CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA DE LAS NAVES

“Estudio sobre la viabilidad de la aplicación de energías renovables (biomasa y energía
solar) en una fábrica del sector del mueble”
Carlos García-Zúñiga Bastarrica(1), Eloy Velasco Gómez(2)
(1)
C/Santiago 22 3º puerta 6 Valladolid 47001, [email protected]
(2)
[email protected]
El objetivo principal que persigue este proyecto es conseguir optimizar el consumo de energía en calefacción de una
empresa, para lo cual es necesario disponer de información previa tanto de consumos actuales como históricos, realizar un
estudio de las cargas térmicas de las instalaciones y analizar los recursos de que se disponen.
Una vez revisada toda la información, se plantea una solución al excesivo y descontrolado gasto en combustibles
detectado, a través de la implantación de un sistema combinado de biomasa y energía solar.
Los resultados obtenidos muestran que a día de hoy no es viable la instalación de placas solares térmicas, por lo que en el
presente se está trabajando en la optimización del uso de la caldera de biomasa existente en la empresa, con lo que se está
consiguiendo reducir el consumo en combustibles para calefacción entorno a un veinte por ciento.
1. Antecedentes y justificación
En el presente proyecto se pretende realizar un estudio sobre la viabilidad del uso combinado de energías renovables, en
este caso biomasa y energía solar, para la obtención del agua caliente necesaria para los sistemas de calefacción de la
empresa Cancio Fábrica de Muebles.
Dicha empresa ha experimentado, a lo largo de sus más de 50 años de historia, numerosas ampliaciones, al tiempo que
ha tenido que ir adaptando sus necesidades energéticas, optimizando sus recursos y procurando siempre el mayor
respeto posible al medio ambiente.
Debido al constante afán de superación, Cancio Fábrica de Muebles es, a día de hoy, la empresa líder a nivel nacional
en el sector del mobiliario auxiliar de cocina. Para ello ha sido de vital importancia el apoyo de grandes empresas de la
región que a través de diferentes proyectos de desarrollo han ayudado a que la empresa se encuentre en el nivel actual.
Uno de los problemas que más preocupa hoy en día, y a todos los niveles, tanto científica como socialmente, es el
medio ambiente y la contaminación atmosférica. Como empresa moderna que es, Cancio Fábrica de Muebles tiene en
este problema una de sus principales preocupaciones.
De todos es conocido el efecto contaminante de las fuentes de energía tradicionales, tales como los combustibles fósiles
(sólidos, líquidos o gases), materiales radiactivos, etc.
El objetivo fundamental al que se encaminan todas las políticas actuales es la preservación del medio ambiente y para
ello se buscan sistemas de dos tipos:
-1-
1. Sistemas que permiten obtener energía de las fuentes renovables, tales como la energía solar, eólica, etc.
2. Sistemas que permitan un mejor aprovechamiento de las fuentes energéticas tradicionales, gracias a lo cual
se conseguiría una reducción en su consumo, originándose el correspondiente descenso en los niveles de
contaminación atmosférica.
Uno de los pasos más importantes dados por la empresa en los últimos tiempos ha sido la implantación de una sistema
de calefacción basado en el aprovechamiento de los residuos propios generados. Con esto se ha logrado reducir
enormemente el consumo de gasoil, con el consiguiente ahorro energético y la disminución de emisiones contaminantes
que ello supone.
Se ha logrado pasar en pocos años de un sistema de calefacción apoyado casi íntegramente en la combustión de gasoil a
necesitar a día de hoy que sólo un 20 % del total de la energía consumida en calefacción se obtenga de la combustión
del gasoil.
Actualmente se están realizando una serie de acciones que tienen por objeto reducir el gasto en combustible. Lo que se
desea es eliminar el consumo de gasoil y disminuir el gasto en biomasa.
Se ha llevado a cabo una redistribución de determinadas zonas de carga y descarga de la fabrica, con lo que se ha
conseguido evitar las pérdidas de energía que se producían al tener las puertas abiertas mientras duraban las cargas de
los camiones.
Se está estudiando la implantación de sistemas de cortinas de aire para evitar pérdidas de energía en las zonas que
permanecen en contacto con el exterior.
Este estudio se va a llevar a cabo sobre la última ampliación realizada por la empresa en 2004, consistente en una nave
de aproximadamente 2.500 m2, siendo dicha construcción la de mayor superficie de toda la fábrica y al mismo tiempo la
que más problemas térmicos presenta.
Este proyecto pertenece a una de las líneas de investigación seguida por la sección de Termotecnia de la Escuela
Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Valladolid, que desarrolla proyectos dirigidos a optimizar los recursos
energéticos.
Esta línea de investigación responde a la realidad medioambiental y energética con que nos encontramos actualmente
dentro de la Comunidad Económica Europea.
-2-
2. Objetivos
El objetivo del presente proyecto es la realización de un estudio sobre la viabilidad de la utilización de un sistema de
calefacción basado en una instalación combinada de caldera de biomasa con apoyo de energía solar, que comprenderá
las siguientes etapas:
1. Cálculo de la carga térmica de la nave.
2. Caracterizar los equipos que componen las instalaciones térmicas de la planta de fabricación.
3. Análisis de los históricos de consumos de combustibles.
4. Descripción de la instalación necesaria.
5. Exposición de las posibles mejoras.
6. Plantear el seguimiento de las mejoras.
3. Desarrollo
En primer lugar se realiza una descripción de los procesos productivos llevados a cabo en la fábrica, antes de lo cual se
exponen de forma breve algunos conceptos que ayudarán a conocer mejor la empresa objeto de este estudio.
Una vez desarrollada la introducción, se realiza un exhaustivo estudio de las cargas térmicas de la nave objeto del
proyecto, incluyendo información detallada de todos los elementos constructivos de dicha nave, así como de los
distintos cerramientos utilizados.
El estudio queda limitado a una sola nave de las ocho que componen la fábrica, pudiendo ampliarse en un futuro si los
resultados del proyecto son satisfactorios. Se verá si las naves son similares para poder extrapolar los resultados
obtenidos al resto de las instalaciones.
Posteriormente se describe la situación actual de las instalaciones y sistemas de calefacción, incluyendo información de
los consumos de combustibles en los últimos años y planteando la problemática que se presenta en un futuro inmediato.
El capítulo principal del proyecto es en el que se describe cómo se podría reducir el consumo de combustible en la
instalación de calefacción mediante la utilización de placas solares térmicas en apoyo a la caldera de biomasa existente.
-3-
Se empezará realizando una descripción de la instalación necesaria, para después hablar de las ventajas que supondrá la
implantación de este sistema, tanto desde el punto de vista del ahorro en combustible como la disminución de emisiones
de CO2 o el aumento del confort.
Después vienen las conclusiones, donde se resumen los resultados del proyecto, haciendo referencia a los objetivos del
proyecto y valorando la conveniencia de las mejoras.
En el capítulo del presupuesto se informa del coste del presente proyecto y de lo que valdrá la instalación propuesta.
En el capítulo de bibliografía se enumeran los libros y manuales que se han consultado para la realización del proyecto,
presentado por orden alfabético de autores, así como la información de las páginas web visitadas.
Finalmente se presentan los planos y esquemas de las instalaciones existentes y de las que se desea implantar para
reducir el consumo de energía existente en la actualidad.
4. Descripción de la empresa
En este apartado se exponen los datos generales de la fábrica objeto de estudio, haciendo especial énfasis en la nave
sobre la que se realiza este proyecto.
Se comenzará por una identificación de la fábrica: situación, sector industrial, número de operarios y superficie. Estos
datos, que se reflejan en la tabla 4.1, dan una idea de la envergadura de la empresa y de su actividad industrial.
Tabla 4.1-Datos generales de la Empresa
EMPRESA
LOCALIDAD
DIRECCIÓN
SECTOR
PERSONAL
SUPERFICIE CUBIERTA
Cancio Fábrica de Muebles S.A.
Villalba de los Alcores
(Valladolid)
Carretera del Esquileo s/n
Mobiliario auxiliar
85 operarios
16.000 m2
A continuación se describirá el volumen de producción, así como los periodos de trabajo.
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El periodo productivo comprende desde el mes de septiembre hasta julio, empleándose el mes de agosto para puestas a
punto generales de las instalaciones. Durante este período productivo la fábrica trabaja 1 turno a la semana ( a
excepción de dos puestos de control numérico que trabajan a 3 turnos). La jornada es de 8 horas y de lunes a viernes,
existiendo temporadas en que los picos de demanda hacen necesario aumentar la jornada laboral a nueve horas y
extendiéndose incluso a sábados.
El proceso productivo que se realiza en esta fábrica abarca todos los tratamientos que recibe la materia prima, desde su
entrada hasta la salida del producto final, existiendo dos líneas claramente diferenciadas:
-
Línea de producción de elementos de madera ( mayoritariamente Haya).
-
Línea de producción de elementos metálicos.
La tabla 4.2. nos muestra el volumen de producción, en unidades de piezas fabricadas, de los últimos cinco años.
Tabla 4.2-Datos generales de producción
Producción
anual
Mesas
Sillas
2001
27.260
88.345
2002
29.481
88.365
2003
29.829
80.759
2004
32.885
76.737
2005
35.924
79.096
Finalmente se pasa a describir la actividad realizada en la nave a estudiar.
Esta nave se utiliza para montaje, embalado y almacenado de mesas. Hay tres líneas de montaje de mesas metálicas, dos
puestos de embalado y dos zonas de almacenado (una de producto terminado y otra de material procedente de
proveedores). Cada línea consta de dos operarios, tanto para montaje como para embalado.
-5-
5. Descripción de las instalaciones
En este apartado se describirán los sistemas de calefacción de la fábrica objeto de estudio. En primer lugar se describe la
instalación de calefacción general, detallándose en apartados posteriores las peculiaridades tanto del sistema principal
de caldera de biomasa como el sistema de apoyo que utiliza una caldera de gasoil.
5.1. Instalación de calefacción
Para la calefacción de las naves hay instalados una serie de unitermos UL, distribuidos uniformemente por todas las
naves. Concretamente, en la nave objeto de este estudio se dispone de 7 unitermos. En realidad serían necesarios más
unitermos, pero en el proyecto original se consideró que la mitad de la nave se utilizaría como almacén, por lo que no
sería necesario calefactar toda la superficie.
Figura 5.1-Ubicación de los unitermos
Los unitermos UL son unidades compactas para calefacción por proyección forzada de aire a través de una batería de
intercambio de calor, alimentada por agua caliente. Son los emisores de calor más adecuados para calefactar grandes
locales como naves industriales, almacenes, garajes, pabellones deportivos, etc.
-6-
Las principales características de los unitermos empleados en esta instalación son:
-
Diseñados para trabajar hasta una temperatura máxima del agua de 140 ºC y 8 bar de presión.
-
Equipados con batería de intercambio de calor fabricada en cobre-aluminio.
-
Ventilador helicoidal silencioso con motor trifásico 230/400 V a 1400 r.p.m.
-
Aletas orientables para dirigir el chorro de aire.
Las características técnicas del modelo UL se describen a continuación:
Modelo: UL - 217
E: 874 mm
Capacidad de agua: 4,5 l
Peso aproximado: 33 Kg
Caudal de aire: 5180 m3/h
Velocidad nominal: 1400 r.p.m.
Tensión: 230/400 V
Potencia absorbida: 0,4 kW
Intensidad absorbida: 1,60/0,92
A continuación se puede ver uno de los unitermos instalados en la nave junto a un esquema del mismo
Figura 5.2-Vista y esquema de un unitermo
El agua caliente es impulsada desde la caldera hacia toda la instalación con la ayuda de una serie de bombas, como se
puede ver en la siguiente fotografía de parte de este circuito de distribución.
-7-
Figura 5.3-Sistema de distribución
El volumen de agua que hay en el circuito cerrado es de 1.500 litros en la nave que estamos estudiando, siendo el
volumen total de agua que circula por toda la instalación de aproximadamente 12.000 litros a lo que hay que añadir el
volumen de la propia caldera.
5.2. Caldera principal
Para calentar el agua del circuito de calefacción se utiliza una caldera de biomasa que aprovecha los residuos generados
a lo largo de los procesos de fabricación, es decir, madera y subproductos de la madera.
En primer lugar, los residuos que van a ser utilizados como combustible son almacenados en el silo del que se va a
alimentar la caldera. Esos residuos derivados de la madera provienen de tres sitios diferentes:
1. Viruta que proviene directamente de los sistemas de aspiración de la maquinaria que trata la madera.
2. Desechos de madera que previamente han pasado por el molino triturador y llegan al silo principal a través
de un sistema de sinfín. Es el principal aporte estimado en un 95 % del total.
3. Viruta que proviene de los otros dos silos existentes en la fábrica.
-8-
La caldera se alimenta directamente del silo principal, según sean las necesidades de calefacción, calentando el agua del
circuito cerrado que llegará a los aerotermos situados en todas las naves de la fábrica.
Los humos procedentes de la combustión son filtrados en un sistema multiciclón. Este sistema aprovecha parte de la
energía calorífica de esos humos disminuyendo al mismo tiempo la temperatura de emisión de los mismos.
Figura 5.4-Esquema general de la instalación
-9-
5.3. Caldera de apoyo
Figura 5.5-Caldera de apoyo
Marca: HYGASSA bajo licencia YGNIS
Potencia útil: 1.000.000 kcal/hora
(1.150 kW)
Temperatura máxima de trabajo: 110 ºC
Volumen: 1.300 litros
Caldera presurizada en acero de tres pasos de humos en línea:
-
La cámara de combustión de grandes dimensiones y adaptada a todos los sistemas existentes de
quemadores de aire presurizado.
-
Segundo recorrido constituido por un haz de tubos que conducen el humo a la parte frontal de la
caldera,
-
Tercer recorrido constituido también por un haz de tubos de humos que permiten alcanzar la caja de
humos trasera de la caldera.
Presión de servicio estándar: 8 bares.
- 10 -
Funcionamiento a gasóleo:
Detalle de los elementos:
-
Caldera suministrada con envolvente de máximo aislamiento (supresión de puentes térmicos) y
bancada.
-
Placa de anclaje del quemador fija (de doble pared aislada).
-
Contrabridas de ida y retorno con juntas y tuercas.
-
Caja de humos trasera desmontable a partir del modelo D 1163.
-
Anillo de elevación.
6. Evolución del consumo energético
En esta parte se analizan los consumos de energía ya sea en forma de gasoil o residuos de madera, empleados en el
calentamiento del agua del sistema en anillo cerrado de calefacción.
Desde que entró en funcionamiento en el año 2000 el actual sistema de calefacción, los consumos de energía se han
mantenido prácticamente constantes.
Debido a que el proyecto se limita exclusivamente al estudio del sistema de calefacción, sólo consideraremos aquellos
gastos de energía relativos al calentamiento del agua necesaria para dicho sistema de calefacción, aunque se describirán
de forma breve otros gastos relacionados como el de generación de ACS.
Asimismo, se estudiará la evolución sufrida por la cantidad de residuos útiles generados en los últimos años, debido al
gran cambio en las actuales tendencias de diseño en el sector del mobiliario auxiliar, lo que ha llevado a un cambio total
de las materias primas utilizadas.
Tendremos en cuenta una estimación de las reservas existentes de madera y derivados procedentes de años anteriores al
uso del actual sistema de calefacción .
6.1. Consumo de biomasa
Los materiales empleados como combustibles en esta caldera son:
-
Residuos procedentes de madera maciza ( 42 %).
-
Residuos procedentes de materiales derivados de la madera (MDF, aglomerado, melamina, etc) ( 55
%).
- 11 -
-
Viruta que proviene directamente de los sistemas de aspiración de la maquinaria que trata la madera (
2 %).
-
Elementos defectuosos rechazados durante el proceso de fabricación ( 1 %).
Antes de entrar a detallar el consumo de combustible de la caldera principal, conviene resaltar el profundo cambio que
ha sufrido la utilización de la madera como materia prima principal en este sector.
En las siguientes tablas 6.1 y 6.2 se muestra el descenso drástico que ha sufrido el uso de la madera y sus derivados
(MDF, aglomerado, etc) como materia prima, siendo sustituidos mayoritariamente por elementos metálicos, derivados
plásticos y cristal. Además se incluyen las cantidades de residuos generados durante los últimos cinco años y
gráficamente se presenta la evolución de los consumos en la figura 6.1.
En la tabla 6.1 se muestran los datos relativos a consumos y residuos generados de madera maciza, mientras en la tabla
6.2 lo que se puede ver son los datos de consumos y residuos generados de derivados de la madera, principalmente
MDF.
Tabla 6.1 – Consumos y residuos de madera generados anualmente
Año
Cantidad de madera
consumida
Cantidad de residuo
de madera
generada
m3
kg
m3
kg
2000
736,3
603.798,7
257,7
211.329,6
2001
589,1
483.039,0
206,2
169.063,6
2002
552,3
452.849,0
193,3
158.497,2
2003
441,8
362.279,2
154,6
126.797,7
2004
368,2
301.899,4
128,9
105.664,8
2005
310,2
254.380,4
108,6
89.033,1
Se calcula que el 35 % de madera maciza se convierte en desperdicio.
Se ha considerado una densidad de 820 kg/m3 (madera de Haya).
- 12 -
Tabla 6.2 – Consumos y residuos generados de derivados de la madera anualmente
Año
Cantidad de derivados
de madera
consumida
Cantidad de residuo
de derivados de madera
generada
m3
kg
m3
kg
2000
2.090,5
1.358.844,0
418,1
271.768,8
2001
1.672,4
1.087.075,2
334,5
217.415,0
2002
1.567,9
1.019.133,0
313,6
203.826,6
2003
1.254,3
815.306,4
250,9
163.061,2
2004
1.045,3
679.422,0
209,1
135.884,4
2005
880,7
572.481
176,1
114.496,2
Se calcula que el 20% de derivados de madera se convierten en desperdicio.
Se ha considerado una densidad media de 650 kg/m3 para los derivados de la madera.
En la siguiente tabla 6.3 se muestran tanto los consumos totales como las cantidades totales de residuos de madera y
derivados generados durante los últimos cinco años.
Tabla 6.3 - Totales
Año
Cantidad de derivados
de madera
consumida
Cantidad de residuo
de derivados de madera
generada
m3
kg
m3
kg
2000
2.826,9
1.962.642,8
675,8
483.098,4
2001
2.261,5
1.570.114,2
540,7
386.478,7
2002
2.120,2
1.471.982,1
506,9
362.323,8
2003
1.696,1
1.177.585,7
405,5
289.859,0
2004
1.413,4
981.321,4
337,9
241.549,2
2005
1.191,0
826.861,4
284,7
203.529,3
- 13 -
A continuación se muestran de forma gráfica en la figura 6.1 los datos de la tabla 6.3.
3000
2826,9
2261,5
2500
2120,2
m3
2000
1696,1
1413,4
1500
1000
1191,0
675,8
540,7
506,9
405,5
500
337,9
284,7
2004
2005
0
2000
2001
2002
2003
Año
Volumen de madera consumido
Volumen de residuos generados
Figura 6.1- Evolución del consumo de madera y residuos generados
Una vez vistos estos datos, a la hora de valorar el consumo de residuos de la caldera de biomasa hay que tener en cuenta
la variación de volumen existente al triturar dichos residuos para obtener la viruta que se quemará en el horno.
En la siguiente tabla 6.4 se muestra la cantidad de viruta que se ha generado en el año 2005:
Tabla 6.4- Viruta generada en 2005
Tipo de residuo
Madera maciza
MDF, aglomerado, melamina, etc
Total
Viruta
Densidad ( kg/ m3)
Volumen (m3)
89.033,1
820
108,6
114.496,2
650
176,1
203.529,3
725
284,7
203.529,3
330
616,7
Peso (kg)
- 14 -
Se puede estimar que existe un volumen aproximado de 1.500 – 1.700 m3 de material procedente de residuos
acumulados de años anteriores a la implantación del actual sistema de aprovechamiento de residuos, que una vez
triturados se convertirían en unas reservas de 2.950 – 3.300 m3 de viruta.
Esta reserva esta constituida en su totalidad por restos derivados de madera, ya que los residuos directos de madera son
lo primero que se utiliza como combustible.
En la tabla 6.5 se muestran el consumo anual de viruta calculado, mientras en la tabla 6.6 se puede ver cuánto
disminuyen las reservas de viruta al año.
Tabla 6.5-Consumo de viruta
Días de funcionamiento
120
Consumo diario (m3)
12
Consumo anual (m3)
1.440
Tabla 6.6-Resumen
Producción anual (m3)
Reservas (m3)
Consumo anual (m3)
∆ anual (m3)
616,7
3.100
1.440
- 823,3
Tabla 6.7-Duración de las reservas
Año
Estimación de la
duración de las
reservas
2005
3.100
2006
2.276,7
2007
2008
2009
1.453,4
630,1
-193,2
- 15 -
3
Consumo diario 12 m
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
-500
2005
2006
2007
2008
2009
Figura 6.2- Duración estimada de las reservas de viruta
6.2. Consumo de gasoil
La caldera de gasóleo de la instalación de calefacción se utiliza como apoyo a la caldera principal de biomasa.
Normalmente su funcionamiento se limita a situaciones de:
-
Insuficiente cantidad de viruta triturada para alimentar la caldera principal.
-
Anomalías en el funcionamiento de la caldera principal.
-
Días de frío extremo.
El consumo de la caldera es de 60 l/hora y suele estar en uso una media de 40 horas al mes actualmente. Esto supone un
gasto medio mensual de 960 €, lo que al final del año se traduce en un gasto total en gasóleo de calefacción de 11.520 €.
6.3. Otros gastos
Existen otros gastos no relacionados con el calentamiento del agua destinada a calefacción, pero que resultará
interesante mencionar, ya que se hará referencia a ellos cuando se hable de las posibles ventajas del sistema de
calefacción que se está estudiando.
Uno de esos gastos es el que se refiere a la obtención de A.C.S. tanto en oficinas como en fábrica. Se dispone para ello
de dos termos eléctricos. El termo utilizado en la fábrica gasta energía eléctrica únicamente cuando la caldera principal
no está en uso o cuando es insuficiente la energía aportada por esta.
- 16 -
El termo situado en las oficinas es totalmente independiente, por lo que funciona únicamente consumiendo energía
eléctrica.
6.4. Resumen de consumos
En la siguiente tabla se pueden ver los consumos anuales de los combustibles utilizados por la empresa Cancio Fábrica
de Muebles para calentar el agua de calefacción, considerando unos rendimientos del 80 % para la caldera de gasoil y
75% para la caldera de biomasa.
Se muestran también los porcentajes de cada uno de los combustibles sobre el total de la energía consumida.
Tabla 6.8- Resumen de consumos
Combustible
Viruta
Gasoil
Total
Cantidad
(kg)
475.200
25.920
Energía
consumida
(kWh)
%
6.891.592.752
866.764.800
1.912.661
240.558
88,83%
11,17%
7.758.357.552
2.153.219
100
Poder calorífico
Energía
(kJ/kg)
consumida (kJ)
19.337
41.800
7. Diseño de la instalación solar térmica
7.1. Objetivo de la instalación solar
El objetivo de este estudio es el diseño de la posible instalación solar térmica para la calefacción de Cancio Fábrica de
Muebles, tratando de disminuir al máximo el consumo de energías no renovables en los medios existentes actualmente
para el sistema de calefacción de la fábrica.
La nueva instalación pretende aprovechar la ya existente y usarla como auxiliar para aportar la energía necesaria cuando
no sea suficiente la energía solar térmica para alcanzar la temperatura deseada. De esta forma se pretende disminuir la
nueva inversión y aprovechar al máximo la ya realizada en un principio.
En todo lo que sea de aplicación, el diseño, los componentes y el montaje de la instalación cumplirán la normativa
establecida en el “Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios” (RITE) y en la Orden de 5 de diciembre de 2002
de la Consejería de Industria, Comercio y Turismo por la que se convocan subvenciones para proyectos de energía solar
térmica, dentro del Plan de Fomento de las Energías Renovables.
- 17 -
7.2. Localización y tipo de instalación
Localización:
Villalba de los Alcores (Valladolid).
Edificio:
Cancio Fábrica de Muebles
Instalación:
Calefacción por medio de aerotermos.
7.3. Datos de la instalación existente
Los generadores de calor del sistema de calefacción son una caldera de biomasa y una caldera de gasoil. El agua
caliente generada es distribuida a través de un circuito a los terminales, que son aerotermos.
7.4. Datos de partida
Estudio de la demanda
La demanda de energía calorífica total de la fábrica en un año se debería de estimar teniendo datos de diez años para
poder tener un consumo de energía lo más cercano a la realidad. Ya que depende de si un año hay temperaturas más
suaves o menos suaves, y más factores como la posición en el calendario de las vacaciones. Se va a partir de los
consumos de los años 2000 a 2005, que es la información que se tiene. En este caso no se tiene información mensual de
los consumos.
La instalación solar que se va a proponer en este caso es una para toda la fábrica. Para saber que proporción de energía
se va a demandar cada mes nos apoyaremos en los cálculos realizados en el capítulo 4 del proyecto.
Condiciones climáticas del lugar
Para el cálculo de la instalación se han tenido en cuenta los valores de radiación solar global disponible que aparecen en
la Orden del 19-12-00 cuyo valor medio anual es de 4.10kWh/m2día, y de temperaturas ambientes medias mensuales
procedentes del Instituto Nacional de Meteorología, cuya media anual es 13.6ºC.
Tabla 7.1-Condiciones climáticas
Ene
Radiaciones medias mensuales
1,53
(kWh/m2día):
Rad. Inclin. en el plano de colec.
2,59
(kWh/m2día):
Temperatura media mensual
4,5
(ºC):
Humedad relativa media mensual
82
(%):
Feb
Mar
2,45
3,86 4,78 5,53 6,28 6,98 6,39 5,09 3,11 1,92 1,17
3,62
4,67 4,65 4,68 4,98 5,66 5,92 5,83 4,46 3,29 1,92
6,3
10,1 12,5 15,5 20,4 23,4 22,8 19,6 14,2
72
Abr May Jun
62
61
57
52
Jul
44
Ago Sep
46
53
Oct
67
Nov
Dic
8,9
5,2
77
83
La temperatura mínima histórica para la zona es de –16.1ºC, recogida el 16 de Enero de 1945.
- 18 -
Cálculo de la demanda de energía de nuestro sistema
El método de cálculo estima el número de colectores y el volumen de acumulación a partir de los datos de demanda y
de las características del tipo del colector solar usado.
Los datos obtenidos en el capítulo 3, en el que se realizó el estudio de las cargas térmicas, permiten estimar el consumo
teórico. Para la superficie de la nave estudiada en dicho tema se obtuvo una potencia necesaria de 232.571 W. Para el
conjunto de la instalación se estima una potencia de entorno a 1.500.000 W.
Para cubrir las demandas energéticas de calefacción de las ocho naves que componen la fábrica debería ser suficiente
con la potencia que suministra la caldera de biomasa (1.741.667 W). Para conseguir esa demanda teórica serían
suficientes unos 10,5 m3 de viruta.
En el capítulo 4, en el apartado 4.3.4 se estimó el consumo anual de energía demandada por la fábrica. Como resumen,
en la tabla 7.2 podíamos ver:
Tabla 7.2- Resumen de consumos anual
Combustible
Viruta
Gasoil
Total
Cantidad
(kg)
475.200
25.920
Poder calorífico
Energía
(kJ/kg)
consumida (kJ)
19.337
41.800
6.891.592.752
866.764.800
7.758.357.552
Energía
consumida
(kWh)
1.912.661
240.558
2.153.219
%
88,83%
11,17%
100
Comparando los datos teóricos con la demanda real vemos que existe un considerable desfase. Según los datos de
consumos reales mostrados en el tema 4, se están gastando 12 m3 de viruta, además del gasto en gasoil, frente a los 10,5
m3 que en teoría serían necesarios para cubrir la demanda energética. Hay un consumo excesivo de viruta de 1,5 m3,
además del gasto en gasoil.
Estas diferencias pueden deberse a numerosos factores:
-
Inercias térmicas.
-
Necesidad de calentar el agua todos los días desde temperaturas excesivamente bajas.
Para corregir en la medida de lo posible esas diferencias y reducir así el gasto energético, se plantea una instalación
solar capaz de aportar el 20 % de la energía necesaria para calentar la nave objeto del estudio, que es en lo que se
estiman las pérdidas por inercias térmicas.
Se quiere utilizar la energía solar para precalentar el agua de la instalación a una temperatura de 60 ºC, antes de que
entre en funcionamiento la caldera de biomasa. En la figura 7.1 se puede ver la zona que correspondería al aporte solar.
- 19 -
Figura 7.1-Temperatura del agua de la instalación
Según los resultados obtenidos del programa dpclima en el capítulo 3 del proyecto, la potencia necesaria para calefactar
la nave objeto del proyecto es 232.571 W. En la tabla 7.3 se muestran los valores de las demandas mensuales, obtenidos
a partir de la potencia obtenida con el programa dpclima.
Tabla 7.3-Consumos mensuales
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Total
Consumo mensual
(kWh)
57.678
52.096
57.678
55.817
0
0
0
0
0
57.678
55.817
57.678
394.440
- 20 -
Selección de la superficie de captación y del volumen de acumulación
El tipo de colector empleado para dimensionar tiene una superficie de captación de 2 m2. El factor de ganancia es del
79,6% y su factor de perdidas de 1,34W/m2ºC.
El ajuste de la superficie de paneles se ha realizado de forma que permita una configuración regular y homogénea del
campo de colectores, resultando 10 ramas formadas cada una por ocho colectores conectados en paralelo. De acuerdo
con este criterio resulta una superficie de captación de 160 m2.
Se fija una capacidad de acumulación de 7.000 litros, correspondiendo a una relación de almacenamiento de 44
litros/m2. Se ha elegido está relación ya que para instalaciones solares térmicas para calefacción se recomienda que esté
entre 35 y 50 litros/m2. En una instalación de energía solar, el tiempo de preparación es alto y dependiente de la
incidencia solar en cada época del año. El volumen de agua es calentado progresivamente a lo largo del día por lo que
son necesarias acumulaciones grandes que permitan afrontar las puntas de consumo y prever de esa forma los días con
una irradiación inferior a la media, tomada como valor de referencia de calculo.
La orientación elegida para los colectores será la más favorable y por ello elegimos orientación sur e inclinados 15º más
que la latitud donde se vaya a situar la instalación solar, como se recomienda para instalaciones de energía solar térmica
que funcionan sólo en el período de invierno. En nuestro caso al estar en la provincia de Valladolid cuya latitud es de
41,39º, entonces tendrá una inclinación de 56,39º. Los cálculos de energía para orientación sur y una inclinación de
56,39º:
Tabla 7.4-Cálculos de energía
Mes
Necesidad
energética (MWh)
Aporte del
sistema solar
(MWh)
Aporte solar medio Rendimiento medio mensual de la instalación
(%)
(%)
Enero
57,62
8,95
16
69
Febrero
52,05
11,40
22
70
Marzo
57,62
15,94
28
70
Abril
55,76
14,99
27
70
Octubre
57,62
15,45
27
70
Noviembre
55,76
11,09
20
69
Diciembre
57,62
6,38
11
66
TOTAL
394,05
84,20
21
40,3
- 21 -
Resumen y tabla de resultados de aportes energéticos del sistema solar elegido
Los aportes de la instalación solar propuesta se muestran en la tabla 7.4, resumen del dimensionado básico:
Tabla 7.4-Resumen del dimensionado básico
DATOS TOTALES ANUALES
Método de cálculo utilizado: F-CHART
Demanda anual de energía: 339.384 termias
Aporte solar anual:
72.504 termias
Fracción solar:
21%
Superficie útil de captación:
160,0 m2
Volumen de acumulación:
7.000 litros
Rendimiento total de la instalación:
40,3%
Aporte solar anual con +30% de
16,7%
demanda:
29,7%
Aporte solar anual con -30% de demanda:
(
451,3
termias/m2)
ANÁLISIS DETALLADO POR MESES
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Demanda mensual de energía (Total):
Aporte solar mensual (Total):
Aporte solar medio:
(Datos de energía en MWh)
57,62
52,05
57,62
55,76
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
57,62
55,76
57,62
8,95
11,40
15,94
14,99
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
15,45
11,09
6,38
16%
22%
28%
27%
----
----
----
----
----
27%
20%
11%
Rendimiento de la instalación:
69%
70%
70%
70%
0%
0%
0%
0%
0%
70%
69%
66%
Aporte solar con +30% de demanda:
Aporte solar con -30% de demanda:
12%
17%
22%
21%
----
----
----
----
----
21%
15%
9%
22%
30%
38%
37%
----
----
----
----
----
37%
28%
16%
Restricciones para calefacción:
30<V/A<50
V/A =44
Donde se definen los siguientes parámetros:
A = Superficie total de captación (m2).
V = Volumen de acumulación solar (litros).
Otra restricción que el Plan Solar impone es que el rendimiento medio anual sea superior al 35%. Dicho rendimiento
medio anual se define como el cociente entre la energía proporcionada (aporte solar del sistema) y la radiación normal
recibida sobre el plano de los colectores.
El coeficiente V/A toma un valor correcto entre los dos límites dentro de lo recomendado.
8. Conclusiones y futuros desarrollos
1ª- La aplicación del sentido común es el primer paso y puede que el más importante para conseguir al máximo
aprovechamiento de los recursos energéticos disponibles.
El paso previo a la realización de este proyecto consistió en una reorganización de la nave objeto del estudio para
conseguir que los camiones pudieran entrar totalmente en la nave y así poder cerrar las puertas durante la descarga de
los mismos.
- 22 -
Esto supone evitar un enorme despilfarro de energía durante las varias horas que duran las descargas.
2ª- Generación de biomasa anual por debajo del consumo de la misma.
El descenso en el uso de la madera y sus derivados como principal materia prima de esta empresa llevan a la conclusión
de que la generación de residuos para alimentar la caldera no esta asegurada a largo plazo.
Las premisas de que se parten para llegar a esta afirmación se basan en suponer un consumo equivalente al actual y un
uso de madera y derivados cada vez menor, aunque no con un descenso tan brusco como el sufrido en los últimos años.
Si se llevara a cabo la implantación del sistema proyectado, tendríamos un considerable descenso en el consumo de
residuos, lo que nos garantizaría las reservas de combustible por más años, al tiempo que disminuirían las emisiones de
gases procedentes de la combustión de dichos residuos.
3ª- Incremento del gasto en combustible de apoyo.
La actual tendencia alcista que presentan los precios de los combustibles fósiles será cada vez más pronunciada. Esto es
consecuencia lógica de las cada vez más escasas reservas y de los acuerdos internacionales para la disminución de
emisiones de CO2, tendiendo al uso de energías renovables cada vez en mayor medida.
Con la utilización de energía solar como apoyo a la caldera de biomasa, eliminamos la necesidad de utilizar la caldera
de gasoil, lo que nos supondrá un gran ahorro en este combustible y la desaparición de emisiones de CO2.
4ª- Al impedir que la temperatura del agua del circuito de la calefacción disminuya por las noches y durante los fines de
semana por debajo de una temperatura establecida, conseguimos disminuir el salto térmico, lo que proporcionará:
-
Mayor rapidez en el calentamiento de las instalaciones.
-
Disminución del gasto en biomasa.
-
Menor sufrimiento de la caldera,
5ª-Como futuro desarrollo sería interesante el estudio de otras aplicaciones energéticas que podríamos dar a la
instalación solar térmica proyectada:
-
Calentamiento del A.C.S. utilizada en las instalaciones.
-
Adaptación de las instalaciones para la obtención del aire frío necesario para la refrigeración de las naves.
6ª-Sería interesante estudiar otros sistemas de optimización de los recursos energéticos, como podrían ser la instalación
de cortinas de aire en las puertas, etc…
- 23 -
9. Bibliografía
A continuación se detallan las referencias bibliográficas que han servido como base para la realización del presente
proyecto.
[1] - Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo.”Norma básica de la edificación (NBE-CT-79 )”. 1979.
[2] - Gómez Solis, O. “Curso de iniciación al Autocad”. 2002.
[3] - Roca “Monografías de climatización: Calefacción”.
[4] - Sugimat “ Libro de instrucciones Horno de carga automática”.
[5] - E.T.S.I.I., Proyecto Fin de Carrera. “Auditoría energética a las instalaciones térmicas de una fábrica de
estampación y soldadura” Antonio Raimúndez Alonso 2003.
[6] - E.T.S.I.I., Proyecto Fin de Carrera. “ EVA
[7] - E.T.S.I.I., Proyecto Fin de Carrera. “Estudio del consumo energético en edificios de la Universidad de
Valladolid Jesús Veganzones Combarros
[8] - Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE) y sus Instrucciones Técnicas Complementarias.
[9] - Ente Regional de la Energía de Castilla y León “Energía Solar Térmica: Manual del Proyectista “ 2005.
[10] - Ente Regional de la Energía de Castilla y León “Energía Solar Térmica: Manual del Instalador “ 2005.
[11] - Sonnenkraft “Lista de precios de proyectos industriales 2005”.
[12] - Velasco Gómez, Eloy. “Cálculo y Diseño de Instalaciones de ACS y Calefacción” Universidad de Valladolid.
[13] - Mallo, Carlos. “Contabilidad de costes y de Gestión” Ediciones Pirámide. 1988.
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