Cálculo de agua caliente sanitaria (A.C.S.) «por turnos»

¿Sabemos calcular el consumo de A.C.S?

Somos animales de costumbres y por el ritmo de trabajo que llevamos hoy en día, son pocas las veces que nos paramos a pensar y calcular los equipos de producción (intercambiadores) y de acumulación (depósitos) necesarios para una correcta instalación de Agua Caliente Sanitaria (A.C.S).

Nuestros años de experiencia nos han hecho tener una visión global del dichos consumos y no nos paramos a comprobar si realmente los equipos elegidos se podrían optimizar aún más, teniendo un mejor rendimiento tanto energético como económico.

A continuación, nuestro colaborador Eduardo Cortina, nos da un ejemplo sencillo y práctico para el cálculo de dichos equipos en una instalación de una fábrica o empresa donde sus trabajadores tienen una jornada laboral por TURNOS.

I. Explicación del método para el cálculo del agua sanitaria:

El método intenta reflejar de la forma más real posible, lo que sucede en unos vestuarios colectivos de una fábrica o taller que trabaja por turnos. Se basa en el hecho de que para que el sistema de A.C.S sea efectivo y fiable, bastará con que sea capaz de dar servicio de A.C.S. a un turno y a su vez sea capaz de recuperarse al 100% antes de que de comienzo el próximo turno.

II. Fases en la que se divide el cálculo:

Este método por tanto, estudia con detalle lo que sucede desde que comienza un turno hasta que va a dar comienzo el siguiente, con independencia del número de turnos diarios. Para ello se divide el turno en 3 fases: Consumo punta, consumo menor y fase de recuperación (durante el cuál se considera un consumo de recuperación).

Gráfica 1: Fases del consumo por turnos.

III. Elementos de producción y almacenamiento:

Para entender bien este método es importante pensar siempre en término de “energía”, ya sea producida, almacenada o consumida por los usuarios.

En todo sistema de A.C.S, al margen de posibles precalentamientos previos (solar, recuperación,….) hay siempre dos elementos fundamentales de los que dependerán en gran medida (considerando un diseño y ejecución hidráulicos correctos) el buen funcionamiento:

P=Potencia de PRODUCCIÓN de Energía (o de A.C.S)

V=Volumen de ALMACENAMIENTO de Energía (o de A.C.S)

Depósito acumulador ACS

IV. Balance de energía en la fase de consumo punta:

Planteamiento a realizar:

Energía producida por el intercambiador de A.C.S+Energía entregada por la acumulación, es igual a la Energía consumida por los usuarios en el periodo de consumo punta.

V. Balance de energía en la fase de consumo menor:

Energía producida por el intercambiador de A.C.S+Energía entregada por la acumulación, es igual a la Energía consumida por los usuarios en el periodo de consumo menor.

Si bien en el consumo punta las personas pendientes de ducharse son iguales o mayores que el número de duchas, en el consumo menor las personas pendientes son menores que las duchas disponibles.

En el cálculo, el volumen de acumulación total lo dividimos en 2 volúmenes: Vp (punta) y Vm (menor) tal que:

V=Vp+Vm

Gráfica 2: Volúmenes de acumulación en depósito.

VI. Objetivo del método de cálculo “Por turnos”:

Calcular los valores de potencia de intercambio (P) en kw o kca/h y el volumen de acumulación de A.C.S. (V) en litros, que garanticen el servicio de A.C.S. en las condiciones de cálculo, con el menor sobredimensionamiento posible.

 

Intercambiadores de placas

VII. Desarrollo del cálculo con un ejemplo práctico:

Planteamos como caso práctico un estudio real realizado para la ”Central de cocheras del tranvía en Leioa- Vizcaya”

1. Datos de partida:

• Número total de duchas: 8
• Caudal de consumo por cada ducha: 0,2 l/seg
• Duración media de cada uso. 4 min
• Duración de cada tanda*: 5 min

*Tanda=tiempo que se tarda en utilizar 1 vez todas las duchas. Lógicamente el tiempo de cada tanda es mayor que el tiempo de cada uso.

• Número de usuarios por cada turno: 30
• Consumo en la fase última de recuperación: 5%

Se establece un % en relación al consumo punta

• Duración de la fase de recuperación: 60 min (tr)

Es decir, se desea que transcurridos 60 min desde que la persona se ha duchado la última persona de un turno, el sistema esté preparado para el siguiente turno.

• Temperaturas del agua de red:

Tª de red: 10 ºC.

Tª de acumulación: 60º C.

Tª de consumo : 45º C.

Simultaneidad de uso de aparatos en consumo punta : 95%.

2. Cálculos preliminares:

• Número de tandas: 30 usuarios / 8 duchas=3,75

Tomando el número entero=3 tandas

• Duración del consumo punta: 3 tandas x 5 min/tan=15 min. (tp)
• Duración del consumo menor: 0,75 tandas x5 min/tan=5 min ™ aprox.
• Usos de ducha en consumo punta: 3 tandas x 8 duchas=24 usos
• Usos de ducha en consumo menor: 30 usuarios-24 usos=6 usos

3. Cálculo de las energías consumidas en cada fase:

Utilizando estos cálculos preliminares, podemos calcular fácilmente las energías consumidas en cada fase.

      3.1 Energía consumida en FASE PUNTA (Ep):

Se ducharán 24 personas durante una media de 4 min. Cada persona, por lo tanto tendremos:

Ep = 24 p x 0,2 (l/seg) x 60 (seg/min) x 4 min x1 (Kg/l) x 1 (Kacl/kg º C.) x AT (45º C-10ºC)

Obtenemos como resultado que Ep = 40.320 kcal.

      3.2 Energía consumida en FASE MENOR (Em):

En esta fase se ducharán 6 personas, por lo tanto tendremos:

Em = 6 p x 0,2 (l/seg) x 60 (seg/min) x 4 min x1 (Kg/l) x 1 (Kacl/kg º C.) x AT (45º C-10ºC)

Obtenemos como resultado que Em = 10.080 kcal.

      3.3 Energía consumida en FASE DE RECUPERACIÓN (Er):

El ritmo de consumo (l/min) se ha establecido como de un 5% (dato inicial) del consumo en fase punta. Teniendo en cuenta que este ritmo de consumo se prolonga durante 60 min. Tendremos:

Er = 95% x 8 d x 0,2 (l/seg) x 60 (seg/min) x 5% x 60 min x 1 (Kg/l) x 1 (Kcal/Kg ºC) x AT (45º C- 10º C)

Obtenemos como resultado que Er = 9.576 Kcal.

 4. Balance de energías en FASE PUNTA:

Tal como indicábamos en el punto IV, teniendo en cuenta que la fase punta dura 15 min., tendremos:

Pot. De intercambiador + Pot. Acumulación A.C.S.= Ep

(P (Kcal/h) x tp (min) x 1 (h/60 min))+ (Vp (l) x 1 (Kg/l) x 1 (Kcal/Kgº c.) x (60º C-10º C.)= 40.320 Kcal

Aplicando los valores conocidos= 15/60 P + 50 Vp= 40.320

ECUACION 1 = P + 200 Vp = 161.280

5. Balance de energías en FASE MENOR:

Tal como indicábamos en el punto V, teniendo en cuenta que la fase menor dura 5 min., tendremos:

Pot. De intercambiador+ Pot. Acumulación A.C.S.=Em

(P (Kcal/h) x tm (min) x 1 (h/60 min))+ (Vm (l) x 1 (Kg/l) x 1 (Kcal/Kgº c.) x (60º C-10º C.)= 40.320 Kcal

Aplicando los valores conocidos= 5/60 P+50 Vm=10.080

ECUACION 2 = P+600 Vm= 120.960

6. Balance de energías en FASE DE RECUPERACIÓN:

A diferencia de las anteriores, en esta fase solo disponemos del intercambiador (P) como elemento de producción de A.C.S ya que consideramos que la acumulación se ha “vaciado” de energía. El sistema por tanto tendrá que atender los consumos que se puedan dar en las duchas y grifos, al mismo tiempo que recupera la energía del depósito de acumulación, es decir, calienta el agua de acumulador hasta 60º C. y teniendo en cuenta que el tiempo de recuperación (tr) es de 60 min. Tendremos:

Pot. De intercambiador + Pot. Recuperación de la Acumulación A.C.S.= Er

(P (Kcal/h) x tr (min) x 1 (h/60 min)) + (Vp+Vm (l) x 1 (Kg/l) x 1 (Kcal/Kgº c.) x (60º C-10º C.)=9576 Kcal

Aplicando los valores conocidos y operando

ECUACION 3 = P= 50 (Vp+Vm) + 9.576

7. Resultados finales:

Resolver las 3 ecuaciones con 3 incógnitas:

P + 200 Vp = 161.280

P + 600 Vm = 120.960

P= 50 x (Vp+Vm) + 9.576

Donde:

Vp = (161.280-P) / 200

Vm = (120.960-P) / 600

Sustituyendo en P = 50 x (Vp+Vm) + 9.576

P= 50 x ((161.280-P)/200) + ((120.960-P)/600) + 9.576

Igualando denominadores deja como resultado final:

600 P = 50 x (604.800-4P) + 5.745.600

800 P = 35.985.600 donde P=35.985.600/800= 44.982 Kcal/h = 52.3 Kw

Vp = (161.280-44.982) / 200 = 581.49 l

Vm = (120.960-44.982)/600=126.63 l

Donde el V= Vp + Vm

V= 581.49 + 126.63 = 708,12 l de volumen de acumulación

Aplicando un sobredimensionamiento del 10% obtendremos un volumen de 787 l para una potencia de 49.980 Kca/h.

Desde E-ficiencia esperamos que estos cálculos les puedan ser útiles en sus futuras instalaciones de ACS.

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