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Sistemas Híbridos para Calentamiento de Agua Residencial

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Grupo Industrial Saltillo, Negocio Calentadores

Lic. Jorge A. Ferro Gálvez

XIII Seminario de Ahorro de Energía, Cogeneración y Energía Renovable. Power Mex Clean Energy & Efficiency 2007

Sistemas Híbridos para Calentamiento de

Agua Residencial

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Calentamiento Global

Contribuyamos a salvar nuestro planeta

• El cambio climático es un hecho evidente. Los trastornos meteorológicos que se están

presentando en todo el mundo son un

ejemplo claro. Intensas lluvias, devastadoras sequías, violentos huracanes, ondas cálidas y frías cada vez más severas.

• La dependencia a las energías NO renovables

tiene que ser modificada, pues su

encarecimiento, así como los efectos al medio

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El aprovechamiento de las energías renovables.

• En la búsqueda de energías alternativas a la dependencia de los recursos fósiles, están sin duda las energías renovables, que provienen de fuentes inagotables, como el sol, el recurso renovable de mayor

potencial libre de costo.

• Crear vivienda sustentable, es ahora una prioridad. Por ejemplo, el uso de la energía solar en el calentamiento de agua sanitaria, contribuye a preservar nuestro medio

ambiente, además de generar importantes ahorros económicos.

La radiación solar, aunque es inagotable,

no mantiene un nivel constantea través de las diferentes épocas del año. Esta razón hace necesario contar con sistemas auxiliares de calentamiento de

agua que garanticen el

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Situación actual de Calentadores Solares en México

La práctica actual, es adaptar un calentador convencional ya sea de depósito o de paso pero éstos, al no estar diseñados para funcionar con un calentador solar, presentan varios inconvenientes:

Las emisiones contaminantes son superiores

La eficiencia energética es más baja (mayor consumo de gas)

Es necesario hacer diferentes adecuaciones a la instalación hidráulica que generan gastos y operaciones adicionales

Se debe encender manualmentecuando el sistema solar puro no fue suficiente y es necesario esperar para obtener agua caliente.

Se mantiene encendido todo el tiempo (piloto) y genera desperdicio de gas, emisiones contaminantes y disminución en el ahorro

Calentador solar con un boiler convencional de rápida recuperación

Calentador solar con un calentador convencional eléctrico. Alto costo de energía.

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Definición de un Sistema Híbrido para Calentamiento de Agua

Un sistema híbrido es aquel que utiliza dos o más fuentes de energía diferentes

para generación de agua caliente. Es un sistema integral que garantiza el buen funcionamiento de cada elemento para asegurar el confort del usuario en todo momento.

En los sistemas solares híbridos, se usa principalmente en conjunto, respaldos a base de base de gas LP o Natural y Eléctricos.

La ventaja de usar un sistema híbrido es que el conjunto solar no requiere

dimensiones exageradas para abastecer la demanda, incluso durante meses de baja radiación solar.

Estos sistemas utilizan la energía solar como fuente primaria de suministro, que junto a las otras fuentes mencionadas, garantizan el calentamiento de agua a toda hora, todos los días del año de manera eficiente.

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Pg Ps

EJEMPLO DE CONSUMO DE GAS POR CALENTAMIENTO DE AGUA EN UN AÑO:

Demanda de agua caliente: 220 Litros por día (4 baños simultáneos)

T1= Temperatura Inicial:18°C

T2= Temperatura Final:60°C

Ps= Demanda de Agua x Kcal requeridas para calentar el agua x diferencial de temperaturas (final-inicial) Ps= Energía transferida al agua= 9,240 Kcal/día

Pg= Energía transferida al agua /Eficiencia del calentador

Pg = Consumo de gas= 11,550 Kcal/día

Si fuera cubierta la demanda de 220 Lts diarios por energía solar

ahorraríamos el 100% del consumo de gas,pero en la práctica la radiación solar es variable, lo que obliga a cubrir estos periodos con un

calentador de respaldo de alta eficiencia.

Desempeño de un Sistema de Calentamiento

de Agua Convencional

EMISIONES GENERADAS POR CALENTAMIENTO DE AGUA EN UN AÑO = 1,119 Kg CO2/año*

*Cálculos realizados con base en gas LP

CONSUMO DE GAS EN UN AÑO= 356,554 Kg/año = $ 3,780 pesos al año* Pg:Consumo de

gas en kcal

E:Eficiencia del Calentador: 80%

Ps:Potencia o Energía transferida al agua en kcal

FACTORES QUE DETERMINAN EL CONSUMO DE GAS

CONSUMO DE GAS POR EL PILOTO EN UN AÑO= 89 Kg/año = $ 946 pesos al año*

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Sistemas Solares Híbridos Eficientes

El conjunto de Colector Solar + Tanque de Almacenamiento + Calentador de Respaldo deben tener la mejor configuración para maximizar el ahorro de gas:

• Colector Solarcon un 63%de eficiencia

• Tanque de almacenamientocon una pérdida de temperatura no mayor a 2°C, si la temperatura ambiente es menor a 8°C.

• Calentador de Respaldodebe tener una eficiencia mínima del 84% y sin piloto permanente.

Beneficios de un Sistema Solar Híbrido

1. Los ahorros anualesobtenidos con un sistema solar híbrido eficiente en el consumo de gas son de $ 2,910 pesos anuales.

2. Además de que se reducen las emisiones de CO2 al medio ambiente en 861 KgCO2al año

3. Elefecto del pilotoen el calentador de respaldo equivale a un ahorro de 89 Kg de gas LPal año que representan $ 946 pesos adicionales. Y reducción de emisiones de CO2al medio ambiente de 280 KgCO2al año.

4. Considerando una casa de 2 pisos y un costo de instalación de $1,600 pesos por m2, más el

costo del equipo vs los ahorros anuales de gas ($ 3,856 pesos);en menos de 6 años estará cubierta la inversión inicial.

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Sistema Convencional vs Sistema Solar

Siguiendo el mismo planteamiento para el calentamiento de 220 Lts de agua

GAS 356,554 Kg GLP/Año 285,243 Kg GLP/Año

421,584 Kcal/Año 320,573.42 Kcal/Año

Pg (Consumo de gas) Ps (Potencia ó Energía transferida al agua)

SOLAR

213,814 Kg GLP/Año 252, 811 Kcal/Año

La diferencia es de 71,428 kg de gas, la cual se tiene que cubrir con un calentador a gas, este debe ser de alta eficiencia y sin piloto para generar ahorros significativos para el usuario.

El diferencial entre 213,814 y 285,243 Kg GLP/Año es la energía faltante para calentar 220 Lts durante un año.

Beneficios del Sistema Híbrido Solar

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Beneficios del Sistema Híbrido Solar

Desempeño del Calentador de Respaldo de un Sistema Híbrido Solar

¿Consumo de gas? 13 L/min87% eficiencia 71,428 Kg/Año GLP

71,4289 Kg/Año GLP

0.87 = 82,1022 Kg/Año GLP = $ 870. 28 Pesos / Año Pg (Consumo de gas) =

Si el gasto en un sistema convencional es de $4,726 pesos por año, la diferencia vs un calentador de respaldo del sistema híbrido solar es de $ 3,856 pesos, lo cual representa un 82% de ahorro de gas en términos absolutos. Se obtiene el mismo porcentaje en cuanto a reducción de Emisiones de CO2.

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• Sistema de calentamiento de agua caliente por termosifón (Sistema pasivo o circulación natural)

Depende del principio básico de la física (convección) donde el agua caliente al perder densidad, asciende (eleva) y el agua fría desciende (cae). De esta manera el agua circula a través de los colectores y del tanque de almacenamiento. No son necesarias bombas o unidades de control.

• Sistema de calentamiento de agua por sistema activo o circulación forzada.

Utiliza bombas eléctricas y unidades de control para hacer circular el agua (u otro fluido conductor de calor) a través de los colectores solares y el tanque de

almacenamiento.

Tipos de Sistemas para Calentamiento de Agua

Descripción del Sistema

Sistema por termosifón (pasivo o circulación natural)

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¿Cómo funciona el Sistema Solar Híbrido

Pasivo o Termosifón?

Descripción del Sistema

Al disponer de agua caliente, el termotanque la suministrará al sistema de respaldo que al detectar temperatura suficiente, no se activará.

En caso de baja radiación solar o demandas adicionales de agua caliente a la proporcionada por el sistema solar puro, el respaldo se activará. De esta forma tendremos agua caliente disponible siempre y en cualquier época del año.

El tinaco debe estar al menos

1.5 msobre el nivel del suelo

Termotanque Salida agua caliente del colector a termotanque Colector Solar Sistema de respaldo Salida agua caliente Tinaco (agua fría) Agua caliente proveniente del termotanque Retorno de termotanque al Colector

(12)

Esquema de un sistema solar activo

Descripción del Sistema

¿Cómo funciona un Sistema Solar Híbrido

Activo o de Circulación Forzada?

La unidad de control medirá constantemente la temperatura de todo el sistema tomando la decisión de recircular el agua entre el colector solar y termotanque si existe diferencia de temperatura. (alta o baja temperatura en el colector)

En caso de demanda de agua caliente el termotanque enviará agua al calentador de respaldo, este sólo se activará si el agua no tiene la temperatura adecuada para el baño (40°C).

El calentador de respaldo se mantiene apago todo el tiempo, no tiene piloto.

Con sensores de seguridad que regulan la temperatura en el calentador de respaldo y el flujo de agua en las bombas de recirculación.

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Un Sistema Híbrido Integral de Termosifón

Calentador de respaldo sin piloto Capacidad de 6 L/min

Kit de conexiones Base o soporte

Termotanque 150 L

Sistema Híbrido Integral de Termosifón

Colector Solar Plano de 2 m2

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Garantiza agua calienteen todo momento y en cualquier época del año

Su sistema de respaldo a gasde última generación hace transparente la interfase sol-gas

Genera un ahorro superior al 80%en consumo de gas, de acuerdo a la zona geográfica y época del año

Con su sistema a base de energía solar,proporciona servicio para 3 duchas continuas

No necesita bombas o recirculadores

Aprovechamiento óptimo de radiación solar con temperaturas en colector de hasta 55°C, asegurando baños confortables.

Fácil instalación, soporte y kit de conexión incluido, para óptimo funcionamiento

El mejor costo beneficio que asegura un rápido retorno de inversión: estimado en 3 años.

Práctico, económico y confiable

Garantía de 5 años y una vida útil mayor a 20 años.

Diseñado para vivienda sustentable

y recomendado para hipotecas ecológicas

Primer Sistema Híbrido

de calentamiento de agua a

base de circulación natural

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Ahorros del Sistema solar híbrido Solei

Consideraciones:

-Con demanda de 3 duchas de manera continua -Flujo en regadera de 7 L/min

-Duración del baño 12 minutos -Temperatura 38°C

Desempeño del Sistema Híbrido Solar

0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00% 100.00% 120.00% Ene Feb Mar Abr May Jun Ju l Ago Sept Oct Nov D ic Anua l D.F. Guadalajara Monterrey

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Conexiones del Sistema Colector Solar Plano con Sputtering de 2.8 m2 Calentador de Respaldo Capacidad de 13 L/min Termotanque de Almacenamiento capacidad de 215 L Bombas de Recirculación Control Electrónico Sensores de Seguridad

Sistema Híbrido Integral de Circulación Forzada (Activo)

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Ahorros del Sistema solar híbrido Solar by Calorex

Desempeño del Sistema Híbrido Solar

Consideraciones:

-Con demanda de 4 baños simultáneos -Flujo en regadera de 7 L/min

-Duración del baño 12 minutos -Temperatura 38°C 0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00% 100.00% 120.00% Ene Feb Mar Abr May Jun Ju l Ago Sept Oct Nov D ic Anua l D.F. Guadalajara Monterrey

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En conclusión...

Las energías no renovables tienden a escasear y por lo tanto a encarecerse,

además de que dañan profundamente nuestro hábitat.

México goza de una envidiable radiación solar, la cual varía a lo largo del año y

de la ubicación geográfica.

El utilizar un calentador de agua que funcione a partir de energía solar es

altamente recomendable.

Sin embargo, y dadas las variaciones de radiación y demanda de agua, el

calentador solar no garantiza el abastecimiento total en el hogar.

Los productos híbridos integran tecnologías que buscan maximizar el

aprovechamiento de las energías renovables, además del confort esperado en el

hogar.

Las ventajas que ofrece un sistema híbrido son:

Garantía de siempre tener agua caliente, no importando la hora, época del

año, o la cantidad deseada

Ahorros de energía superiores al 80% en promedio anual.

Amigabilidad con el medio ambiente, al reducir las emisiones a la atmósfera

en un 80%.

Es necesario impulsar un cambio cultural que permita la preservación de la vida, sin

menoscabo de la economía personal y del confort esperado.

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Ejemplo de Desempeño del Colector Solar

Determinación de superficie para obtener 220 Lts de agua caliente por energía solar

S= Ps/ Epanel* R

S= Superficie de Colector Solar

Ps= Potencia ó Energía que se transfiere al Agua = 9,240 Kcal/día Epanel= Eficiencia del colector plano (63%)}

EJERCICIO DE 100% DE AHORRO ENERGÉTICO A TRAVÉS DE LA SUPERFICIE DEL COLECTOR EN EL D.F.:

R= Radiación solar máxima 20,700 KJ/m2- día= 4,945 Kcal/m2-día S= 9,240 Kcal/día / (0.63) * 4,945 Kcal/m2-día = 2.96 m2

Se requiere de una superficie de 2.96 m2 de colector solar para obtener un ahorro del 100% de gas en el D.F.

Beneficios del Sistema Híbrido Solar

EJERCICIO EN MONTERREY:

Radiación de Monterrey: 22,000 KJ/m2- dia

S= 9,240 Kcal/día / (0.63) * 5,255.8 Kcal/m2-día = 2.7 m2

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Beneficios del Sistema Híbrido Solar

Desempeño del Sistema Híbrido Solar

EJERCICIO DE AHORRO ENERGÉTICO POR SISTEMA SOLAR EN EL D.F.:

Radiación promedio en el D.F.= 17,700 KJ/m2-día

Superficie del Colector= 2.6 m2

Energía Obtenida = Superficie del Colector * Radiación promedio * Epanel (Eficiencia del colector Solar)

Energía Obtenida = 2,6 m2 * 4,228 Kcal/m2-día * 0.63

Energía Obtenida del Sol = 6,926 Kcal/día

Para calentar 220 Lts se requieren de 9,240 Kcal/día

La diferencia representa lo que cubrirá el calentador de respaldo, generando un 75% de ahorro de gas.

EJERCICIO DE AHORRO ENERGÉTICO POR SISTEMA SOLAR EN GUADALAJARA: Radiación promedio en Guadalajara= 20,000 KJ/m2-día

Superficie de Colector= 2.6 m2

Energía Obtenida = 2,6 m2 * 4,778 Kcal/m2-día * 0.63

Energía Obtenida= 7,826 Kcal/día

Para calentar 220 Lts se requieren de 9,240 Kcal/día

La diferencia representa lo que cubrirá el calentador de respaldo, generando un 85% de ahorro de gas.

Diferencia: 2,313 Kcal/día (25%)

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