, se ha representado la contribución de las diferentes fuentes de energía.
Con estos datos se extraen dos conclusiones inmediatas, las necesidades energéticas a
nivel mundial son muy elevadas y el 80% de la energía que se consume la proporcionan
los combustibles fósiles. Se ha de recordar que en 1948 el consumo energético fue de
1700Mtep, en casi 60 años el consumo se ha multiplicado por 6,9. En este mismo
periodo , la hegemonía de los combustibles fósiles y la situación de cada uno de ellos se
mantiene, sin que se vislumbre ningún cambio en los próximos 30 años.
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ilustración 1.1 (fuente: Tecnología solar)

Las consecuencias del modelo socio-económico basado en el consumo de
combustibles fósiles han alcanzado tal dramatismo durante los últimos años que ya
nadie niega que el actual modelo energético está en crisis y por lo tanto en vías de
transformación. Es urgente redirigir el actual sistema centralizado y basado en los
recursos fósiles a un sistema básicamente distribuido y sostenido en las renovables.

1.2.1 Energías renovables:
A este grupo pertenecen aquellas fuentes que se renuevan con el tiempo al
estar vinculadas a su vez a una fuente de energía inagotable o a campos de fuerzas
gravitacionales. Existen diferentes definiciones para el término de energía
renovable. Sorensen (1979) definió energía renovable como flujo de energía que es
repuesto a la misma velocidad que es gastado. Más recientemente, el UK,
Renewable Energy Advisory Group , la definió como el flujo de energía que llega
de forma natural y periódicamente a la Tierra y puede ser aprovechado en beneficio
del hombre. El origen de este tipo de energías es el Sol, la fuerza gravitacional y la
rotación de la tierra.
1.2.1.1 La energía solar térmica
La energía solar captada por el planeta es mucho mayor que el consumo
total de la humanidad, 3 órdenes de magnitud. Por eso es una fuente de energía
muy importante, aunque su aprovechamiento es difícil por la dispersión y
variabilidad.




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Sus usos más habituales son los siguientes:
• Para la generación térmica: calefacción, desecación y refrigeración.
o Activa:
De baja temperatura (colectores planos, los usados
en el proyecto) para agua caliente sanitaria (ACS),
hasta 60ºC.
De media temperatura (colectores planos
especiales, tubos de vacío o concentradores) para
calefacción hasta 90ºC y para producir vapor o frío,
hasta 160ºC.
De alta temperatura (concentradores) para
aplicaciones industriales, hasta 1.000ºC.
o Pasiva:
Trata de contribuir a la climatización, recibiendo el nombre de
Arquitectura Bioclimática. Trata de captar la radiación solar en invierno y
rechazarla en verano.
• Para la generación de trabajo (electricidad):
Térmica:
Parque de heliostatos que concentran la radiación al
enfocarla en un receptor situado en una torre. El
heliostato necesita dos movimientos para seguir al
sol.
Concentrador cilíndrico-parabólico de eje
horizontal que concentra el sol en un tubo en el que
se produce vapor.
Fotovoltaica, bajo rendimiento (~ 10%) y elevado coste, 5 a
10 veces un colector solar plano.

• Para la generación de frío: las máquinas de absorción convierten un flujo de calor
en uno de magnitud mayor a menor temperatura, ligeramente superior a la del
ambiente que es a donde se vierte. La diferencia es el calor que se bombea desde la
baja temperatura al ambiente. Esto logra acoplar la alta oferta de la energía solar en
verano con la alta demanda de frío.


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1.3 Visión general del proyecto:
La vivienda en la que vamos a efectuar la instalación de placas solares para su
utilización en ACS y calefacción, se encuentra en Madrid.
El edificio en cuestión se trata de una vivienda unifamiliar aislada situada a las
afueras de Madrid más concretamente en el municipio de San Sebastián de los Reyes
(Zona Norte de Madrid).
La vivienda se compone de tres alturas distribuidas en dos plantas habitables y
un sótano habilitado como garaje y trastero donde además se puede encontrar el cuarto
de calderas y los demás depósitos de agua y gasóleo, este ultimo separado en el exterior
en un cuarto habilitado por motivos de seguridad.
En los sucesivos apartados, haremos una descripción más detallada del edificio,
también explicaremos las zonas en las que usaremos los paneles solares para la
calefacción y con los que se dará el consumo de agua caliente del edificio además de las
particularidades en las condiciones climatológicas inherentes a la situación del proyecto.
1.3.1 Descripción del edificio y sus superficies:

La vivienda objeto de este proyecto consta de tres plantas; sótano, planta
baja y planta primera bajo cubierta. A continuación daremos una breve explicación
de cada planta y de los usos que tiene cada una.
• Sótano:
Dispone de un garaje con una superficie de 104,1 m2 con capacidad
para 2 plazas, además de una sala habilitada como trastero y una sala multiuso
no climatizable. En esta zona del edificio es donde estará situada la instalación
para ACS y calefacción.

Resumen de las superficies del Sótano, que más adelante servirán para los cálculos:
Perímetro = 35,65m
Altura = 2,55m
2Superficie de Solera del Sótano = 124,7 m
2Superficie de muros del Sótano = 116,4 m
2Superficie habitable en Sótano = 104,1 m

3Volumen habitable en Sótano = 265,455 m
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Plano 1.1: Planta Sótano
• Planta baja:
Consta de un vestíbulo y un distribuidor y su correspondiente escalera
para subir a la primera planta.
La planta baja dispone de un salón-comedor, una cocina, un baño, un
despacho y un estudio. La superficie de la vivienda es de 126,88 m2, y se suman
los metros cuadrados destinados a porches asciende a 136,83 m2.
Resumen de las superficies de la Planta baja, que más adelante servirán
para los cálculos:
2Superficie de Ocupación = 146,7 m
2 Superficie de Vivienda = 126,88 m
2 Superficie de Porches = 9,95 m
2 Superficie total habitable de P.Bª = 136,83 m
2Superficie de los cerramientos: Total = 149,6 m
2 2 Norte = 35,235 m Este = 38,93 m
2 2 Sur = 39,59 m Oeste = 35,86 m
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Plano 1.2: Planta Baja
• Planta primera:
Está compuesta por un distribuidor, un baño y tres dormitorios, el
principal con un baño integrado dentro de la misma habitación. Por último,
superficie de esta planta es de 77,8 m2 en su totalidad.
Resumen de las superficies de la Primera Planta, que más adelante
servirán para los cálculos:
2Superficie de Vivienda = 77,08 m
2Superficie de los cerramientos: Total = 71,78 m
2 2 Norte = 23,52 m Este = 13,23 m
2 2 Sur = 19,7 m Oeste = 15,33 m
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Plano 1.3: Planta Primera
• Cubierta:
Es donde irán situados los colectores solares, orientados hacia el sur, que es
la orientación óptima. Es un tejado a 4 aguas siendo la zona sur una caída a dos
niveles, apropiada para la instalación de los paneles solares térmicos. Todas las
caídas tienen una inclinación de 20º respecto de la horizontal.
Resumen de las superficies de la Cubierta, que más adelante servirán para
los cálculos:
2Resumen de Cubierta: Total = 157,18 m
2 2 Norte = 35,08 m Este = 29,67 m
2 2 Sur = 68,54 m Oeste = 23,89 m
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Plano 1.4: Cubierta

Plano 1.5: Forjados de la Cubierta






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