ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Aplicaciones y Casos de éxito

Martin Guillaume

Ingeniero en Energía Solar

Centro de Desarrollo Energético Antofagasta, Universidad de Antofagasta

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T < 150 ºC

150 ºC < T < 500 ºC

T > 500 ºC

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• Temperatura < 150°C

• Producción de Agua Caliente Sanitaria : ACS

• Sistemas solares térmicos de baja temperatura: CAPTADORES

1. C

aptadores solares de placa plana sin cubierta transparente

2. Captadores solares de placa plana con cubierta transparente

3. Captadores solares de placa plana de alta eficiencia

4. Captadores de tubos de vacío

5. Captadores con concentración CPC

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Los elementos principales

que constituyen los Sistemas

Solares Térmicos:

• El Colector Solar

• El Intercambiador

• El Acumulador

• Las Bombas

Otros elementos necesarios son:

• sistema de control,

• tubería,

• válvulas,

• vaso de expansión,

• sensores de caudal, presión

y temperatura

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Los sistemas termosifón

DESCRIPCIÓN DE UN SST

Sistemas Indirectos

Fuente: http://energias-renovables-y-limpias.blogspot.com/

(6)

MERCADO

• La rentabilidad y la relativa sencillez de estos sistemas hacen

que su uso esté cada día más extendido, siendo previsible que su

implantación crezca al desarrollarse nuevos sistemas de

integración urbana y se implanten las nuevas normativas sobre

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MERCADO

En Chile hasta 2010

CST instalado por año

• Hasta 2004: 600m

2

• En 2005: 2500m

2

• En 2006: 3721m

2

• En 2007: 6307m

2

• En 2008: 7094m

2

• En 2010: 7937m

2

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MERCADO

En Chile de 2010 hasta 2013: La Franquicia Tributaria

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MERCADO

Cifras de las empresas ligadas a la Energía Solar Térmica en Chile:

• 81% que se ubican y operan en la región Metropolitana

• 9% en la V Región

• 4% en la II Región

• 3% en la VIII Región

• 1% en la X Región

• El 100% de estas empresas se dedica a la distribución y a la venta.

• El 90% también realiza la instalación.

• El 85% importa equipos y materiales, y el resto es de fabricación nacional.

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APLICACIONES

Aplicaciones posibles:

1. Agua caliente sanitaria (ACS)

2. Calentamiento agua piscinas

3. Calefacción

4. Enfriamiento

5. Calor para procesos

Dentro de la gran variedad de modelos de captadores se elegirá en

función de la aplicación a la cual sea destinado o las condiciones

climáticas donde esté situado.

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• Planos con

recubrimiento

• Con tubos de

vacío

• Placa plana sin

cubierta

Diferencia temperatura (Tcoll-Tamb)

http://www.archiexpo.es/prod/kingspan-solar/colectores-solares-termicos-planos-70015-907317.html

http://sunstar.cl/1_6_Tipos-de-equipos-solares.html

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¿Cómo funcionan los SST para producir Agua Caliente Sanitaria

(ACS)?

Elementos del sistema:

1. Colector Solar

2. Acumulador

3. Intercambiador Interno

4. Bomba recirculación

5. Centralita de control

6. Apoyo térmico

1 2 4 5 6 3

PRODUCCIÓN DE ACS

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¿Qué ventajas?

• Ahorro en combustible

• Reducción de emisiones de gases de efecto invernado

Ayuda a que el aire que respira sea más limpio

• Reduce la dependencia energética respecto a otro países

• Genera empleo y dinamiza la economía

• Aporta un gran valor añadido a la vivienda

PRODUCCIÓN DE ACS

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¿Qué ahorros se pueden lograr?

En chile, los Sistemas Solares Térmicos pueden producir del 30% al

75% de la demanda en Agua Caliente Sanitaria, según la zona

geográfica.

Ahorros anuales para una familia de 4 personas:

• CLP$ 180.000 al año en Calama

• CLP$ 160.000 al año en Antofagasta

• CLP$ 130.000 al año en Valparaíso

Fuente: ACESOL

(15)

PRODUCCIÓN DE ACS

La demanda de energía térmica del Agua Caliente Sanitaria (𝐸

_𝐴𝐶𝑆

) es la

cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura del caudal

consumida (𝐷

_{𝑇𝑟𝑒𝑓}

) desde la temperatura de entrada de agua fría (𝑇

_{𝑓𝑟𝑖𝑎}

)

hasta la temperatura de uso (𝑇

_𝑟𝑒𝑓

).

𝐸

_𝐴𝐶𝑆

= 𝐷𝑇𝑟𝑒

_𝑓

∙ 𝜌 ∙ 𝐶

_𝑝

∙ 𝑇

_𝑟𝑒𝑓

− 𝑇

_{𝑓𝑟𝑖𝑎}

𝐸_𝐴𝐶𝑆 : demanda de energía térmica [kJ/día]

𝐷_{𝑇𝑟𝑒𝑓} : consumo de ACS a la temperatura de referencia [l/día]

𝜌 : densidad del agua [kg/l]

𝐶_𝑝 : calor específico del agua [kJ/kg.K]

𝑇_𝑟𝑒𝑓 : temperatura de referencia de uso [K]

𝑇_{𝑓𝑟𝑖𝑎} : temperatura de agua de red [K]

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http://www.masters-energia-solar.com/2012/05/analisis-de-los-costes-en-instalaciones.html

Vida útil: 20 - 25 años:

-

Es la vida útil de un sistema solar si

se le cuide bien.

-

Es un ahorro económico hasta el fin

de la vida útil del sistema.

Operación y mantención:

-

Frecuencia: trimestral/anual

-

Limpieza captadores

Tiempo de retorno de la inversión:

-

Entre 3 a 8 años dependiendo de la

zona geográfica y del tipo de

colector utilizado

Algunos datos útiles

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¿Qué diferencia entre Colector solar plano y de tubo de vacío?

PRODUCCIÓN DE ACS

Coletor plano Colector de Tubos de vacío

Ventajas:

• Buena eficiencia

• La tecnología la mas usada • Vida útil larga (20 años)

Ventajas:

• Muy buena eficiencia

Mejor que los Colectores Planos • Menor ensuciamiento debido a su forma

redonda

• Gran disponibilidad en el mercado chileno • Alcanza temperaturas altas

Desventajas:

• Ensuciamiento Desventajas:• Muy frágil • Alto costo

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¿En qué consiste la Franquicia Tributaria de la ley 20.365?

Según la Ley, el beneficio tributario es imputado por la Empresa

Constructora ante el Servicio de Impuestos Internos como un descuento a

la declaración de impuesto a la renta de las empresas constructoras. Las

empresas podrán deducir de sus impuestos:

•

El 100% del valor del sistema con un tope de 31 UF para viviendas de

hasta 2000 UF

• El 40% del valor del sistema con un tope de 31 UF para viviendas de entre

2001 y 3000 UF

• El 20% del valor del sistema con un tope de 31 UF para viviendas de entre

3001 y 4500 UF

Fuente: ACESOL

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¿En qué consiste la Franquicia Tributaria de la ley 20.365?

Para acceder al subsidio, se exigirá que los sistemas solares tengan una cobertura

mínima correspondiente a la zona climática.

Fuente: ACESOL

PRODUCCIÓN DE ACS

Zona Climática Radiación Solar Global Media Anual (H) [kWh/m2_año]

Contribución Solar Mínima Exigida (CSM) [%] A 1948 ≤ H 75 B 1701 ≤ H ≥ 1948 66 C 1454 ≤ H ≥ 1701 57 D 1208 ≤ H ≥ 1454 48 E 961 ≤ H ≥ 1208 39 F 961 ≥ H 30

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¿La Franquicia Tributaria de la ley 20.365 en la II región?

2 Proyectos:

• Edificio Novo, La Torre N° 3002, Antofagasta

Zona climática A: Radiación solar anual = 2360kWh/m

2

_{; CSM=75%}

214 Viviendas: 50 de 1D ; 129 de 2D ; 35 de 3D

602 personas

Valor:

Todas las viviendas tienen un valor menor o igual a 2000UF

• Edificio Turi Norte, calle Santiago N° 2249, Calama

Zona climática A: Radiación solar anual = 2506kWh/m

2

_{; CSM=75%}

96 Viviendas: 16 de 1D ; 48 de 2D ; 32 de 3D

296 personas

Valor:

Las viviendas 1D y 2D tienen un valor entre 2000UF y 3000UF

Las viviendas 3D tienen un valor entre 3000UF y 4000UF

Fuente: SEC

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Caso Concreto con Franquicia: Edificio Novo, Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Datos del proyecto:

• 214 departamentos que tienen un valor inferior a 2000UF

• 602 personas que consumen c/u 30 litros por día (multifamiliar) de agua a 45°C Consumo total de 18.060 litros por día

• Según el F-Chart de la ley 20.365 (considerando Tred y Tref)

Demanda de Energía para la Producción de ACS (45°C) = 254.523 kWh/año

Resultado y Ahorro económico según el F-chart

• Producción de 229.071 kWh/año Contribución solar de 90% Ahorro de $20.000.000 al año

• Franquicia Tributaria de 100% con un tope de 31 UF

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Caso Concreto con Franquicia: Edificio Novo, Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Campo Solar

• 57 colectores de tipo plano de 3m2 _c/u

• 6 líneas paralelas de 10 colectores conectados en serie (uno de 7) • Superficie total de captación solar de 171m2

• Fluido de trabajo: PROPILEN GLICOL

Sistema de acumulación

• 4 acumuladores de acero de 4000 litros c/u • Fluido de trabajo: AGUA

Otros datos

• Circulación forzada / SST indirecto

• Separación con intercambiador entre circuito primario (PROPILEN GLICOL) y circuito segundario (AGUA)

• 2 bombas de calor en sistema de apoyo

(23)

Caso Concreto con Franquicia: Edificio Novo, Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

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Caso Concreto con Franquicia: Edificio Turi Norte, Calama

PRODUCCIÓN DE ACS

Datos del proyecto:

• 96 departamentos que tienen un valor entre 2000UF y 4500UF

• Según el F-Chart de la ley 20.365 (considerando Tred y Tref)

Resultado y Ahorro económico según el F-chart

• Franquicia Tributaria de 20% y 40% con un tope de 31 UF

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Caso Concreto con Franquicia: Edificio Turi Norte, Calama

PRODUCCIÓN DE ACS

Campo Solar

• 40 colectores de tipo plano de 2m2 _c/u

• Superficie total de captación solar de 80m2

• Fluido de trabajo: PROPILEN GLICOL

Sistema de acumulación

• 2 acumuladores de acero de 5000 litros c/u • Fluido de trabajo: AGUA

Otros datos

• Separación con intercambiador entre circuito primario (PROPILEN GLICOL) y circuito segundario (AGUA)

• 2 calderas a gas en sistema de apoyo

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Caso Concreto con Franquicia

PRODUCCIÓN DE ACS

Fuente: SEC

Proyecto Novo

Antofagasta

Proyecto Turi Norte

Calama • 171m2 _{de colectores solares de} tipo planos • 4 acumuladores de acero de 4000 litros c/u • 90% de contribución solar • CLP$ 20.000.000 de ahorro por año

• 80m2 _{de colectores solares de tipo}

planos • 2 acumuladores de acero de 5000 litros c/u • 78% de contribución solar • CLP$ 11.000.000 de ahorro por año

(27)

Otro Caso Concreto con Franquicia: Condominio El Águila,

Iquique

PRODUCCIÓN DE ACS

Datos del proyecto:

• 137 departamentos

Ahorro económico según el F-chart

Sistema Solar Térmico

• 39 colectores de 3m2 _{c/u : 117m}2 _{en total}

• 4 acumuladores de 3.000 litros c/u • 3 calderas en sistema de apoyo

(28)

Otro Caso Concreto con Franquicia: Condominio El Aguila,

Iquique

PRODUCCIÓN DE ACS

Fuente: SEC Fuente: http://www.solucionesco.cl/index.php?option=com_content&task=view&id=58&Itemid=110

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Caso Concreto sin Franquicia : Hotel Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Datos del proyecto:

• Calle Balmaceda N° 2575, en la ciudad de Antofagasta. • 200 habitaciones

• Consumo diario máximo de 18450 litros de ACS a 45°C

Sistema Solar Térmico híbrido Solar-Diesel con bombas de calor

• Pre-calentamiento de ACS a 40°C con una bomba de calor • 160m2_{de colectores solares de placa plana.}

• Circulación forzada / circuito solar cerrado (PROPILEN GLICOL) • Estanque termo-acumulador

• Sistema térmico convencional con petróleo Diesel en sistema de apoyo

Producción y ahorro

• Contribución solar de 60% del consumo • 40% con el sistema tradicional

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Caso Concreto: SST para la escuela D-66, Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Consideraciones:

• 650 estudiantes y 130 de ellos se duchan cada día

• Se añade el consumo de ducha de 20 personas durante horario extra-escolar • Azotea disponible para la implementación de los colectores solares de 285 m2

Proyecto:

• Consumo total anual de 26.582 kWh/año • Diseño con el programa comercial Transol

• Se cubre 76,8% de la demanda total anual de ACS con SST

• Rendimiento energético anual de los colectores solares del 31%

Item Nombre Características Observaciones

1 Consumo máximo diario de

la escuela 4.500 litros/día

30 litros por persona de ACS a 45°C

2

Colectores de 1,8 m2 _{24 colectores} Superficie captadora neta

total de 43,2 m2

3

Estanque acumulador 2.500 litros Estanque vertical con

intercambiador interno.

(31)

Caso Concreto: SST para la escuela D-66, Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Resultados económicos:

• Inversión económica es de 22.372.000 CLP considerando materiales, ingeniería, montaje y el costo anual de mantención incluyendo una margen para el cambio de piezas.

• Recuperación de la inversión en 8 años • Ahorro anual de 13,7 Toneladas de CO2

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Caso Concreto: Centro penitenciario femenino Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Datos del proyecto

• Consumo de agua caliente sanitaria a 45°C de 5.760 litros por día

• Demanda energética anual de 68,29MWh

Sistema Solar Térmico

• 30 colectores tipo plano de 2m2 _c/u

• Superficie total de 60m2

• 3 acumuladores de inercia de 1000 litros c/u • 2 acumuladores ACS de 500 litros c/u

• Bomba de calor en sistema de apoyo

Producción

• Producción anual de 49,71MWh

(33)

Caso Concreto: Jardín infantil “DUMBO”, Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Datos del proyecto

• Consumo de agua caliente sanitaria a 45°C de 600 litros por día

• 2 SST que tienen las mismas características

Sistema Solar Térmico

• Para generar un consumo de ACS de 300 Lts por día

• Circulación forzada / SST indirecto • 1 acumulador de 400 litros

• Calefón en sistema de apoyo

Producción

(34)

Caso Concreto: Jardín infantil “GIRASOL”, Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Datos del proyecto

• Consumo de agua caliente sanitaria a 45°C de 450 litros por día

• 2 SST que tienen las mismas características

Sistema Solar Térmico

Producción

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Caso Concreto: Jardín infantil “Caracolito”, Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Sistema Solar Térmico 1

Sistema Solar Térmico 2

• Termosifón / SST indirecto • 1 acumulador de 200 litros • Calefón en sistema de apoyo

(36)

Retorno de experiencia de la JUNJI Antofagasta

PRODUCCIÓN DE ACS

Nombre Proyecto:

Sistemas Solares Térmicos para Agua Caliente Sanitaria en Jardines Infantiles y Salas Cuna de la JUNJI Antofagasta

Resumen proyecto:

Los sistemas solares térmicos instalados en tres jardines infantiles JUNJI de Antofagasta (“Dumbo”, “Caracolito” y “Girasol”) aportarán más del 70% de la energía necesaria para abastecer de agua caliente sanitaria a las salas de muda de estos establecimientos. Los sistemas instalados se proyectan con una vida útil de 20 años.

Monto Total:

CLP$ 26.328.828

Fracasos:

• Sin monitoreo y sin control • Sistema auxiliar que no operan • Deficiencia de funcionamiento • Poca presión en el sistema

• Mala repartición del agua de consumo

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Caso Concreto: Jardín infantil “TAMARUGO”, Calama

PRODUCCIÓN DE ACS

Sistema Solar Térmico 1

Sistema Solar Térmico 2

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Otros Casos: Sistemas Solares Termosifón

PRODUCCIÓN DE ACS

• Grupo instrucción de carabineros Antofagasta

• Hospital militar Antofagasta

Superficie total colectores solares:

24m2

Capacidad de acumulación total:

1800 litros

Costo total (instalado):

(39)

Calentamiento agua piscinas

http://www.kw-solar.es/?Productos:Calefacci%C3%B3n_solar_piscina%2C_climatizaci%C3%B3n_piscina%2C_panel_solar_piscina

APLICACIONES

Ventajas:

• Prolongar la

temporada de baño

• Ahorros

importantes en

gastos de operación

• Reducción del

impacto ambiental

• Atractivos retornos

de inversión

(40)

Tecnología:

Placa plana sin cubierta

Temperatura de funcionamiento:

Max 50 °C

Costo:

CLP$79.000 /m

2

Necesidades:

Entre 0,8 y 1 m

2

panel

/m

2piscina

http://www.cimepowersystems.com.mx/ayuda-2/preguntas-frecuentes/

Calentamiento agua piscinas

(41)

APLICACIONES

Proyecto: Piscina Estadio Español

(312m2)

Localidad: Santiago, RM

Superficie colectores: 209m2

Observación: con sistema de

apoyo

Proyecto: Piscina ACUAVITA

(400m2)

Localidad: Vitacura, RM

Superficie colectores: 372m2

Calentamiento agua piscinas - Casos de éxitos

(42)

• Posibilidad de sistema

mixto: ACS + Calefacción

• Necesita un mayor cantidad

de colectores solares

• Hasta 50% de Contribución

Solar para la calefacción de

una casa

• Sistema de apoyo

obligatorio

Calefacción

(43)

Tecnología:

Calefacción solar

Necesidades de colectores:

2m

2

de colector / 10m

2

del piso

Coste:

200 US$ / m

2

del piso

www.bati-depot.fr www.bati-depot.fr

Calefacción

(44)

http://www.alibaba.com/product-detail/Hybrid-Solar-Air-Conditioner_471334579.html

Enfriamiento con maquina de absorción

(45)

http://www.interempresas.net/Alimentaria/FeriaVirtual/Prese ntacion-Absorsistem-S-L-189445.html

Tecnología:

Máquina de absorción

Temperatura funcionamiento

90 °C

Potencias

> 5 kW

Coste:

1.300 US$/kW

Necesidades:

3m

2

_/kW

http://solarthermalworld.org/conten t/usa-climatewell-wins-technology-contest-general-electrics

Enfriamiento con maquina de absorción

(46)

El mismo tipo de colector

se

puede

utilizar

para

procesos

industriales

de

baja temperatura, como los

procesos mineros.

Planta Solar A Planta EW Planta SX Intercambiador de Calor

Calor para procesos industriales

(47)

Minera Constanza – Planta “Pukará Hatur”

Tecnología:

Colectores planos

Área total colectores:

404 m

2

Producción anual

540 MWh

t

Contribución solar

90%

Almacenamiento calor

25 m

3

Coste

41.000 US$

(48)

Minera Gaby – Pampa Elvira Solar

Tecnología:

2620 colectores planos

Área total colectores:

39.000 m

2

Producción anual

54.000 MWh

t

Contribución solar

85%

Almacenamiento calor

4.000 m

3

Coste

26.000.000 US$

http://www.consejominero.cl/utilizacion-de-energia-solar-termica-en-division-gabriela-mistral/

APLICACIONES

(49)