calculo_demanda_ACS

CÁLCULO DE LA DEMANDA DE ACS Y POTENCIA PARA PREPARARLA

Atendiendo al sistema empleado en la preparación de ACS, las instalaciones pueden clasificarse en: •

Instantáneas: Cuando se prepara sólo el caudal demandado en cada instante. En este caso, la potencia térmica precisa queda determinada por el máximo caudal a suministrar.

•

Con acumulación: Cuando se prepara una determinada cantidad de ACS y se acumulada en un depósito para posteriormente distribuida de acuerdo con la demanda. Gracias a este sistema, la potencia calorífica necesaria es menor a la que corresponde al consumo máximo.

Para llevar a cabo los cálculos emplearemos las siguientes temperaturas del agua: • • •

Agua de la red de suministro: 10 ºC ACS de utilización: 40 ºC ACS acumulada o preparada: 60 ºC.

1. Sistemas de producción instantánea

Los equipos que emplearemos en los sistemas de producción instantánea son los calentadores instantáneos de gas y las calderas mixtas instantáneas. Para hallar su potencia tendremos en cuenta el número de puntos de consumo de ACS y el caudal que corresponda según DB-HS4 del CTE (Tabla 1).

Tabla 1: Caudal instantáneo mínimo para cada tipo de aparato 1

según el CTE en su documento básico HS4 Para determinar el caudal sumaremos todos los caudales instantáneos de los diferentes puntos de consumo de ACS y les aplicaremos un coeficiente de simultaneidad que lo reduzca, ya que es de suponer que es muy difícil que se abran todos grifos a la vez. El coeficiente se hallará mediante la siguiente fórmula: 1 n −1

kV =

Donde: Kv = Coeficiente de simultaneidad de la vivienda. n = Número de puntos de consumo de la vivienda. Para calcular la potencia del aparato de producción instantánea, teniendo en cuenta que se suele tomar una temperatura de entrada de 10 ºC y que los valores de calor y peso específico para el agua serán de 1 Kcal/kg ºC y 1 Kg/ l respectivamente, se aplicará la siguiente expresión:

Q=

Qu Pe ⋅ Ce ⋅ M max ⋅ (ts − te ) = η η

Donde: Q = La potencia calorífica real necesaria (Kcal/h) Pe= Peso especifico del agua (1 kg/ l) Ce= Calor específico del agua (1kcal/kg ºC) Mmax=Caudal de agua máximo (l/h) ts = temperatura de servicio (ºC) te = temperatura de entrada del agua de red (tomaremos unos 10 ºC) η = Rendimiento del aparato de producción instantánea de ACS (facilitado por el fabricante).

CUESTION: Imagínate que tienes que abastecer de ACS a una vivienda de bajo confort que dispone de un sistema de producción de ACS instantáneo con los siguientes puntos de consumo: 1 bañera de 1,6 m, 1 fregadero y 1 lavamanos. Determinar la potencia del calentador a emplear sabiendo que este tiene un rendimiento del 90% y que deseamos que la temperatura de utilización del agua sea de 40 ºC. SOLUCCION: Según la tabla 1 determinamos el caudal total de la vivienda. M = 0,2 + 0,1 + 0,3 = 0,6 l/s A este caudal tenemos que aplicarle el coeficiente de simultaneidad cuyo valor es:

kV =

1 1 = = 0,71 n −1 3 −1

El caudal final que nos tendrá que dar la caldera será: Q = 0, 6 l/s x 0, 71 ≈ 0,43 l /s = 1548 l/h Y finalmente la potencia necesaria que deberá tener el calentador de agua será:

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Q=

1 ⋅1 ⋅1548 ⋅ (40 −10 ) = 51600 Kcal / h 0,9

2. Sistemas de producción por acumulación de pequeña capacidad

Cuando el número de puntos de consumo a los que alimenta una misma instalación aumenta considerablemente, también lo hace la dificultad para producir ACS de forma instantánea y es por ellos que es necesario instalar un sistema de acumulación. Para determinar la cantidad de ACS que es demandada por una instalación, podemos recurrir al documento básico HE-4 del Código Técnico de Edificación (CTE) donde se recoge en la tabla 3.1 Demanda de referencia a 60 ºC, la cantidad de litros de ACS al día necesarios a 60 ºC de temperatura.

Tabla 1: Demanda de referencia a 60 ºC Cuando se trata de un edificio de viviendas, la cantidad de ACS/dia a 60 ºC por persona se calculará tendiendo en cuenta que el número de personas por vivienda, deberá hacerse utilizando como valores mínimos los que se relacionan a continuación:

Tabla 2: Personas que habitan en una vivienda en función del nº de dormitorios de la misma. En el caso de que el ACS lo acumulemos a una temperatura distinta de 60 ºC, necesitaremos mayor cantidad de agua, ya que al tener menor temperatura tenemos menos energía acumulada, para ello utilizamos la expresión: 3

En estos sistemas de acumulación pequeña, incorporan una caldera, un depósito acumulador con intercambiador interno y un circulador. El dimensionado de los componentes se hace generalmente para satisfacer la demanda máxima durante un periodo punta de 10 minutos. De acuerdo con el principio de todo intercambiador de calor, la energía térmica que absorbe el circuito secundario es igual al que cede el primario, es decir, para el agua la potencia térmica útil Qu es:

Donde: Qu: Potencia térmica útil (Kcal/h) Ce: Calor específico del agua [1 Kcal/(Kg ⋅ ºC] Vp: Caudal de agua del primario (lts/h) Vi: Caudal instantáneo disponible de ACS (lts/h) ∆ t: Salto térmico (ºC) que experimenta el agua de los respectivos circuitos, al pasar por el intercambiador. De la expresión anterior podemos deducir el caudal máximo instantáneo de ACS que se puede obtener en el secundario. En el circuito primario el caudal de agua Vp depende de la potencia térmica útil del sistema calefactor y del diferencial térmico del agua ∆ t que entra y sale del intercambiador. Por lo tanto el caudal es igual a:

Donde: Vp: Caudal de agua del primario (lts/h). Qu: Potencia térmica útil del sistema calefactor (Kcal/h). ∆ t: Salto térmico (ºC) Ce: Calor específico del agua [1 Kcal/(Kg ⋅ ºC]. De acuerdo con este caudal y las pérdidas de carga del circuito primario, se elegirá la bomba circuladora adecuada encargada de mover el agua de dicho circuito.

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La producción acumulada de ACS permite suministrar un caudal mayor que el instantáneo, durante un periodo determinado (10 minutos), dependiendo esencialmente del volumen acumulado y de la temperatura de almacenamiento. La capacidad de producción de ACS con acumulación durante los periodos punta es la suma de la producción instantánea y la acumulada. Como ya sabes, la temperatura de consumo o de utilización es inferior a la de almacenamiento, por lo tanto si tenemos un volumen de ACS acumulado Vac a una temperatura tac, nos permitirá obtener un volumen de utilización Vu mayor, cuyo valor se determina por la expresión:

Siendo: Vu: Volumen de utilización o disponible. Vac: Volumen de acumulación. tac: Temperatura de acumulación. tu: Temperatura de utilización o de consumo, te: Temperatura del agua de la red. En la práctica sólo es posible utilizar el 90% del volumen acumulado a 60 ºC, por lo que el volumen útil obtenido es algo menor. Por ello la expresión anterior se corrige con el coeficiente 0,9, resultando:

La producción total del sistema de acumulación es la suma del volumen utilizable Vu que acabamos de calcular, más la cantidad aportada por el intercambiador de calor. Veamos, cuando se comienza a consumir ACS, la temperatura del depósito desciende, pero el intercambiador no comienza a calentar el agua hasta que el termostato le de la orden. El tiempo transcurrido para que esto se produzca se estima en general en unos 5 minutos. Por lo tanto, en los sistemas de producción de 10 minutos, la producción instantánea se efectúa durante los restantes 5 minutos (1/12 de hora), con lo cual la cantidad de agua disponible en dicho periodo será:

Siendo Vi el caudal instantáneo que proporciona el intercambiador en lts/h.

3. Sistemas de producción por acumulación de gran capacidad

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En los sistemas de producción de ACS con gran acumulación, la capacidad acumulada se determina para un abastecimiento de ACS a 45 ºC durante un periodo de 1 hora. No obstante, la temperatura de acumulación se aumenta hasta los 60 ºC, con objeto de reducir las dimensiones de los acumuladores. El tiempo de preparación del ACS acumulada varía entre 1 y 3 horas, tomándose normalmente el tiempo medio de 2 horas. De acuerdo con esto, la potencia térmica útil necesaria para efectuar la preparación de un volumen acumulado Vac, a la temperatura de 60 ºC y considerando que el agua de la red está a 10 ºC, es:

Debido a las pérdidas en el circuito primario, paredes de depósitos, etc., la potencia que la caldera debe suministrar será entre un 5% y un 10% más, luego considerando un 10% tendremos:

Con el depósito lleno de agua a 60 ºC, la cantidad de ACS disponible a 45 ºC será:

A medida que se consume ACS, la temperatura del agua en el depósito va descendiendo hasta que el termostato pone en marcha el sistema calefactor. El tiempo de actuación depende de su regulación, del caudal extraído, etc. En general se puede estimar en unos 5 minutos (0,083 horas). Pasado dicho tiempo, el sistema calefactor se pone en funcionamiento, generando una cantidad de ACS a la temperatura de 45 ºC, considerando que la temperatura del agua de la red es de 10 ºC, igual a:

Donde: Vi: Volumen instantáneo producido de ACS (litros) Qu: Potencia calorífica (Kcal/h) H: Número de horas (horas). Por consiguiente, la cantidad máxima de ACS disponible durante el nº de horas H, será la suma de las anteriores: Es decir:

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3.1 Estimación de consumos punta en instalaciones colectivas

El cálculo del consumo punta, está basado en los gastos de bañeras y duchas a 45 ºC, los cuales se consideran de 120 y 35 litros por unidad, respectivamente. Según esto, los consumos en litros serán:

Donde: nb : Número de bañeras nd : Número de duchas ϕ : Coeficiente de simultaneidad, que depende del nº de cuartos de baño y que resultan distintos para 1 hora o 10 minutos. Dichos valores son los que se indican en la tabla 4. Si no se dispone de datos más concretos sobre consumos diarios de las viviendas, se puede estimar el consumo medio diario colectivo, como la cantidad de ACS que consume el conjunto de la instalación, equivalente al consumo de una hora (V60) durante un tiempo Hm, calculado por la expresión:

Siendo N el nº de viviendas. De acuerdo con lo anterior, el consumo medio diario colectivo será:

La duración del consumo punta V60 se estimará en:

Tabla 4: Coeficientes de simultaneidad para un edificio.

3.2 Consumos en hoteles

Los consumos de ACS a 45 ºC en hoteles, por persona y día, se indican en la tabla 2, de acuerdo con la categoría de los mismos:

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Las expresiones para determinar los consumos en 10' y en 1 hora son las mismas que para el caso de viviendas colectivas, aunque los coeficientes de simultaneidad n son distintos. Además habrá que distinguir entre las bañeras que se emplean como tales y las que se emplean como duchas. Para ello se hacen las estimaciones recogidas en la tabla 3.

Tabla 2: Consumo de ACS en hoteles.

El cálculo de los consumos punta son:

Tabla 3: Porcentajes de estimación de bañeras utilizadas como tales y las utilizadas como duchas.

Tabla 4: Factores de simultaneidad para 10' y 60' en %, en función de R (Relación entre nº de cuartos de baño y de camas). 8