Necesidades energéticas y propuestas de instalaciones solares. ENAC0108

3.5. Normativa de aplicación en la estimación de necesidades energéticas

En España, las necesidades energéticas pueden variar del Norte (más frío) al Sur (más caluroso), por lo que el rendimiento debido al emplazamiento de la instalación puede variar con la latitud.

Independientemente de la situación de los paneles solares, ya sea urbana o interurbana, se ha de cumplir una legislación para la estimación de las necesidades energéticas, y continuar el estudio de la viabilidad de la instalación, cumpliendo además las demás exigencias normativas.

El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), junto con sus Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC), es la base normativa para el desarrollo de las instalaciones solares. Además, se debe cumplir la legislación medioambiental y de seguridad, que se desarrollará en el capítulo correspondiente de este manual.

Las normas UNE en cuanto a necesidades energéticas son:

1 UNE-EN 94002/2004: instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente sanitaria. Cálculo de la demanda de energía térmica.

2 UNE-EN ISO 13789/2001: prestaciones térmicas de los edificios. Coeficiente de pérdida por transmisión de calor. Método de cálculo (ISO 13789/1999).

3 UNE-EN ISO 10456/2001: materiales y productos para la edificación.

4 Procedimientos para la determinación de los valores térmicos declarados y de diseño (ISO 10456/1999).

5 UNE-EN 12524/2000: materiales y productos para la edificación. Propiedades higrométricas. Valores de diseño tabulados.

6 UNE-EN 832/2000: comportamiento térmico de los edificios. Cálculo de las necesidades energéticas para calefacción. Edificios residenciales.

7 UNE-EN 832/AC/2000: comportamiento térmico de los edificios. Cálculo de las necesidades energéticas para calefacción. Edificios residenciales.

8 UNE-EN ISO 12241/1999: aislamiento térmico para equipos de edificación e instalaciones industriales. Método de cálculo (ISO 12241-1998).

9 UNE-EN ISO 6946/1997: elementos y componentes de edificación. Resistencia y transmitancia térmica. Método de cálculo (ISO 6946-1996).

4. Factores del emplazamiento

Es necesario el estudio pormenorizado de la colocación de los elementos captadores de la energía calorífica, así como la variación diaria y anual del Sol, que es la fuente de energía aprovechable en las instalaciones.

4.1. Orientación, inclinación y sombras

Las tres variables iniciales que se han de tener en cuenta a la hora de realizar una instalación de aprovechamiento de la energía solar deben ser la orientación de los paneles (ya sean térmicos o fotovoltaicos) respecto al Sol, la inclinación de los paneles respecto a la superficie donde estén situados y las posibles sombras que pudieran presentarse, tanto por edificios colindantes como por los propios paneles cercanos.

En cuanto a la orientación, si se sitúan en el hemisferio norte (Europa, EE. UU., Rusia, Japón, etc.), la superficie mayor debe estar siempre en dirección sur, de forma que se aprovechen al máximo los rayos emitidos por el Sol en la trayectoria de giro rotacional de la Tierra alrededor de él.

Importante

El sur geográfico no coincide con el sur magnético que indica la brújula debido a la inclinación del eje de la Tierra.

La inclinación debe ser tal que a las 12 del mediodía los rayos del Sol incidan perpendicularmente sobre la superficie mayor del panel. De esta forma se aprovecharán las horas previas y las horas posteriores, en las que los rayos van aumentando y disminuyendo su intensidad a lo largo del día.

En las instalaciones urbanas con edificios colindantes, las sombras no permiten que los rayos solares incidan el máximo tiempo sobre los paneles. De igual forma, la sombra propia del panel cercano, debido a una incorrecta inclinación o separación entre ellos, sería perjudicial para la instalación solar.

4.2. Cálculo de orientación óptima

Para conseguir que los paneles aprovechen al máximo la incidencia de los rayos solares, la situación del sur geográfico debe ser lo más exacta posible. No se puede realizar directamente con la ayuda de la brújula, ya que se debe corregir.

Existe un método rutinario pero muy útil para detectar la posición del sur geográfico, ya que esta es la orientación ideal para los paneles situados en el hemisferio norte. Los pasos a seguir son:

1 A las 9 o 10 de la mañana clavar una varilla en el suelo y colocarla verticalmente marcando el extremo de la sombra (punto A).

2 Dibujar una circunferencia con centro en la varilla y con radio en el extremo de la sombra.

3 Cuando por la tarde la sombra se haya desplazado y su extremo caiga sobre el punto de la circunferencia dibujada en el suelo, se marcará (punto B).

4 Uniendo los puntos A y B se obtiene una línea que es paralela al meridiano de la Tierra, que pasa por el Ecuador.

5 Se traza una línea que sea perpendicular a la AB, y esa es la dirección exacta del nortesur geográfico; recta a la que deben colocarse perpendiculares los paneles para conseguir el máximo aprovechamiento de los rayos solares a lo largo del día.

Importante

La superficie del panel solar debe soportar muy bien las inclemencias meteorológicas del lugar en los días invernales.

4.3. Cálculo de inclinación óptima

Los paneles están compuestos por una superficie útil y un soporte que los mantiene inclinados a la vez que los sujeta estructuralmente a la superficie.

La latitud terrestre del punto donde se sitúen los paneles solares o fotovoltaicos será la que indique la inclinación óptima que estos deben tener con respecto a la superficie horizontal.

La latitud es el ángulo comprendido entre la línea horizontal que pasa por el centro de la Tierra, representada por el Ecuador, y la línea que pasa por el punto considerado (punto A), unida también con el centro de la Tierra.

Un punto en la superficie de la Tierra puede tener latitud norte, de 0° a 90°, y latitud sur, también de 0° a 90°. Los polos Norte y Sur son los extremos de latitud 90°, encontrándose el Ecuador a una latitud 0°.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, la inclinación óptima de los paneles será de 10° por encima de la latitud del punto en invierno y de 10° por debajo en verano.

Como ejemplo, si la instalación se encuentra a 43° de latitud, el máximo aprovechamiento en verano de la incidencia de los rayos solares será cuando se sitúen los paneles con una inclinación de α = 33° con respecto a la horizontal donde estén situados.

Actividades

11. Buscar la latitud a la que se encuentra actualmente y estimar la inclinación óptima de los paneles en un campo cercano para la época actual del año.

4.4. Sombras y mapas de trayectoria

En el desarrollo del proyecto de instalaciones solares hay que tener muy en cuenta no solo la orientación del sur geográfico y la latitud, sino que interviene además el movimiento de la Tierra alrededor del Sol que, debido a la inclinación de su eje, genera las cuatro estaciones.

De esta forma, existen tres puntos importantes a lo largo del año: el solsticio de invierno, que se produce el 21 de diciembre y en el que la altura del Sol es la más baja, siendo el día más corto y las sombras más alargadas; el solsticio de verano, el día 21 de junio, con el máximo de horas solares por la máxima altura solar con sombras más cortas; y los dos equinoccios, el 21 de marzo y el 21 de septiembre, en los que coinciden en horas el día y la noche.

Las sombras de los edificios colindantes pueden reducir el rendimiento de la instalación, por lo que se estudiarán también las trayectorias a lo largo del año.

El siguiente esquema representa la trayectoria del Sol en los tres puntos, así como la orientación óptima de los paneles solares para un aprovechamiento máximo de la incidencia de los rayos solares.

4.5. Cálculo de pérdidas por sombra

La rentabilidad de la instalación urbana en edificios y naves, o en los campos de paneles solares, siempre está en relación directa con las horas de Sol de las que se dispone, por lo que la existencia de sombras reduce notablemente el rendimiento de la instalación.

Para una superficie en planta, la separación óptima de los paneles inclinados deberá ser tal que no genere sombras en el panel contiguo. Como es lógico, la superficie de paneles siempre será menor que la superficie en planta de la instalación.

El estudio de la separación está unido a la inclinación del panel, y esta a la latitud geográfica.

Un colector solar dejará de ser rentable cuando el tiempo diario de sombras sea superior al 20%. Una pérdida del 5% se considera correcta, aunque siempre es ideal el máximo.

La óptima separación entre paneles contiguos se realiza teniendo en cuenta el ángulo de latitud, que será aproximadamente igual a la inclinación del panel con respecto a la superficie horizontal y a la longitud de este. Interviene además un factor de corrección denominado k cuyo valor varía entre 1 y 2, y que tiene que ver con la propia latitud del campo de paneles.

Siendo h la altura vertical del panel inclinado, p la proyección en planta del panel inclinado, α el ángulo de inclinación, k el coeficiente de corrección y d la distancia entre la parte posterior de un panel y la delantera del contiguo.

Para el replanteo en el campo o la azotea de los paneles solares es más útil determinar la distancia D = d + p.

Aplicación práctica

Se dispone de una superficie rectangular de 160 m · 100 m para colocar paneles solares en una finca que se encuentra a latitud 45° norte. Considerando un factor k = 1,1, y colocando en principio los paneles inclinados a 40° con respecto a la horizontal, calcule la distancia de separación entre paneles para obtener la menor pérdida por sombra, sabiendo que son de dimensiones L = 3 m.

Calcule, asimismo, el número de filas que se pueden colocar en el lado de 160 metros, ya que este es el paralelo al sur geográfico.

SOLUCIÓN

Para el cálculo de la distancia mínima entre paneles solares, teniendo en cuenta la inclinación de estos, se calcula directamente con la fórmula:

d = L · senα · k

d = 3 m · sen 40° · 1,1 = 2,12 m

La distancia en proyección horizontal del panel a 40° es:

p = L · cosα

p = 3 m · cos 40° = 2,29 m

La distancia entre el comienzo de un panel y el siguiente será la suma de la separación entre ellos más la proyección del panel en planta:

D = d + p = 2,12 m + 2,29 m = 4,41 m

Por último, en el lado de 160 metros del campo solar se podrán colocar:

N = 160 m / 4,41 m = 36,28 → 36 paneles

5. Sistemas arquitectónicos y estructurales

La colocación final de los paneles en el edificio es una tarea a menudo difícil, ya que la variabilidad de orientación y las inclinaciones en los tejados dependen en parte de la posible aparición de sobrecarga de nieve en las latitudes más al norte. En el Sur, las terrazas permiten la instalación más sencilla a costa de eliminar la superficie útil para las personas.

5.1. Integración arquitectónica

Con la actual legislación, los nuevos edificios deben permitir la fácil instalación de instalaciones solares, por lo que el arquitecto que diseña los edificios de viviendas, o el ingeniero las naves industriales, debe adaptar las cubiertas para los paneles.

Con las cubiertas a diferentes inclinaciones, además de la orientación en los cuatro puntos cardinales (N, S, E y O), la labor de diseño debe realizarse con la idea de poder captar la mayor incidencia de los rayos solares a lo largo del día y para diferentes épocas del año.

Además, entra en juego, en el diseño arquitectónico, la funcionalidad de la instalación con la colocación de los paneles sobre la misma superficie del tejado, formando un conjunto agradable junto con los huecos practicados para las ventanas y la ventilación. Sería interesante que las instalaciones quedaran integradas en forma y color a la estética del tejado del edificio, colocándolas paralelas al borde (alero), y con tejas en tonos similares a los paneles solares o fotovoltaicos.

Integración de una instalación en la estructura del edificio

Las empresas dedicadas a la fabricación y la instalación disponen de diferentes variables para poder anclar de manera correcta los paneles al soporte estructural, variando la inclinación para conseguir el mayor rendimiento en su utilización.

5.2. Estructura soporte

El panel solar se compone de la superficie útil, dedicada a la captación solar para energía térmica o fotovoltaica, y el soporte estructural, que permite la inclinación adecuada y la unión a la superficie, ya sea en cubiertas inclinadas de tejados, terrazas horizontales o campos solares.

Esta parte, la del anclaje, cobra una especial importancia cuando se deben realizar instalaciones en lugares urbanos elevados o desprotegidos, ya que la influencia del viento hace que se puedan llegar a levantar cuando se superan las acciones dinámicas de este.

El viento del norte es el más peligroso, ya que en esa dirección puede elevar los paneles por la parte de abajo debido a que estos siempre deben estar orientados al sur geográfico, donde existen más horas de luz y calor solar a lo largo del año.

Por tanto, es muy importante realizar bien el anclaje a la superficie para conseguir una buena estabilidad aun con las peores inclemencias meteorológicas.

Nota

Para el cálculo de estructuras siempre se tiene en cuenta la situación geográfica y las inclemencias meteorológicas definidas por la estadística.

6. Viabilidad

La legislación que se necesita cumplir para la instalación de captadores solares viene recogida en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), así como en la diferente reglamentación de tipo medioambiental y de seguridad, y en la propia del plan general de ordenación urbana de cada ciudad o comarca.

Este es el primer paso en el estudio de viabilidad, antes que el económico, ya que la gran legislación a cumplir en este aspecto puede desencadenar en la no rentabilidad de una instalación ya pensada y calculada.

6.1. Estudio de viabilidad

Cualquier tipo de instalación necesita un estudio de viabilidad, ya que estas instalaciones solares son relativamente novedosas y las formas de calentar el edificio y las viviendas con métodos más clásicos empleando gas butano o derivados del petróleo para las calderas de calefacción y agua caliente sanitaria (ACS) se sabe que funcionan correctamente.

Existen factores importantes que se deben estudiar para tomar la decisión de instalar o no los paneles solares en los edificios, independientemente de que sea obligada por la legislación actual en los edificios y las naves de nueva planta. Algunos factores son:

1 Tipo de instalación actual en el edificio para generar ACS y calderas de calefacción.

2 Uso del edificio para viviendas, oficinas o naves industriales.

3 Instalación de piscina climatizada comunitaria.

4 Posibilidad física de montaje del número necesario de paneles solares o fotovoltaicos en la superficie del tejado o la terraza.

5 Número de vecinos y posibilidad de acuerdo en la inversión.

6 Necesidades caloríficas del edificio, dependiendo de su latitud y orientación.

7 Instalación de caldera centralizada o individual a cada vivienda o local.

8 Porcentaje de energía calorífica que se aporte en referencia a la actual.

9 Estudio de venta posterior de la electricidad generada por los paneles fotovoltaicos una vez se ha consumido la electricidad necesaria en el edificio.

10 En general, coste económico y rentabilidad al realizar el cambio a paneles solares térmicos o fotovoltaicos.

6.2. Factores económicos y financieros

La rentabilidad de un negocio es la base fundamental para que se piense en iniciarlo o en cesarlo, por lo que la inversión económica inicial en este tipo de instalaciones solares debe estar muy bien estudiada, habida cuenta de que se necesitan períodos de tiempo elevados para que se obtengan resultados económicamente medios o buenos.

La rentabilidad económica mide la tasa de devolución producida por un beneficio económico.

Por otra parte, los diferentes inquilinos de un edificio pueden no estar dispuestos a asumir el coste inicial de la instalación, ya que suele ser elevado, aunque a medio y largo plazo los resultados puedan ser satisfactorios.

No se debe olvidar que el mantenimiento de estas instalaciones solares es muy bajo, aunque los métodos térmicos que se encuentran en la actualidad (calderas de combustibles derivados del petróleo) son mucho más utilizados, a costa de un deterioro paulatino del medio ambiente en las ciudades y el calentamiento global del Planeta.

Contaminación urbana

Nota

En cualquier negocio debe estudiarse previamente el período de amortización de la inversión inicial para ver si este será rentable.

7. Resumen

La energía se puede presentar de seis formas diferentes: eléctrica, mecánica, nuclear, química, radiante electromagnética y térmica. La transformación de cada una de ellas en otras es necesaria para poder utilizar las máquinas que el hombre, a lo largo de la historia, ha desarrollado.

Las necesidades energéticas han ido aumentando a la vez que el desarrollo de las poblaciones, lo cual ha llevado a un consumo muy elevado de combustibles fósiles que no ayudan al medio ambiente del Planeta.

La utilización de energías naturales que aprovechan la incidencia de los rayos solares ha permitido el gran desarrollo de los paneles de tipo térmico y fotovoltaico, que se suman a las necesidades energéticas que existen en la actualidad.

Teniendo en cuenta que la energía no se crea ni se destruye, sino que solo se transforma, las instalaciones solares tienen un gran campo de desarrollo actual.

La situación adecuada de las instalaciones solares, según el estudio del movimiento de la Tierra alrededor del Sol, hace que el aprovechamiento de la energía calorífica esté más al día que nunca con los beneficios obtenidos para el Planeta por la utilización de estas energías renovables, también llamadas limpias.

La orientación, la inclinación y el control de las sombras son factores necesarios a estudiar para las instalaciones. La viabilidad de estas tiene una componente económica esencial, ya que la inversión inicial en el proyecto y el montaje de los paneles solares siempre se recuperará a medio y largo plazo.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. La energía es:

1 La forma en que se manifiesta el trabajo mecánico.

2 Lo que utilizan los mecanismos para moverse.

3 La parte de la física que estudia el trabajo.

4 La capacidad que tiene un cuerpo de realizar trabajo.

2. El Sistema Internacional (SI) utiliza como unidad de energía el julio, que es:

1 Una unidad de fuerza superficial.

2 Igual a un newton por un metro.

3 Igual que el kilopondio, pero en otro sistema de medidas.

4 Igual a una dina por cada metro cuadrado.

3. La energía mecánica está compuesta por dos, que son la potencial...

1 ... y la dinámica.

2 ... y la estática, que depende de la altitud respecto al nivel del mar.

3 ... y la cinética de movimiento.

4 ... y la teórica, en la que influye la gravedad (g).

4. Realice un dibujo del átomo en el que aparezcan sus elementos y las polaridades.

5. Relacione los tipos de energía y las aplicaciones finales de ellos. Enlace ambas columnas según corresponda.

1 Energía eléctrica.

2 Energía mecánica.

3 Energía química.

4 Energía radiante electromagnética.

5 Energía térmica.

1 Radiador por convección.

2 Iluminación.

3 Motor de explosión.

4 Televisión.

5 Martillo.

6. El rendimiento de una máquina relaciona el trabajo realizado y la energía suministrada, siendo:

1 Un valor necesario en el cálculo eléctrico.

2 Siempre su valor entre 0 y 1.

3 La característica fundamental para cuantificar la energía hidráulica.

4 Mayor del 100% en determinadas aplicaciones subatómicas.

7. Complete.

El primer principio de la termodinámica dice que la __________ ni se crea ni se destruye, solo se __________. La cantidad de __________ (Q) es la suma de la variación de energía más el __________ (W).

8. La potencia eléctrica es igual a...

1 ... la resistencia del circuito por el cuadrado de la intensidad.

2 ... el voltaje dividido entre la intensidad en amperios.

3 ... la intensidad por el cuadrado de la tensión.

4 ... la resistencia (R) por la intensidad (I).

9. Las propiedades magnéticas permiten transformar la tensión y la intensidad de la corriente eléctrica. La intensidad en el devanado secundario I₂ es igual...

1 ... a la del primario, pero solo en CC.

2 ... (N1 · I1) / N2.

3 ... N2 / (I1 + N2).

4 ... (N2 · I1) / N1.

10. De las siguientes afirmaciones, indique cuál es verdadera o falsa.

1 Con el transformador se pueden variar los valores de tensión e intensidad de la corriente continua.VerdaderoFalso

2 La CA es la que cambia el valor de la tensión y su polaridad de positivo a negativo y de negativo a positivo de manera instantánea.VerdaderoFalso

3 1 julio corresponde a 240 kilocalorías.VerdaderoFalso

4 En la ley de Ohm, el voltaje es igual a la resistencia por la intensidad.VerdaderoFalso

5 RITE son las siglas del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios.VerdaderoFalso

11. Para el aprovechamiento máximo de la energía solar en el hemisferio norte, la mejor orientación geográfica de los paneles será:

1 ... el Norte.

2 ... el Sur.

3 ... el Este.

4 ... el Oriente.

12. La latitud terrestre...

1 ... puede ser norte o sur.

2 ... es el ángulo de referencia entre el Ecuador y el paralelo norte de la Tierra.

3 ... es un concepto antiguo, ya que ahora se utiliza la orientación cenital.

4 ... puede ser este u oeste.

13. Un colector dejará de ser rentable cuando las pérdidas por sombra sean:

1 Inferiores al 10%.

2 Del 15%.

3 Tales que los días de lluvia superen a los de buen tiempo.

4 Superiores al 20%.

14. A la vista del panel solar inclinado, la distancia p es igual a...

1 ... L por la tangente de h.

2 ... h por el seno de α .

3 ... L por el coseno de α .

4 ... L por h dividido por α .

15. La rentabilidad económica mide...

1 ... el porcentaje de beneficios antes de impuestos.

2 ... la cantidad de dinero a medio-largo plazo que se necesita invertir.

3 ... el valor del activo.

4 ... la tasa de devolución producida por un beneficio económico.