Early Evaluation and Design of a Solar Hot Sanitary Water System for a Residential Property

Abstract

[ES] Este proyecto se enfoca en la evaluación y diseño de un sistema solar térmico para la producción de agua caliente sanitaria en una vivienda residencial. Se busca integrar sistemas solares térmicos en el hogar para proporcionar una alternativa sostenible a los métodos tradicionales de calentamiento de agua. La razón principal de este proyecto es la creciente necesidad de transicionar hacia fuentes de energía renovable para reducir el impacto ambiental de los métodos convencionales de generación de energía. La energía solar es abundante y accesible, lo que la hace adecuada para aplicaciones descentralizadas como los sistemas de agua caliente residencial. Este enfoque no solo promueve la eficiencia energética, sino que también contribuye a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.

El objetivo es diseñar un sistema que pueda complementar el sistema de calefacción existente, mejorando la eficiencia energética de la vivienda y reduciendo la dependencia de combustibles fósiles. También se pretende proporcionar a los propietarios de edificios una evaluación de la viabilidad de invertir en esta tecnología, teniendo en cuenta los beneficios medioambientales y económicos a largo plazo.

Para lograr estos objetivos, se realizará una serie de pasos específicos. Primero, se evaluará la ubicación de la vivienda en Valencia, España, para determinar la disponibilidad de energía solar y las condiciones climáticas locales. Esta evaluación incluirá un análisis detallado de las sombras proyectadas por edificios y árboles circundantes, así como la inclinación y orientación óptima de los colectores solares.

En segundo lugar, se calculará la demanda de energía térmica para satisfacer las necesidades de agua caliente de cuatro ocupantes. Este cálculo considerará factores como la temperatura del agua de entrada, la demanda diaria de agua caliente y la temperatura deseada del agua caliente. Se utilizarán datos de consumo histórico y normativas locales para obtener una estimación precisa de la demanda energética.

El tercer paso será el diseño del sistema solar. Esto incluirá la especificación de componentes clave como los colectores solares, sistemas hidráulicos y elementos de transferencia y almacenamiento de calor. Se diseñará un sistema que integre colectores solares con un acumulador híbrido para optimizar el uso del espacio y maximizar la eficiencia del sistema. Además, se asegurará que el fluido que circula por el circuito primario tenga propiedades térmicas adecuadas para evitar congelaciones y minimizar pérdidas de energía.

El sistema solar se diseñará para trabajar en conjunto con la caldera de gas natural existente, asegurando un suministro de agua caliente constante y eficiente. La caldera actuará como un sistema auxiliar para complementar la producción de agua caliente cuando la energía solar no sea suficiente, especialmente durante los meses de menor radiación solar. La separación de los circuitos de generación y consumo de calor minimizará el riesgo de contaminación bacteriana y facilitará el mantenimiento del sistema.

Se espera que el sistema solar propuesto logre proporcionar al menos el 60% de la energía necesaria para la producción de agua caliente sanitaria anual, según las regulaciones del Código Técnico de la Edificación (CTE). La implementación del sistema debería resultar en ahorros significativos en el consumo de gas natural y una reducción correspondiente en las emisiones de CO2. Además, la inversión en este tipo de instalación podría ser recuperada a lo largo de un periodo extendido, aproximadamente 28 años. Sin embargo, los beneficios de independencia energética, reducción de costos a largo plazo y apoyo gubernamental en forma de incentivos financieros hacen que la instalación sea una inversión atractiva y viable para los propietarios preocupados por la sostenibilidad y el medio ambiente.

[EN] This project focuses on the evaluation and preliminary design of a solar thermal system for producing domestic hot water in a residential home. The aim is to integrate solar thermal systems into the home to provide a sustainable alternative to traditional water heating methods. The main reason for this project is the growing need to transition to renewable energy sources to reduce the environmental impact of conventional energy generation methods. Solar energy is abundant and accessible, making it suitable for decentralized applications such as residential hot water systems. This approach not only promotes energy efficiency but also contributes to the reduction of greenhouse gas emissions.

The goal is to design a system that can complement the existing heating system, improving the home's energy efficiency and reducing dependence on fossil fuels. It also aims to provide building owners with an evaluation of the feasibility of investing in this technology, considering the long-term environmental and economic benefits.

To achieve these objectives, a series of specific steps will be carried out. First, the location of the home in Valencia, Spain, will be evaluated to determine the availability of solar energy and local climatic conditions. This evaluation will include a detailed analysis of the shadows cast by surrounding buildings and trees, as well as the optimal tilt and orientation of the solar collectors.

Secondly, the thermal energy demand to meet the hot water needs of four occupants will be calculated. This calculation will consider factors such as the inlet water temperature, daily hot water demand, and the desired hot water temperature. Historical consumption data and local regulations will be used to obtain an accurate estimate of energy demand.

The third step will be the design of the solar system. This will include the specification of key components such as solar collectors, hydraulic systems, and heat transfer and storage elements. A system that integrates solar collectors with a hybrid storage tank will be designed to optimize space usage and maximize system efficiency. Additionally, it will be ensured that the fluid circulating in the primary circuit has adequate thermal properties to prevent freezing and minimize energy losses.

The solar system will be designed to work in conjunction with the existing natural gas boiler, ensuring a constant and efficient hot water supply. The boiler will act as an auxiliary system to complement hot water production when solar energy is insufficient, especially during months of lower solar radiation. The separation of the heat generation and consumption circuits will minimize the risk of bacterial contamination and facilitate system maintenance.

The proposed solar system is expected to provide at least 60% of the energy needed for annual domestic hot water production, according to the regulations of the Technical Building Code (CTE). The implementation of the system should result in significant savings in natural gas consumption and a corresponding reduction in CO2 emissions. Moreover, the investment in this type of installation could be recovered over an extended period, approximately 28 years. However, the benefits of energy independence, long-term cost reduction, and government support in the form of financial incentives make the installation an attractive and viable investment for owners concerned with sustainability and the environment.