ÁREA TÉCNICA
TITULACIÓN DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y
TELECOMUNICACIONES
Diseño, implementación, y, evaluación del desempeño de un sistema
termosolar para provisión de agua caliente sanitaria a la cafetería UTPL.
TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN
AUTOR: Obaco Córdova, Franklin Ronald
DIRECTOR: Jaramillo Pacheco, Jorge Luis, Ing.
LOJA - ECUADOR
CERTIFICACIÓN
Ingeniero.
Jorge Luis Jaramillo Pacheco.
DIRECTOR DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA
Y TELECOMUNICACIONES DE LA UTPL.
CERTIFICA:
Que el presente trabajo, denominado: “Diseño, implementación, y, evaluación del
desempeño de un sistema termosolar para provisión de agua caliente sanitaria a la cafetería
UTPL” realizado por el profesional en formación: Franklin Ronald Obaco Córdova; cumple
con los requisitos establecidos en las normas generales para la Graduación en la
Universidad Técnica Particular de Loja, tanto en el aspecto de forma como de contenido, por
lo cual me permito autorizar su presentación para los fines pertinentes.
Loja, julio de 2013
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS
“Yo Franklin Ronald Obaco Córdova declaro ser autor del presente trabajo y eximo
expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales de
posibles reclamos o acciones legales
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 67 del Estatuto Orgánico de
la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice:
“Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones,
trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con el apoyo
financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”
f. ...
DEDICATORIA
Quiero dedicar estas letras a DIOS, a
Uds., José y María –mis padres- y
también a Uds., “Diómedes y Nelly” -mis
hermanos-. Decirles que luego del
pequeño que vieron crecer, les guardo un
profundo respeto y cariño, sencillamente
porque se lo merecen saben!.. ¡Espero
que la vida nos traiga muchas más
anécdotas que las ya vividas!..
GRACIAS POR TODO
AGRADECIMIENTO
A los docentes de la Titulación de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones, decirles
que les guardo sincero respeto y estima a todos Uds., por el hecho de ser parte de alguna
manera de lo que el día de hoy culmina.
Agradezco de manera especial al Ing. Carlos Calderón e Ing. Jorge Jaramillo (gracias por su
don de gente, enseñanza en las aulas, y, sus llamadas de atención), ya que sin la ayuda de
ambos, no habría concluido la presente tesis.
A mis compañeros de aula, porque fueron las personas con quienes sobrellevamos
amanecidas, horas de estudio y una vida estudiantil. De manera especial a aquellos con los
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CERTIFICACIÓN ... II
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS ... III
DEDICATORIA ... IV
AGRADECIMIENTO ... V
ÍNDICE DE CONTENIDOS ... VI
LISTA DE FIGURAS ... VIII
LISTA DE TABLAS ... X
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
INTRODUCCIÓN ... 3
CAPÍTULO I ... 4
1. PREDISEÑO DE UN SISTEMA TERMOSOLAR PARA PROVISIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA A LA CAFETERÍA UTPL ... 4
1.1 Introducción ... 5
1.2 Estado del sistema de provisión de acs a la cafetería utpl, a enero de 2010 ... 5
1.3 Prediseño de un nuevo sistema de provisión de acs para la cu ... 5
1.3.1 Requerimientos básicos de diseño. ... 7
1.3.2 Arquitectura propuesta para el nuevo sistema. ... 7
CAPÍTULO II ... 10
2. DISEÑO DE UN SISTEMA TERMOSOLAR PARA PROVISIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA A LA CAFETERÍA UTPL ... 10
2.1 Introducción ... 11
2.2 Diseño del bloque termosolar ... 11
2.2.1 Cálculo de los colectores solares. ... 11
2.2.1.1Generalidades del método F-Chart. ... 12
2.2.1.2Algoritmo para aplicar el método F-Chart. ... 13
2.2.1.3Cálculo del área efectiva de los colectores solares, aplicando el método F-Chart. . ... 16
2.2.2 Cálculo del termotanque. ... 19
2.2.3 Sobre la bomba de circulación. ... 19
2.3 Diseño del bloque de control ... 20
CAPITULO III ... 22
CALIENTE SANITARIA A LA CAFETERÍA UTPL ... 22
3.1 Introducción ... 23
3.2 Implementación del sistema híbrido para provisión de acs a la cu utpl ... 23
3.2.1 Descripción general de la instalación del sistema. ... 23
3.2.2 Operación del sistema. ... 24
3.3 Upgrade del sistema híbrido termosolar – glp. ... 28
CAPITULO IV ... 31
4. EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DEL SISTEMA TERMOSOLAR PARA PROVISIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA INSTALADO ENLA CAFETERÍA UTPL... 31
4.1 Introducción ... 32
4.2 Paradigma propuesto para evaluar el desempeño del sistema instalado ... 32
4.3 Metodología de evaluación del desempeño del sistema instalado ... 32
4.4 Monitoreo del sistema instalado y resultados obtenidos ... 34
4.4.1 Resultados obtenidos en la primera fase. ... 35
4.4.2 Resultados obtenidos en la segunda fase. ... 36
4.5 Valoración financiera de los resultados ... 38
CONCLUSIONES ... 40
RECOMENDACIONES ... 41
TRABAJOS FUTUROS ... 42
REFERENCIAS ... 43
ANEXOS ... 47
ANEXO 1. ESQUEMA DEL SISTEMA DE PROVISIÓN DE ACS EN LA CAFETERÍA UNIVERSITARIA A ENERO DE 2010. ... 48
ANEXO 2. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL SISTEMA HÍBRIDO EN LA CU A ENERO DE 2010. ... 50
ANEXO 3. ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA HÍBRIDO TERMOSOLAR – GLP PARA PROVISIÓN DE ACS A LA CU. ... 52
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1.1. Esquema del sistema de provisión de ACS en la CU a enero de 2010 [3]... 6
Fig. 1.2. Arquitectura del sistema híbrido de provisión de ACS propuesto para implementación en la Cafetería [3]. Elaboración equipo de trabajo. ... 7
Fig. 2.1. Esquema estándar de un sistema termosolar para calentamiento de agua. Tomado de DUFFIE J.A.(+), BECKMAN W.A, “Solar Engineering of Thermal Processes", 1991, New York, John Wiley & Sons, 3ra Edición, pág. 675. ... 12
Fig. 2.2. Energía absorbida (Y) vs pérdidas por reflexión (X) en colectores solares. Tomado de DUFFIE J.A.(+), BECKMAN W.A, “Solar Engineering of Thermal Processes", 1991, New York, John Wiley & Sons, 3ra Edición, pág. 672. ... 13
Fig. 2.3.Parámetros f para áreas efectivas de 16; 14; 12; 10,5 y 8 m2. ... 17
Fig. 2.4. Valores promedios de la fracción de carga calorífica anual transformada a partir de energía solar, para áreas efectivas de 16, 14, 12, 10.5, y, 8 m2 (de izquierda a derecha). ... 19
Fig. 3.1. Vista general del sistema híbrido termosolar – GLP para provisión de ACS a la CU. ... 24
Fig. 3.2. Estructura general del sistema híbrido termosolar – GLP para provisión de ACS a la CU instalado. Diseño de los autores. ... 25
Fig. 3.3. Algoritmo de operación del bloque de control del sistema híbrido para provisión de ACS en la CU. Diseño de los autores. ... 26
Fig. 3.4. Vista general del bloque de control del sistema híbrido para provisión de ACS en la CU... 26
Fig. 3.5. Esquema general del circuito hidráulico para provisión de ACS a la CU.. ... 27
Fig. 3.6. Estado del sistema de provisión de ACS a la CU en noviembre de 2012. ... 28
Fig. 3.7. Estado del sistema de provisión de ACS a la CU, luego del mantenimiento correctivo mayor. Fotografía de autores ... 29
Fig. 3.8. Instalación del sensor TA-1, para registro de la temperatura del agua a la entrada del sistema de provisión de ACS a la CU. Fotografía de los autores. ... 29
Fig. 4.1. Variación horaria de la temperatura del agua a la salida del bloque de colectores solares, Ts, el 9 de marzo de 2011. ... 35
Fig. 4.2. Variación horaria del consumo de GLP el 9 de marzo de 2011. ... 35
Fig. 4.3. Demanda horaria de ACS, el 9 de marzo de 2011. ... 36
Fig. 4.5. Formato de transferencia de la data Ts y To, desde el PLC a un PC, visto desde
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1 Aproximación de la demanda diaria de ACS en la CU, a enero 2010. ... 6
Tabla 1.2. Proyección de la demanda semanal de ACS en la CU, a enero de 2010. ... 6
Tabla 1.3. Estimación del gasto en GLP en la CU, a enero de 2010. ... 6
Tabla 1.4. Características de colectores solares disponibles en el mercado, en enero de 2010. ... 8
Tabla 1.5. Variables a gestionar por el bloque de control del sistema híbrido a diseñar. ... 8
Tabla 1.6. Elementos requeridos para el bloque de control del sistema híbrido a diseñar. ... 8
Tabla 2.1. Nivel mensual de radiación global en la ciudad de loja. ... 17
Tabla 2.2. Significado numéricos de las variables (superficies útiles de colectores) ... 17
Tabla 2.3. Características de los colectores solares fabricados por lojagas. ... 19
Tabla 2.4. Variables a gestionar por el bloque de control del sistema híbrido. ... 20
Tabla 2.5. Algoritmo de control. ... 20
Tabla 3.1. Componentes instalados en el bloque de control ... 24
Tabla 3.2. Estados de electroválvulas durante la operación del bloque de control ... 27
Tabla 3.3. Elementos de monitoreo y control del sistema híbrido. ... 27
Tabla 3.4. Propuesta para ampliar la capacidad de monitoreo del sistema ... 30
Tabla 4.1. Frecuencia de lectura de las variables descriptivas del funcionamiento del sistema híbrido de provisión de ACS a la CU. ... 34
Tabla 4.2. Aporte de energía del sistema híbrido el 09/03/2011. ... 36
Tabla 4.3. Información disponible para el cálculo del aporte energético del sistema ... 37
Tabla 4.4. Aporte de energía del sistema híbrido el 25/04/2013 ... 38
Tabla 4.5. Valoración financiera de la energía aportada el 09/03/2011 ... 38
Tabla 4.6. Valoración financiera de la energía aportada el 25/04/2013 ... 38
RESUMEN EJECUTIVO
Este trabajo forma parte de las iniciativas impulsadas por la Sección de Energía y
Electrónica SEE del Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica DCCE de la
UTPL en el campo de las energías no convencionales. Desde inicios de funcionamiento, la
provisión de Agua Caliente Sanitaria (ACS) en la Cafetería UTPL (CU) ha requerido la
utilización de un sistema basado en GLP (Gas Licuado de Petróleo). En el presente
documento, se mencionan las etapas de: diseño, implementación y evaluación de un
sistema termosolar añadido al sistema GLP ya instalado, ya con el fin de compensar la
demanda de ACS, cuya implementación en forma conjunta se denominó “sistema híbrido
termosolar – GLP”. Adicionalmente, con el fin de cuantificar de manera cualitativa y
cuantitativa el aporte energético provisto desde el sistema termosolar, se desarrolló una
metodología de evaluación, para calificar el desempeño del sistema.
PALABRAS CLAVES Ingeniería de la Energía Solar, Colectores Solares, ACS (Agua
ABSTRACT
This project belongs to the initiatives carried by the Electronics and Energy Section SEE
(Sección de Energía y Electrónica, due to native language) from the Electronics and
Computer Sciences Department DCCE (Departamento de Ciencias de la Computación y
Electrónica, due to native language) at UTPL (Universidad Técnica Particular de Loja) in the
field of renewable energy. Since beginning of operation, the Hot Water Supply HWS in the
Cafeteria UTPL CU has required a system based on LPG (Liquefied Petroleum Gas). This
project worked on the design, implementation, and evaluation of a thermosolar system added
to the system already installed, in order to offset the HWS demand and decrease the LPG
demand, the implementation was named “LPG – thermosolar hybrid system”. To quantify the
energetic contribution from thermosolar system in a qualitative and quantitative way, an
assessment methodology was developed to qualify the system performance.
Keywords— supply of solar hot water, hybrid systems, thermosolar systems, LPG –
thermosolar hybrid systems, solar collectors, f-chart method, HWS Systems, HWS Hybrid
Systems, Solar Water Heating Systems (SWH Systems), Solar Hot Water Systems (SHW
INTRODUCCIÓN
La energía, el medio ambiente, y, la economía han definido desde siempre, las condiciones
y la calidad de vida del ser humano. Esta interrelación se vuelve más evidente en períodos
de crisis. La situación de degradación del medio ambiente y las dificultades económicas
actuales, han obligado a prestar mayor atención a la manera en que generamos y utilizamos
la energía [1] [2].
En este contexto, la Universidad Técnica Particular de Loja UTPL, a través de la Sección de
Energía y Electrónica SEE del Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica
DCCE, ha impulsado el aprovechamiento de fuentes no convencionales de energía para
cubrir la demanda de procesos propios de la gestión del campus universitario.
En enero de 2010, con el apoyo del Rectorado, se puso en marcha una iniciativa para
proveer de agua caliente sanitaria ACS a la cafetería universitaria CU, cuyos resultados se
explican en este trabajo.
En el primer capítulo, se describe el sistema de provisión de ACS a la CU en enero de 2010,
establece las condiciones preliminares para el diseño de un nuevo sistema de provisión de
ACS, y, plantea una propuesta para la implementación de un sistema híbrido termosolar –
GLP para provisión de ACS.
En el segundo capítulo, se propone el diseño de un sistema para provisión de ACS en la
CU, basado en una arquitectura híbrida termosolar – GLP y describe el diseño de cada uno
de sus componentes.
En el tercer capítulo, se explica la instalación, y, operación de un sistema para provisión de
ACS en la CU, construido con una arquitectura híbrida termosolar – GLP.
En el cuarto capítulo, se describe la metodología propuesta para una evaluación básica del
desempeño del sistema híbrido termosolar-GLP, instalado para provisión de ACS a la CU; y,
CAPÍTULO I
1. PREDISEÑO DE UN SISTEMA TERMOSOLAR PARA PROVISIÓN DE AGUA
1.1 Introducción
En este capítulo, se describe el sistema de provisión de ACS existente en la CU en enero de
2010, se definen los requerimientos de diseño de un nuevo sistema, y, se explican los
detalles del prediseño del nuevo sistema.
1.2 Estado del sistema de provisión de acs a la cafetería utpl, a enero de 2010
A enero de 2010, la CU se abastecía de ACS a través de un sistema de GLP, que por
diversos motivos no era operativo la mayor parte del tiempo.
El sistema estaba conformado por 2 calefones automáticos Instamatic de 28 l; 2
contenedores para almacenamiento de agua A.O Smith modelo MSG50241, de 175 l; y, una
bombona de 4m3 de GLP industrial para aprovisionamiento. El sistema abastecía a 9
lavaplatos. La Fig.1.1 muestra un esquema del sistema descrito.
Durante la operación, el agua ingresaba al sistema con una temperatura media de 19°C
(medidos a las 12h00 de un día promedio), y, salía a 41°C (en los lavaplatos).
Al no existir registros de la demanda diaria de ACS en la CU, el equipo de trabajo aproximó
la demanda a través de entrevistas y observaciones directas. De acuerdo a los resultados
mostrados en la Tabla 1.1, de un total de 1.98 m3 demandados, al lavado de vajilla se
destinaba 1.60 m3, mientras que los restantes 0.38 m3 se empleaban en usos varios. La
demanda semanal de ACS en la CU se estimó considerando un consumo uniforme de agua
en todos los días laborables (ver Tabla 1.2).
En función de la demanda de ACS, con ayuda de personal de LojaGAS, empresa interesada
en la iniciativa, se estimó el gasto semanal, mensual, y, anual en GLP (ver Tabla 1.3).
1.3 Prediseño de un nuevo sistema de provisión de acs para la cu
Con la intención de dotar a la CU de un sistema de provisión de ACS operativo, y, que
aproveche una fuente de energía renovable, se propuso diseñar e implementar un sistema
híbrido que conjugue las bondades de un módulo termosolar y aproveche el módulo de GLP
Fig. 1.1. Esquema del sistema de provisión de ACS en la CU a enero de 2010 [3]
Elaboración equipo de trabajo.
Tabla 1.1. Aproximación de la demanda diaria de ACS en la CU, a
enero 2010.
Horario Usuarios [u]
ACS para el lavado de vajilla [l]
ACS otros usos [l]
Total ACS [l]
7:00 a 8:00 140 140
8:00 a 9:00 30 60 60
9:00 a 10:00 80 160 160
10:00 a 11:00 125 250 250
11:00 a 12:00 125 250 250
12:00 a 13:00 80 160 140 300
13:00 a 14:00 80 160 160
14:00 a 15:00 25 50 50
15:00 a 16:00 25 50 30 80
16:00 a 17:00 30 60 60
17:00 a 18:00 100 200 200
18:00 a 19:00 75 150 70 220
19:00 a 20:00 25 50 50
TOTAL 800 1.600 380 1.980
Elaboración equipo de trabajo.
Tabla 1.2. Proyección de la demanda
semanal de ACS en la CU, a enero de 2010.
Días Volumen de ACS [l]
Lunes 1.600
Martes 1.600
Miércoles 1.600
Jueves 1.600
Viernes 1.600
Sábado 320
Tabla 1.3. Estimación del
gasto en GLP en la CU, a enero de 2010.
Ítem Inversión Kg de GLP $ 0,80 Semanal $ 24,00 Mensual $ 96,00 Anual $ 1.152,00
Elaboración equipo de trabajo. 1.3.1 Requerimientos básicos de diseño.
Ante la ausencia de información confiable que permita estimar la demanda de ACS a
satisfacer con el nuevo sistema, se planteó que al menos la tercera parte de la población del
campus universitario frecuentaría la CU diariamente. Considerando que la bibliografía [4]
recomienda una provisión diaria mínima de ACS de 2 l/persona, entonces la demanda de
diseño se estableció en 1200 l/día.
De acuerdo al criterio del personal de la CU, la temperatura del agua en los lavaplatos se
predeterminó en 44°C.
1.3.2 Arquitectura propuesta para el nuevo sistema.
El equipo conformado por técnicos de la SEE del DCCE y de la empresa LojaGAS, llegó a
un acuerdo sobre la arquitectura factible para el sistema a diseñar e implementar. Se
propuso construir un sistema híbrido de provisión de ACS, funcionalmente constituido por un
bloque termosolar, un bloque de control, y, un bloque de GLP (ver Fig.1.2).
Fig. 1.2. Arquitectura del sistema híbrido de provisión de ACS propuesto para
implementación en la Cafetería [3].
El bloque termosolar debía permitir la captura del calor del Sol, y, la elevación de la
temperatura del agua proveniente de la red pública. Este bloque estaría conformado por
colectores solares, un termotanque, y, una bomba de recirculación. El análisis comparativo
de la tecnología de colectores solares disponible en el mercado en enero de 2010 (ver Tabla
1.4), llevó a decidir la utilización de colectores de placa plana, considerando su capacidad,
superficie útil, rendimiento, y, peso.
Tabla 1.4. Características de colectores solares disponibles en el
mercado en enero de 2010.
Tecnología Colector de Placa Plana[5]
Colector de Tubos al Vacío[5]
Colector
Semiesférico de Tubos
Corrugados[6] Modelo Helioselec 234 DF120-6 IPESOL
Rendimiento 0,48 0,74 1
Capacidad 468 l/h 179,9 l/h 100 l/h Dimensiones 2.153 x 1.093 mm 2.923 x 842 mm 860 x 860 mm Superficie util 2,142 m2 1,799 m2 0,5027 m2
Peso 44 Kg 60 Kg 8 Kg
Costo 1.211,14 USD 2.680,74 USD 632,38 USD Elaboración equipo de trabajo.
Tabla 1.5. Variables a gestionar por el bloque de control del
sistema híbrido a diseñar.
Variables de entrada Ítem Designación Descripción
1 T-1 Temperatura del flujo de agua tomada a la salida del grupo colector solar (C-2).
2 T-2
Temperatura del flujo de agua tomada a la salida del tanque de almacenamiento principal (E-1). Es la temperatura del agua caliente a entregar a su circuito de flujo.
5 T-u Temperatura deseada en el circuito de flujo de agua caliente.
Variables de salida Ítem Designación Descripción
1 V-1
Señal de activación de la válvula que permitirá el funcionamiento del Calefón a gas (C-1). El estado de V-1 será el negado de V-2 y V-4.
2 V-2
Señal de activación de la válvula que permitirá el paso del agua calentada por el Calefón solar (C-2). El estado de V-2 será el negado de V-1 y V-3.
3 V-3
Señal de activación de la válvula que permitirá el funcionamiento del Calefón a gas (C-3). El estado de V-3 será el negado de V-2 y V-4.
4 V-4
Señal de activación de la válvula que permitirá el paso del agua calentada por el Calefón solar (C-2). El estado de V-4 será el negado de V-1 y V-3.
5 B-1
El bloque de control debía facilitar la selección del modo de operación entre dos estados
posibles: solar-térmico y térmico. En el primer estado, se consideraría que el sistema
proporcionaría ACS a costa del bloque termosolar, y, que se apoyaría en el bloque de GLP
para suplir picos de demanda. En el segundo estado, la provisión de ACS sería
completamente dependiente del bloque de GLP. En la Tabla 1.5, se aproximan las variables
de entrada y salida aproximadas para el sistema, que deberían ser manipuladas por el
bloque de control. La Tabla 1.6 resume los elementos identificados para el bloque de
control. El bloque de GLP debía aprovechar las instalaciones existentes.
Tabla 1.6. Elementos requeridos para el bloque de
control del sistema híbrido a diseñar.
Cantidad Componente Características requeridas
1 Controlador
Mínimo 4 salidas de relay. Mínimo 2 entradas analógicas/RTD
HMI para visualización de variables y configuración de parámetros.
Entrada digital para establecer como bypass al calefón solar.
4 Sensores de temperatura
RTDs
Rango mínimo de medición: entre 10°C y 100°C
Acople mecánico NPT ½”
6 Electroválvulas
Acople PT ¾” ó ½”
Soportar temperaturas de hasta 100°C
Señal de activación AC.
1 Tablero de control
Mínimo 20x20cm (largo x ancho)
Metálico 1 Sistema de
monitoreo
CAPÍTULO II
2. DISEÑO DE UN SISTEMA TERMOSOLAR PARA PROVISIÓN DE AGUA CALIENTE
2.1 Introducción
El creciente costo económico y ambiental de los combustibles fósiles ha promovido el
desarrollo de fuentes renovables como alternativas energéticas. Entre las fuentes de energía
renovable de mayor potencial figura la energía solar, disponible en todo el mundo y
catalogada como un recurso universal que no tiene costo.
En respuesta al reto de aprovechar energía solar, desde la Sección de Energía y Electrónica
SEE del Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica DCCE de la UTPL, se
ha propuesto proyectos piloto como el diseño, implementación, y, evaluación del desempeño
de un sistema termosolar para provisión de agua caliente sanitaria ACS en la Cafetería
UTPL CU.
Sobre la base de los paradigmas de isomorfismo y determinismo de la Teoría General de
Sistemas [7], [8], [9], [10], y, considerando la necesidad de garantizar el abastecimiento
continuo de ACS a la CU, se ha propuesto diseñar y construir un sistema híbrido termosolar
– GLP [11], con una arquitectura conformada por tres bloques constitutivos: bloque
termosolar, bloque de control, y, bloque de GLP.
En este capítulo, se describe el diseño técnico de cada uno de los componentes del sistema
híbrido propuesto, a excepción del bloque de GLP por cuanto se decidió reutilizar el sistema
de calefones existente en la CU.
2.2 Diseño del bloque termosolar
El cálculo de los elementos del bloque termosolar se realizó con el apoyo de personal
técnico de la empresa LojaGAS, parte del equipo del proyecto. El bloque termosolar
contiene tres elementos: colectores solares, termotanque, y, potencialmente una bomba de
circulación.
2.2.1 Cálculo de los colectores solares.
La bibliografía muestra que existen diversos métodos para el cálculo de colectores solares
[12], [13], [14], [15]. De entre estos, se escogió emplear el denominado método F-Chart,
2.2.1.1 Generalidades del método F-Chart.
El método F- Chart, permite estimar el desempeño promedio (a largo plazo) de un sistema
termosolar. El método fue desarrollado por Sandfor Klein en 1976. El método propone
obtener la curva f de un sistema termosolar (ver Fig.2.1), y, sobre su base estimar el
desempeño del sistema. La curva f representa la fracción de carga calorífica mensual
transformada a partir de energía solar, y, está definida en función de dos parámetros: la
energía absorbida (ganancia), y, la pérdida por reflexión en el colector solar (ver Fig.2.2)
[15].
La precisión del método fue analizada por la Universidad de Colorado, comparando el
desempeño real de un sistema termosolar con el desempeño predicho por el método,
obteniendo un error máximo del 5% que ubica al método entre los de alto grado de fiabilidad
[18].
Fig. 2.1. Esquema estándar de un sistema termosolar para calentamiento de agua.
Fig. 2.2. Energía absorbida (Y) vs pérdidas por
reflexión (X) en colectores solares.
Fuente: Tomado de DUFFIE J.A.(+), BECKMAN W.A, “Solar Engineering of Thermal Processes", 1991, New York, John Wiley & Sons, 3ra Edición, pág. 672.
2.2.1.2 Algoritmo para aplicar el método F-Chart.
La información disponible en la bibliografía [19], permitió definir un algoritmo para aplicar el
método F- Chart:
• Estimación de la carga calorífica.
• Determinación de la energía absorbida y perdida en el colector.
• Cálculo de la ganancia total.
• Cálculo de pérdidas totales.
• Construcción de la gráfica f.
• Determinación de cobertura solar mensual.
• Determinación de cobertura solar anual.
• Construcción de tablas de desempeño.
La carga calorífica (Qa) se define como la cantidad de calor mensual que se
necesita para calentar agua, como lo muestra la expresión (2.1).
= ∗ ∗ ∗ − (2.1)
En dónde:
Q , es la carga calorífica mensual requerida para calentar el agua [J/mes].
C , es el calor específico del líquido calo-conductor utilizado en el proceso de
C, es el consumo diario de agua [l /día].
N, es el número de días del mes.
t , es la temperatura del agua caliente de acumulación [°C].
t , es la temperatura del agua en la red [°C].
La energía que absorbe el colector , la cual es trasformada en calor, se calcula a
través de la expresión (2.2).
= ∗ ´ ∗ !∗ (2.2)
En dónde:
es la energía que absorbe el colector solar [KJ].
S , es la superficie del captador [m2].
F´ τα , es un factor adimensional [19], que relaciona el parámetro eficiencia óptica
del captador solar, el ángulo de inclinación del colector solar (debido a la
latitud y longitud de su ubicación), y, un factor que relaciona el conjunto
colector solar-termotanque del sistema.
R!, es la radiación diaria media mensual incidente en la superficie de captación
del colector solar [KJ/m2*día].
N, es el número de días del mes.
La energía que se pierde en el colector ' , se determina por medio de la expresión
(2.3).
(= ∗ ´ )*∗ 100 − - ∗△/∗ 0!∗ 01 (2.3) En dónde:
( es la energía perdida por el colector solar [KJ]
S , es la superficie útil del captador [m2].
´ U3, es el factor de eficiencia del intercambiador de calor del colector solar,
llamado coeficiente global de pérdidas del captador, cuyo valor está asociado
intrínsecamente a un factor de disipación de calor [KJ/m2.°C.*s].
t4, es la temperatura mensual media del ambiente [°C].
△5, es el período de tiempo para el cual se analiza el proceso [s].
K1, es un factor adimensional de corrección para ACS [19], que relaciona la
temperatura mínima de ACS demandada por parte del usuario, la temperatura
promedio diaria del agua de la red de agua potable, y, la temperatura
promedio mensual ambiental del lugar de aplicación.
La ganancia del colector (D1) o energía solar útil proporcionada, relaciona la energía absorbida por la placa del colector utilizado y la carga calorífica Qa durante un mes, tal
como lo muestra la expresión (2.4) [19].
7!=8- 9í ;<= ;>? (= @ =@ /= 8A
BA
(2.4)
Las pérdidas totales en el colector (D2) debido a la reflexión de la luz solar, relacionan
las pérdidas de energía en el colector a determinada temperatura, con la carga calorífica CD
durante un mes (ver expresión 2.5) [19].
71=8- 9í ( ?>? (= @ =@ /= 8E
BA
(2.5)
A la fracción de carga calorífica mensual que se transforma en energía solar, se la conoce
como parámetro f. El cálculo de este parámetro, se realiza con ayuda de la expresión (2.6)
F = 1,029 7!− 0,065 71− 0,245 7!1+ 0,0018 711+ 0,02157!N (2.6)
La energía útil captada en un mes determinado (OP), se determina como el producto entre Q y CD (ver expresión 2.7).
R = F ∗ (2.7)
La relación entre la sumatoria de las coberturas solares mensuales (∑ CT), y, la sumatoria
de la demanda de cargas caloríficas (∑ CD), determina la cobertura solar anual del
colector (ver expresión 2.8).
UVWXY ZY[ \V][Y [^Z[] = ∑`abcdab B_
∑AabcAab BA
Las tablas de desempeño se construyen como la recolección histórica de los parámetros,
y, permiten una estimación temprana del desempeño de un colector solar determinado.
2.2.1.3 Cálculo del área efectiva de los colectores solares, aplicando el método F-Chart.
El área efectiva corresponde al área total de captación de energía solar. El área efectiva
puede calcularse buscando el máximo ahorro económico [20], conociendo la fracción de
masa de aire a la que se expone el colector [21], o, a partir del parámetro f promedio entre
varias superficies de prueba.
En el marco de este proyecto, se decidió utilizar el tercer paradigma. En función del espacio
físico disponible para la instalación final de los colectores, y, en base a la experiencia del
equipo técnico de LojaGAS, se propuso evaluar el desempeño de colectores solares con
áreas efectivas de 8, 10.5, 12, 14, y, 16 m2.
El algoritmo del método F-Chart se implementó en una hoja electrónica Excel. Los niveles
de irradiación total mensual (para los 12 meses del año), fueron obtenidos del Atlas de
Energía Solar editado por el CONELEC, considerando la radicación global [22] (ver Tabla
2.1). Los valores numéricos de las otras variables, se obtuvieron por observación directa y a
través de la consulta de tablas referenciales (ver Tabla 2.2). Como resultado, para cada área
efectiva, se determinó la relación ganancia vs pérdidas en el colector para cada mes del año
(ver Fig.2.3).
La Fig.2.4 muestra los valores promedios anuales del parámetro f para las diferentes áreas
efectivas exploradas. Considerando el desempeño del sistema a largo plazo, y, la inversión
requerida en colectores, se decidió seleccionar un área efectiva de 14m2. Al dividir este valor
entre la superficie de captación útil de los paneles disponibles en el mercado (2m2), se
calculó en 7 el número de colectores a instalar.
La fabricación del conjunto de colectores solares, fue asumida por la empresa LojaGAS. La
Tabla 2.1. Nivel mensual de radiación
global en la ciudad de loja. Atlas de energía solar CONELEC, 2008
Mes H (Wh/m2/dia) H (Wh/m2/s)
Enero 4000 14400000
Febrero 4500 16200000
Marzo 4500 16200000
Abril 4500 16200000
Mayo 4800 17280000
Junio 4800 17280000
Julio 4800 17280000
Agosto 5000 18000000 Septiembre 5000 18000000 Octubre 5000 18000000 Noviembre 5000 18000000 Diciembre 5000 18000000 Fuente: Tomado de [22]
Tabla 2.2. Significado numéricos de las variables utilizadas en la valoración del desempeño de
distintas superficies efectivas en los colectores.
Parámetro Unidades Valor
Temperatura del agua de red °C 17
Temperatura del agua caliente de acumulación °C 50
Constante de absorbancia-transmitancia, τα adimensional 0.75
Factor de utilización adimensional 6.3
Factor de eficiencia del intercambiador de calor del colector solar adimensional 1 Calor específico del líquido calo-conductor en el proceso de intercambio de calor J*Kg-1*°K-1 4187
Ángulo de inclinación del colector solar Grados
sexagecimales 13,5 Fuente: Tomado de [4]
Fig. 2.3. Parámetros f para áreas efectivas de 16; 14; 12;
10,5 y 8 m2.
0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Elaboración equipo de trabajo 0,7
0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
parámetros f - ae 14m2
0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
parámetros f - ae 12m2
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
parámetros f - ae 10.5m2
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2.2.2 Cálculo del termotanque.
Considerando el volumen de ACS definido en la fase de prediseño, se seleccionó un tanque
de acero inoxidable (debido a la resistencia que presenta el material ante la corrosión u
oxidación) de 800 l (valor identificado como el más cercano a la demanda de ACS de 1200
l/día), modelo ASTM A 304, tipo horizontal, con tapas elípticas, de 3600 KW térmicos
promedio, y, un rango de trabajo de 3.5 a 5 at.
Adicionalmente se previó una válvula de seguridad de 80 psi, conexiones macho/hembra de
acero inoxidable con roscas NPT, revestimiento térmico exterior, y, acabados en fibra de
vidrio contra la intemperie.
2.2.3 Sobre la bomba de circulación.
En la fase de prediseño [11] se propuso la instalación de una bomba de circulación, entre el
conjunto de colectores solares y el termotanque. Esta idea se desechó, al proponer que el
bloque termosolar funcione en base al principio de termosifón [23], [24].
Fig. 2.4. Valores promedios de la fracción de carga
calorífica anual transformada a partir de energía solar, para áreas efectivas de 16, 14, 12, 10.5, y, 8 m2 (de izquierda a derecha).
Elaboración equipo de trabajo
Tabla 2.3. Características de los colectores solares
fabricados por lojagas.
Característica Significado Eficiencia promedio 55% Eficiencia máxima 70% Temperatura máxima de salida
de ACS 70 °C
Temperatura de Estancamiento 75 °C
Aislamiento: Lana de vidrio Conductividad: 0.04 W/mºC Placa colectora Aluminio 0.5 mm espesor Fuente: Tomado de [4]
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 V a lo r p p ro m e d io
2.3 Diseño del bloque de control
El diseño del bloque de control fue responsabilidad del personal de la SEE del DCCE de la
UTPL. Este bloque se diseñó bajo el paradigma de garantizar el abastecimiento de ACS a la
CU, ya sea desde el bloque termosolar o desde el bloque de GLP, para lo que se aplicó una
metodología estándar: identificación de las variables de entrada y salida del sistema,
definición del algoritmo de control, e, implementación del bloque.
Al identificar el conjunto de variables a gestionar del sistema (ver Tabla 2.4), se registró una
variación con respecto a lo propuesto en la fase de prediseño [11], ya que se descartó la
señal B-5 correspondiente al estado de la bomba de circulación, eliminada del diseño.
La Tabla 2.5, resume el algoritmo de control propuesto, que coincide plenamente con el
propuesto en la fase de prediseño [11].
Tabla 2.4. Variables a gestionar por el bloque de control del
sistema híbrido.
.Variables de entrada Ítem Designación Descripción
1 T-1 Temperatura del flujo de agua tomada a la salida del grupo colector solar (C-2).
2 T-2
Temperatura del flujo de agua tomada a la salida del tanque de almacenamiento principal (E-1). Es la temperatura del agua caliente a entregar a su circuito de flujo. 5 T-u Temperatura deseada en el circuito de flujo
de agua caliente. Variables de salida Ítem Designación Descripción
1 V-1
Señal de activación de la válvula que permitirá el funcionamiento del Calefón a gas (C-1). El estado de V-1 será el negado de V-2 y V-4.
2 V-2
Señal de activación de la válvula que permitirá el paso del agua calentada por el Calefón solar (C-2). El estado de V-2 será el negado de V-1 y V-3.
3 V-3
Señal de activación de la válvula que permitirá el funcionamiento del Calefón a gas (C-3). El estado de V-3 será el negado de V-2 y V-4.
4 V-4
Señal de activación de la válvula que permitirá el paso del agua calentada por el Calefón solar (C-2). El estado de V-4 será el negado de V-1 y V-3.
Tabla 2.5. Algoritmo de control. Elaboración equipo de
trabajo.
N° Especificación
1 Si T-2 es menor que T-1 entonces se enciende la bomba de circulación B-1, caso contrario se apaga.
2
Si T-2 es mayor que T-u, las válvulas V-2 y V-4 se abren, V-1 y V-3 se cierran (activa el circuito perteneciente al calefón solar).
3
Si T-2 es menor que T-u, las válvulas V-1 y V-3 se abren, V-2 y V-4 se cierran
(activa el circuito perteneciente al calefón a gas).
4
T-u es regulada en el HMI por medio de un potenciómetro o por medio de pulsadores de incremento/decremento.
5
Estado selector:
Solar/Gas Modo automático de funcionamiento donde el sistema, según la temperatura, proporciona el agua caliente desde el sub-sistema basado en el calefón solar/gas.
Solar Off El sistema proporciona el agua caliente desde el sub-sistema basado en el calefón a gas. Off El sistema de suministro de agua caliente se apaga.
6
Si T-2 es menor a T-u en una proporción menor o igual al 10%, se abren V-2 y V-3, V-1 y V-4 se cierran. (activa la mitad del circuito perteneciente al calefón solar y la mitad del circuito perteneciente al calefón a gas)
CAPITULO III
3. INSTALACIÓN DE UN SISTEMA TERMOSOLAR PARA PROVISIÓN DE AGUA
3.1 Introducción
En este capítulo se describe la instalación y operación de un sistema termosolar para
provisión de agua caliente sanitaria ACS en la Cafetería Universitaria CU UTPL, basado en
una arquitectura híbrida termosolar – GLP [11], [25]
3.2 Implementación del sistema híbrido para provisión de acs a la cu utpl
3.2.1 Descripción general de la instalación del sistema.
El sistema se instaló en mayo de 2010, en la azotea de la CU (ver Fig.3.1), bajo
responsabilidad de la Sección de Energía y Electrónica SEE del Departamento de Ciencias
de la Computación y Electrónica DCCE, con el apoyo de la Dirección de Infraestructura de la
UTPL, y, de la empresa LojaGAS.
De acuerdo al diseño descrito en un trabajo anterior, el sistema híbrido termosolar - GLP
instalado, está conformado por tres bloques constitutivos: bloque termosolar, bloque de
control, y, bloque de GLP [25] (ver Fig.3.2). La instrumentación se instaló de acuerdo a los
requerimientos y características descritas en un trabajo anterior.
En el bloque termosolar, se instalaron 7 colectores de placa plana (con una conexión en
paralelo y un área útil de 14 m2), 1 termotanque, y, 1 sensor analógico de temperatura TA-2
(RTD PT100) (ver Fig.3.2).
En el bloque de control se estructuraron 2 sub-bloques: monitoreo y control. Se instaló 2
flujómetros analógicos para medir el caudal del ACS (FA-1 y FA-2) (ver Fig.3.2), y, con la
ayuda de 4 electroválvulas (EV1 - EV4), se conformó un circuito hidráulico para el flujo del
ACS. La Tabla 3.1 lista los elementos que conforman la estructura operativa del bloque de
control.
En el bloque de GLP, se reutilizó calefones, tanques de reserva, y, 2 contadores analógicos
de GLP (FG-1 y FG-2) que formaban parte del antiguo sistema de provisión de ACS.
La inversión en la adquisición e instalación del sistema híbrido para provisión de ACS a la
CU llegó a un aproximado de USD 11000, de los cuales 91% correspondió a la inversión en
Fig. 3.1. Vista general del sistema híbrido termosolar
– GLP para provisión de ACS a la CU.
Fotografía de los autores
Tabla 3.1. Componentes instalados en el bloque
de control.
Cantidad Detalle
1 Logo 12/24rc módulo lógico 8e/4s 12-24vdc siemens
1 Fuente de alimentación: 85 – 265 V.A.C, 24 V.D.C – 3A
1 Módulo de Expansión. p/pt-100 am2 siemens
1 RTD/PT-100, cabeza NPT 1/2", 100 a 250°C
4 Electroválvula p/uso general, 3/4", 10-80°C, 120 V.A.C
1 Gabinete metálico liviano: 30x30x16 cm
1 Varios: switch, cables, canaleta ranurada, terminales, etc.
Fotografía de los autores
3.2.2 Operación del sistema.
El agua de la red pública (a una temperatura To) ingresa al termotanque (de 800 l de
capacidad) a través del circuito de agua fría. Bajo el efecto termosifón, el agua almacenada
circula hacia los colectores solares en los que eleva su temperatura desde To a Ts, fluyendo
de regreso al termotanque y ocupando la parte superior de éste. La temperatura Ts es
registrada por el sensor TA-2, ubicado en la parte superior del termotanque (ver Fig.3.2).
Desde el termotanque, el ACS fluye hacia los tanques de respaldo (de 175 l de capacidad
cada uno), para luego ser enviada a los circuitos de aprovisionamiento (circuito 1 y circuito
2) (ver Fig.3.2). El volumen de ACS circulante en cada circuito de aprovisionamiento, es
Fig. 3.2. Estructura general del sistema híbrido termosolar – GLP para provisión de ACS a la CU
instalado.
Diseño de los autores.
El bloque de control permite al usuario predeterminar, para cada circuito, una temperatura
mínima requerida para el ACS (Tu1 para el circuito 1, y, Tu2 para el circuito 2).
La comparación entre la temperatura registrada por el sensor TA-2, y, la temperatura
mínima requerida por el (Tu1 y Tu2), reconfigura el circuito hidráulico de tal forma que los
circuitos de aprovisionamiento de ACS se alimenten desde el termotanque o desde los
calefones de GLP.
La Fig.3.3 resume el algoritmo de operación del bloque de control, y, la Fig.3.4 muestra una
vista del tablero sobre el que se implementó el bloque de control.
La Fig.3.5 muestra un esquema general del circuito hidráulico para provisión de ACS en la
CU, mientras que en la Tabla 3.2, se describe el estado de las electroválvulas del circuito
hidráulico durante la operación del sistema.
Las lecturas de los sensores TA-2, FA-1, FA-2, FG-1, y, FG-2, se utilizan tanto para
monitoreo del desempeño del sistema como para control del sistema. La Tabla 3.3, resume
Fig. 3.3. Algoritmo de operación del
bloque de control del sistema híbrido para provisión de ACS en la CU.
Diseño de los autores.
Fig. 3.4. Vista general del bloque de control del
sistema híbrido para provisión de ACS en la CU.
Fig. 3.5. Esquema general del circuito hidráulico para provisión de ACS a la CU.
Diseño de los autores.
Tabla 3.2. Estados de electroválvulas durante la
operación del bloque de control del sistema híbrido para provisión de ACS en la CU.
Modo de operación del sistema de provisión de ACS
Estado de las electroválvulas EV1 EV2 EV3 EV4
Termosolar-GLP
Ts > (Tu1 ^ Tu2) 1 0 1 0
Evalúa: Ts > (Tu1 v Tu2)
1 0 0 1 0 1 1 0 GLP Evaluación N.I* 0 1 0 1 *NI: No Importa.
Diseño de los autores.
Tabla 3.3. Elementos de monitoreo y control del sistema híbrido para provisión
de ACS en la CU.
N o ta c ió n M a g n it u d Pr in c ip io U n id a d R a n g o R e s o lu c ió n Va ri a b le m e d id a
TA-2 Temperatura RTD Pt100 / Sensor Analógico
o
C -100 a 200 0,1 °C Ts FA-1 Volumen de
ACS
De membrana / contador analógico
m3 0 a 99999 0,0001 m3 VA_1
FA-2 m3 0 a 99999 0,0001 m3 VA_2
FG-1 Volumen de GLP
Turbina de chorro / contador analógico
m3 0 a 9999 0,001 m3 VG_1
FG-2 m3 0 a 9999 0,001 m3 VG_2
3.3 Upgrade del sistema híbrido termosolar – glp.
Entre noviembre y diciembre de 2012, considerando la acumulación de sedimentos y otros
problemas ocasionados por la operación del sistema de provisión de ACS a la CU (ver
Fig.3.6), se realizó un mantenimiento correctivo mayor. Esta tarea se asignó a un profesional
en formación, bajo la coordinación del SEE DCCE y con apoyo de la Dirección de
Infraestructura de la UTPL.
Fig. 3.6. Estado del sistema de provisión
de ACS a la CU en noviembre de 2012.
Fotografía de los autores.
Como parte del mantenimiento correctivo mayor, se realizó la limpieza del emplazamiento, el
reemplazo de acoples universales, la limpieza interna y externa de los colectores solares, y,
la renovación del aislante en los colectores solares.
El 12 de Diciembre de 2012, se puso nuevamente el sistema en funcionamiento (ver
Fig.3.7). En esta fase, también se decidió realizar un upgrade del sistema. La Tabla 3.4 lista
los sensores (y sus características) propuestos para mejorar el monitoreo del desempeño
Al final, se decidió implementar un nodo de telemetría para monitorear los diversos sistemas
de aprovechamiento de energía de fuentes renovables implementados en el campus (como
se describirá en un trabajo posterior), con lo que el upgrade programado se limitó a la
instalación de un sensor analógico de temperatura TA-1 (utilizando una RTD PT-100), para
registro de la temperatura del agua a la entrada del sistema (ver Fig.3.8).
Fig. 3.7. Estado del sistema de provisión de ACS a la CU,
luego del mantenimiento correctivo mayor.
Fotografía de los autores.
Fig. 3.8. Instalación del sensor TA-1, para registro de la
temperatura del agua a la entrada del sistema de provisión de ACS a la CU.
Tabla 3.4. Propuesta para ampliar la capacidad de monitoreo
del desempeño del sistema.
Ítem Principio Elemento Características
Caudal
Magnético Inductivo-Compacto
caudales: min: 3lit/min. Máx: 62lit/min
Potencial Hidrogénico
Electrodo + Transmisor
Salida: 4-20 mA. Rango: 0-14 pH
Radiación
Solar Global Termopila
Almacenamiento de datos máx: 90 días. CLASE II
Radiación
Solar Directa Termopila
trta= 1s, ángulo de
apertura: 5 deg.
Datalogger
CAPITULO IV
4. EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DEL SISTEMA TERMOSOLAR PARA PROVISIÓN
4.1 Introducción
En mayo de 2010, en la cafetería universitaria CU de la UTPL, se instaló un sistema híbrido
termosolar – GLP para provisión de agua caliente sanitaria ACS, cuyo desempeño debe ser
analizado cualitativa y cuantitativamente.
Para cumplir con este objetivo, desde la Sección de Energía y Electrónica SEE del
Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica DCCE, se propuso definir una
metodología de fácil implementación que permitiera monitorear el funcionamiento de la
instalación, y, analizar los datos obtenidos a fin de calificar el desempeño del sistema.
En este capítulo, se describe la metodología propuesta, y, los resultados obtenidos.
4.2 Paradigma propuesto para evaluar el desempeño del sistema instalado
De acuerdo a trabajos similares [26], [27], [28], [29], el desempeño de sistemas basados en
el principio de termosifón, se valida tomando en cuenta variables como radiación solar,
presión en el termotanque, y, velocidad del fluido en las tuberías. Con esta información, se
calcula la energía térmica almacenada en el termotanque.
En el marco de este proyecto, considerando que no se dispone de la información requerida,
se decidió aproximar un criterio sobre el desempeño del sistema a través de la cuantificación
del aporte de energía de los colectores solares, como la cantidad de calor transferida al
agua para variar su temperatura entre To y Ts [30], expresado en unidades equivalentes de
GLP.
El paradigma propuesto será válido suponiendo que las pérdidas de energía térmica son
despreciables en los colectores solares (un alto factor de rendimiento), en el termotanque
(un proceso de intercambio de calor eficiente), y, en las tuberías del circuito hidráulico.
4.3 Metodología de evaluación del desempeño del sistema instalado
A partir del caudal de agua demandado, se estima el volumen de agua procesada en el
sistema, a partir de la expresión (4.1) [30], [31]:
En dónde,
V, es el volumen de agua, m3
C, es el caudal de agua, m3/s
t, es el tiempo de consumo, s
Considerando la densidad del agua a la temperatura de salida de los colectores solares, se
calcula la masa de agua, empleando la expresión (4.2) [32]:
h = ij1k∗ f (4.2)
En dónde,
m, es la masa de agua, Kg
ρn1o, es la densidad del agua, Kg/m3.
V, es el volumen de agua, m3.
Se considera el valor de la densidad del agua como un valor constante de 1000 Kg/m3. La
cantidad de calor que se transfiere del sistema termosolar al agua, se calcula a partir de la
expresión (4.3) [33]:
= h ∗ UX ∗ ∆q (4.3)
En dónde,
Q, es la cantidad de calor, Kcal.
m, es la masa de agua, Kg.
ce, es el calor específico del agua, Kcal/Kg * °C.
∆T, es la variación de temperatura del agua, °C.
Conociendo la cantidad de calor transferida desde el sistema, se determina la masa de GLP
necesaria para producir esa cantidad de calor, utilizando la expresión (4.4) [34]:
hu*v = /x (4.4)
En dónde,
my3z, es el flujo másico de GLP, Kg.
P, es el poder calorífico del GLP, Kcal/Kg.
Se considera que el poder calorífico del GLP, tiene un valor constante de 11884 Kcal/Kg
[35].
El volumen de GLP que se necesita quemar para obtener la cantidad de calor, se calcula a
partir de la expresión (4.5):
fu*v = hu*v/iu*v (5)
En dónde,
Vy3z, es el volumen de GLP, m3.
my3z, es el flujo másico de GLP, Kg.
ρy3z, es la densidad correspondiente al GLP, Kg/m3.
La densidad de GLP, en una composición propano-butano de 70-30%, es un valor
constante de 529,62 Kg/m3 en líquido, y, de 2,0429 Kg/m3 en vapor [35]. Por recomendación
del personal técnico de LojaGAS, para este proyecto, se consideró la densidad en líquido
[35].
Finalmente, se calcula el aporte económico del sistema, tomando en cuenta el valor en el
mercado, de cada Kg de GLP.
4.4 Monitoreo del sistema instalado y resultados obtenidos
Por razones de disponibilidad de recurso humano, el monitoreo de variables, se cumplió en
dos fases: entre octubre 2010 y mayo 2011; y, entre marzo y junio de 2013.
En la etapa de monitoreo, se registró los valores indicados por la instrumentación instalada
en el sistema [37], de acuerdo a la frecuencia de lectura descrita en la Tabla 4.1.
Tabla 4.1. Frecuencia de lectura de las variables descriptivas del funcionamiento del
sistema híbrido de provisión de ACS a la CU.
Variable Símbolo Unidad Rango de
medición Resolución
Frecuencia de lectura Temperatura de Entrada To °C 15 - 35 oC 0,1 °C 2 min Temperatura de Salida Ts °C 15 - 55 oC 0,1 °C 2 min
Volumen de Agua – C1 V_H20-C1 m3 Hasta 99999 m3 0,00001 m3 2 lecturas/día*
Volumen de Agua – C2 V_H20-C2 m3 Hasta 99999 m3 0,00001 m3 2 lecturas/día*
Volumen de GLP – C1 V_GLP-C1 m 3
Hasta 9999 m3 0,001 m3 2 lecturas/día* Volumen de GLP – C2 V_GLP-C2 m3 Hasta 9999 m3 0,001 m3 2 lecturas/día*
4.4.1 Resultados obtenidos en la primera fase.
De acuerdo a los resultados obtenidos, las mejores condiciones para evaluar la capacidad
real del sistema, se presentaron el miércoles 9 de marzo de 2011. En este día, no se
registró el consumo excesivo de ACS que había impedido una evaluación objetiva del
desempeño del sistema, desde su instalación.
La Fig. 4.1, describe la variación de la temperatura del agua, a la salida del bloque
termosolar, en función de la hora del día (los registros se obtuvieron manualmente, entre las
9h11 y las 17h53); mientras que la Fig. 4.2, muestra la demanda de GLP en los circuitos 1 y
2 [36].
Es claro que, el bloque termosolar aportó energía para provisión de ACS, en forma
autónoma, desde las 9h00 hasta las 15h00, hora en la cual el bloque de GLP empezó a
funcionar para alcanzar la temperatura del ACS requerida por el usuario. La Fig. 4.3,
muestra la demanda horaria de ACS (entre 09H00 y 17H00) en ese día.
Fig. 4.1. Variación horaria de la temperatura del agua a
la salida del bloque de colectores solares, Ts, el 9 de marzo de 2011.
Elaboración equipo de trabajo.
Fig. 4.2. Variación horaria del consumo de GLP el 9 de marzo
de 2011.
Fig.4.3. Demanda horaria de ACS, el 9 de marzo de 2011.
Elaboración equipo de trabajo.
El aporte energético del bloque de colectores solares en ese día, se calculó como la
sumatoria de los aportes parciales entre las 09H00 y 15H00, en intervalos de 30 min. Para
este cálculo se aplicó la metodología descrita (ver Tabla 4.2), y, ante la ausencia de un
medidor, se consideró que el agua de la red pública ingresó al sistema con una temperatura
de 13°C. La energía térmica aportada se calculó en 40011,8 Kcal.
Tabla 4.2. Aporte de energía del sistema híbrido el 09/03/2011. ∆t[s] Ts[°C] To[°C] ∆T[°C] V_H2O[m3] m[Kg] Q[Kcal]
09h00-09h30 56 13 43 0,0953 95,3 4097,9 09h30-10h00 56 13 43 0,06728 67,28 2893,0 10h00-10h30 54 13 43 0,12605 126,1 5168,1 10h30-11h00 50 13 41 0,11938 119,4 4417,1 11h00-11h30 44 13 37 0,04241 42,41 1314,7 11h30-12h00 42 13 31 0,05368 53,68 1556,7 12h00-12h30 43 13 29 0,09955 99,55 2986,5 12h30-13h00 43 13 30 0,17945 179,5 5383,5 13h00-13h30 42 13 29,5 0,04885 48,85 1416,7 13h30-14h00 37 13 29 0,15415 154,2 3699,6 14h00-14h30 35 13 24 0,15624 156,2 3437,3 14h30-15h00 26 13 22 0,28006 280,1 3640,8
TOTAL 40011,8
Elaborado por el equipo de trabajo
4.4.2 Resultados obtenidos en la segunda fase.
El sistema instalado en la CU, se sometió a tareas de rehabilitación y actualización en
diciembre de 2012. El monitoreo de variables se reactivó en marzo de 2013.
Como resultado de la actualización del sistema, se incluyó un sensor para la adquisición de
la variable To (temperatura del agua a la entrada del sistema).
Las mejores condiciones para evaluar la capacidad real del sistema, se presentaron el 25 de
abril de 2013. La Fig. 4.4 muestra la variación horaria de las variables To y Ts (entre las
10h36 y 18h24), registradas por el PLC de forma automática, con intervalos de 1 min. La
data se descargó a un PC, mediante conexión serial, en el formato mostrado en la Fig. 4.5.
0 50 100 150 200 250 300
A
C
S
[
l]
Fig. 4.4. Variación horaria de las variables Ts y To, el día 25 de mayo de 2013.
Elaboración equipo de trabajo.
Fig. 4.5. Formato de transferencia de la data Ts y To, desde el PLC a un PC, visto desde Excel
Microsoft.
Elaboración equipo de trabajo.
La información requerida para el cálculo del aporte energético del sistema, se complementó
con las lecturas en los contadores de GLP y en flujómetros para ACS (ver Tabla 4.3).
Tabla 4.3. Información disponible para el cálculo del aporte
energético del sistema instalado, el 25 de abril de 2013.
Hora To [°C]
Ts [°C]
V_GLP-C1
[m3]
V_GLP-C2
[m3]
V_H20-C1
[m3]
V_H20-C2
[m3] 10:38 19 31 419,576 613,908 212,85000 454,88463 12:49 21 33 419,576 613,909 213,23971 455,05330 18:35 19 27 419,576 613,911 214,01711 455,32180 Elaborado por el equipo de trabajo
La Tabla 4.4 resume el cálculo del aporte de energía del sistema instalado en la CU, el 25
de abril de 2013. Entre las 10h38 y las 18h35, el bloque termosolar elevó, en forma
autónoma, la temperatura de los 1,6043 m3 de ACS demandados en la CU. El aporte de
energía térmica se calculó en 15172,9 Kcal. Entre 10h38 y 12h49, el sistema aportó 6120,4
Kcal, mientras que, entre 12h50 y 18h35, entregó 9052,5 Kcal.
La demanda de GLP en ese día fue de 0,02 m3.
Tabla 4.4. Aporte de energía del sistema híbrido el 25/04/2013.
Hora Ts To ∆T m[Kg] #datos ∆m[Kg] ΣΣΣΣQ = ∆m*ce*∆T [Kcal] ACS -Provista [m3] 10:38 31 19 12
558,4 1
558,4/133 6120,4 0,5584 “…….” … ... ... .
12:49 30 24 6 133 “…….” … … …
1045,9 1
1045,9/343 9052,5 1,0459 “…….” … ... ... .
18:35 27 19 8 343
TOTAL 1604,3 476 15172,9 1,6043
Elaborado por el equipo de trabajo.
4.5 Valoración financiera de los resultados
Según la Administración de Energía de los EEUU [37], el precio internacional del GLP es de
980 USD/Tm, o, de 0,98USD/Kg. En nuestro país, de acuerdo a Petroecuador [38], el valor
de GLP industrial es de 0,93 USD/Kg.
En la primera fase de monitoreo, se estableció que el 9 de marzo de 2011, el sistema fue
capaz de aportar 40011,8 Kcal, equivalentes a la energía resultante de quemar una masa
de GLP de 3,37 Kg (ver Tabla 4.5).
En la segunda fase, se estableció que el 25 de abril de 2013, el sistema aportó 15172,9
Kcal, equivalentes a la energía resultante de quemar 1,27 Kg de GLP (ver Tabla 4.6).
Un análisis rápido del aporte de energía de cada uno de los bloques, en los días
seleccionados para observación en cada fase, muestra que el aporte de energía del bloque
solar para la provisión de ACS a la CU, puede variar entre el 3% y el 45% (ver Tabla 4.7).
Tabla 4.5. Valoración financiera de la energía aportada
por el sistema instalado el 09/03/2011.
Variables Símbolo Unidad Valores Cantidad de calor Q [Kcal] 40011,8 Poder calorífico de GLP P [Kcal/Kg] 11884 Flujo másico de GLP mGLP [Kg] 3,37 Densidad de GLP ρGLP [Kg/m3] 529,62 Volumen equivalente de GLP
V_GLP
Tabla 4.6. Valoración financiera de la energía aportada por
el sistema instalado el 25/04/2013.
Variables Símbolo Unidad Valores Cantidad de calor Q [Kcal] 15172,9 Poder calorífico de GLP P [Kcal/Kg] 11884,000 Flujo másico de GLP mGLP [Kg] 1,277 Densidad de GLP ρGLP [Kg/m3] 529,620 Volumen equivalente de GLP
V_GLP
[m3] 0,002 [lit] 2,411 Precio GLP en Ecuador V:GLP [USD/Kg] 0,93 Ahorro Económico A-E [USD] 1,187 Elaborado por el equipo de trabajo.
Tabla 4.7. Aportación energética del sistema híbrido termosolar
– glp. Elaborado por el equipo de trabajo
Provisión de Energía
Desde el bloque termosolar
Desde el bloque de GLP
Variables
Demanda GLP
[m3]
Masa equivalente de GLP [Kg] Demanda GLP [m3]
Masa equivalente
de GLP[Kg] FASE I
0,006 3,37 0,19 100,62 09/03/2011
% Aportación
energética
3% 97%
FASE II
0,002 1,277 0,003 1,588 25/04/2013
% Aportación
energética
45% 55%
CONCLUSIONES
En respuesta al reto de incorporar fuentes no convencionales a la provisión de energía
del campus San Cayetano de la UTPL, desde la Sección de Energía y Electrónica del
Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica de la UTPL, se propuso un
proyecto piloto de diseño, implementación, y, evaluación del desempeño de un sistema
híbrido termosolar GLP, para provisión de agua caliente sanitaria (ACS) en la Cafetería
UTPL (CU).
El sistema híbrido diseñado e implementado, proporciona ACS a la CU desde un bloque
termosolar funcionando por el principio de termosifón, que se apoya en un bloque de
GLP preexistente.
Habitualmente, el desempeño de los sistemas basados en el principio de termosifón, se
valida considerando variables como radiación solar, presión en el termotanque, y,
velocidad del fluido en las tuberías; información no disponible en este proyecto. Por esta
razón, se aproximó un criterio sobre el desempeño, en base a variables de fácil
apreciación como temperatura y volumen de ACS consumida. Se evalúa el desempeño
del sistema a través de la cuantificación del aporte de energía de los colectores solares,
como la cantidad de calor transferida al agua para variar su temperatura entre un valor
inicial y final, expresado en unidades equivalentes de GLP.
El paradigma propuesto es válido, suponiendo que las pérdidas de energía térmica son
despreciables en los colectores solares (un alto factor de rendimiento), en el
termotanque (un proceso de intercambio de calor eficiente), y, en las tuberías del
circuito hidráulico.
La cuantificación propuesta mostró que el aporte de energía del sistema, puede variar
entre el 3% y el 45%.
Creemos haber disminuido la demanda de GLP para la provisión de ACS a la CU. Esta
hipótesis se descartará solamente en la comparación del pago anual por concepto de
RECOMENDACIONES
Implementar medidas para minimizar la posibilidad de la presencia de la bacteria
legionella pneumophila en el termotanque. De acuerdo a investigaciones existentes,
TRABAJOS FUTUROS
Implementación de un nodo de monitoreo remoto para el sistema de provisión de ACS
en la CU.
Diseño, implementación y evaluación de un modelo para determinar el comportamiento
