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1MANUAL IV

INGENIERASOLAR

2INTRODUCCIN:

La regin Centroamericana sufre actualmente de un crecimiento energtico rpidoen su avance de desarrollo. Por su situacin histrica y geogrfica, la mayora delas demandas energticas se cubre a travs de plantas hidroelctricas y en variospases Centroamericanas con plantas geotrmicas.

Hoy da la demanda obliga utilizar plantas trmicas (utilizacin de combustiblesfsiles para la generacin de energa) para cubrir los picos del consumo energti-co. Esta situacin provoca un problema grave de contaminacin de la atmsferapor emisiones de CO2 y la meta debera ser reemplazar la energa irrenovable porenergas renovables.

Para la produccin de calor, la energa solar tiene la capacidad de cubrir una partesignificativa de esta demanda.

Los objetivos del Programa Solar de la Fundacin Suiza de Cooperacin para elDesarrollo Tcnico Swisscontact son, buscar soluciones para reducir las emisio-nes de CO2 y el consumo de combustible convencional por el uso de colectoressolares para la produccin de calor. Los instrumentos utilizados al nivel regionalson: capacitacin (instituciones de aprendizaje y empresas), control de calidad delos productos, concienciacin al pblico, y elaboracin de material didctico.

Mientras que los sistemas solares domsticos para casas en los ltimos aospresentaron un notable nivel de crecimiento en Centroamrica, los sistemas sola-res mayores, no mostraron mayor aceptacin. Tratando de encontrar los motivosde esta situacin, en primer instante se habla de falta de confianza por pocasinstalaciones realizadas y muchos errores cometidos en instalaciones, a falta deconocimiento en los diseos y la informacin errnea sobre el rendimiento de loscolectores solares.

La idea del autor es, que el manual sirva como una gua cercana a la prctica defuturos proyectos de sistemas solares mayores para hoteles, industrias, y siste-mas de calefaccin de piscina. Un sistema solar diseado con un concepto apre-ciable se puede instalar con menos dificultades, requiriendo poco mantenimiento.

INTRODUCCIN

3A travs de frmulas bsicas, se aprende a calcular el consumo y la demanda deenerga para determinar los componentes necesarios, que hacen posible la elabo-racin de una cotizacin y por fin la instalacin del sistema.

Por la variedad de diseos, es imposible tratar de detallar las diferentes posibili-dades que estos diseos nos ofrecen. Por esta razn, slo se indican todos loscomponentes detallados necesarios utilizados en sistemas aprobados por cientosde instalaciones realizadas al nivel mundial.

Para determinar el rendimiento (beneficio) que se obtiene de los colectores sola-res, es importante consultar los datos meteorolgicos de la regin donde se pla-nea instalar el sistema debido a las grandes diferencias de clima (a veces en cortasdistancias). Esta informacin se puede buscar en los centros meteorolgicos na-cionales.

El manual fue elaborado por el personal del Programa de Energa Solar, ejecutadopor la Fundacin Suiza de Cooperacin al Desarrollo Tcnico SWISSCONTACT yfinanciado por la Agencia Suiza para el Desarrollo y Cooperacin COSUDE y estdirigido a ingenieros y personas con conocimientos en clculos termo - energti-cos. Es recomendable antes de iniciar con el contenido de este manual, estudiarlos tres manuales anteriores de este folleto, para estar preparado al contenido.

Esperando que este sirva como gua de referencia en sus labores por mantenerlimpio el aire en Centroamrica y en el mundo.

INTRODUCCIN

4NDICE

1. DEMANDA DE UN SISTEMA DE AGUA CALIENTE PARAHOTELES E INDUSTRIAS

1.1. DEMANDA DE UN SISTEMA SOLAR PARA HOTELES E

INDUSTRIAS

1.2. SISTEMA SOLAR ABIERTO O CERRADO?

2. SISTEMAS SOLARES PARA HOTELES2.1. CONSTRUCCIONES NUEVAS

2.2. REQUISITOS PARA OBRAS CONSTRUIDAS

2.3. IDENTIFICACIN DEL CONSUMO DE AGUA CALIENTE

2.3.1. CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN UNA DUCHA

2.3.2. CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN UNA TINA ESTNDAR

2.3.3. CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN UN SISTEMA DE AGUAS

TURBULENTAS ESTNDAR (JACUZZI)

2.3.4. CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN LA COCINA

2.3.5. CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN LA LAVANDERA

2.4. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA SOLAR

2.4.1. TAMAO DEL TANQUE

2.4.2. REA DE LOS COLECTORES

3. SISTEMA TERMOSIFN3.1. CONEXIONES DEL TANQUE

3.2. TUBERAS ENTRE TANQUE Y COLECTORES (CIRCUITO

SOLAR)

3.3. SISTEMA HIDRULICO DE LOS COLECTORES

4. SISTEMA FORZADO4.1. BOMBA DE RECIRCULACIN

4.2. TUBERA ENTRE TANQUE Y COLECTORES (CIRCUITO

SOLAR)

4.3. ESQUEMAS HIDRULICOS EN EL CUARTO DE MQUINAS

4.4. GRUPO HIDRULICO


55. EFICIENCIA DE LOS SISTEMAS SOLARES5.1. ASPECTOS ECONMICOS

5.2. COMPARACIONES ECONMICAS

6. SISTEMA FORZADO CERRADO

7. SISTEMAS SOLARES PARA PROCESOS INDUSTRIALES7.1. COLECTORES

7.2. SISTEMAS DE RECUPERACIN DE CALOR

8. SISTEMAS MAYORES PARA CALEFACCIN DEPISCINAS

8.1. CONSUMO Y PERDIDA DE ENERGA

8.1.1. COBERTOR TRMICO

8.2. DIMENSIONAMIENTO REA DE LOS COLECTORES

8.3. DIMENSIONAMIENTO TUBERA CIRCUITO SOLAR


8.5. ESQUEMA HIDRULICO EN EL CUARTO DE MQUINAS


9. ANEXOS9.1. EJEMPLO SISTEMA FORZADO ESTNDAR

9.2. EJEMPLO SISTEMA SOLAR PARA PROCESO INDSTRIAL

9.3. EJEMPLO SISTEMA ESTNDAR PARA CALEFACCIN DE

PISCINA9.4. SIMBOLOGA

NDICE

6DEMANDA DE UN SISTEMADE AGUA CALIENTE PARAHOTELES E INDUSTRIAS1

Las demandas principales de un sistema de calentamiento de agua son:

Suficiente capacidad respecto a cantidad de agua caliente.

Suficiente capacidad respecto a la demanda de temperatura.

Seguridad del sistema.

1.1. DEMANDA DE UN SISTEMA SOLAR PARA HOTELES E INDUSTRIAS

Que trabaje con la mejor relacin costo / beneficio.

Un funcionamiento eficiente del equipo.

Capaz de cubrir con un sistema auxiliar la demanda de agua caliente en un 100%.

Satisface la necesidad de ahorro de energa del cliente.

Una vida til de los colectores de 20-25 aos y 15 aos para el tanque.

Para cumplir estas demandas mencionadas, se requiere el trabajo de un ingeniero para el diseodel sistema y un instalador para la realizacin de la obra. Experiencias en los ltimos aos mostra-ron, que no siempre funciona la ejecucin como prevee el ingeniero en sus planos. Las calidadesde las instalaciones de las tuberas (sobre todo las de distribucin de agua caliente), juegan unpapel de gran importancia, para que el sistema solar pueda cumplir con sus expectativas.

Un solo error en una unin, donde el fontanero olvide poner pegamento, puede causar gravesproblemas; sobre todo cuando dicha unin se encuentra dentro de la loza del primer piso, donde elagua se fuga y se filtra a la tierra y nadie lo puede ver. En este caso durante 24 horas se pierde aguacaliente y a la vez energa. Para el sistema solar significa esta polmica, que no puede cumplir conlo esperado en cuanto a rendimiento.

Afortunadamente, hoy da existen herramientas especiales que permiten localizar este tipo de fu-gas. Para evitar estos problemas, es recomendable durante la construccin, realizar una prueba depresin a 150 PSI a la red de tuberas de agua caliente.

1. DEMANDA DE UN SISTEMA DE AGUA CALIENTE PARA HOTELES E INDUSTRIAS

71.2. SISTEMA SOLAR ABIERTO O CERRADO?

A diferencia de sistemas solares mayores para calefaccin de piscinas, el rango de oportunidadespara el diseo se reduce a uno, en sistemas con colectores planos para hoteles e industrias, laingeniera nos ofrece varios diseos para aprovechar el calor de los colectores. La pregunta prin-cipal para el circuito solar es usar un sistema directo (abierto)? un sistema con intercambiadorde calor (cerrado)? Sistemas abiertos quiere decir, que agua potable entra al sistema, pasa por loscolectores para ser calentada y sale por el tubo de la salida de agua caliente del tanque haca losterminales (conexiones de agua caliente en habitaciones). En sistemas cerrados es siempre lamisma agua que circula entre los colectores y un intercambiador de calor. En pases como Europay gran parte de los EEUU, los encargados de diseo estn obligados a usar sistemas cerrados porel problema de congelamiento del agua dentro de los colectores y las tuberas del circuito solar,(agua en proceso de expansin por temperaturas bajo cero, es capaz de romper tubos de hierro ycobre). En estos pases el medio que circula entre los colectores y el intercambiador de calor es unanticongelante que no permite la formacin de hielo dentro de los tubos. En el trpico no existe esteproblema y por eso nos da la oportunidad de utilizar un sistema abierto, pero como veremos en lasiguiente lista, eso no siempre ofrece ventajas.

VENTAJAS DE SISTEMAS ABIERTOS:

Menor cantidad de materiales (no requiere intercambiador de calor, tanque de expansin y unasegunda bomba de recirculacin) > menos costoso.

Mayor eficiencia del sistema solar al no requerir el intercambiador de calor.

DESVENTAJAS DE SISTEMAS ABIERTOS:

Por problemas de corrosin (oxgeno circulando en los tubos), los nicos materiales que sepuede utilizar en el circuito solar abierto son el cobre y acero inoxidable > son de mayor costoque los tubos de hierro negro.

En sitios con aguas muy duras, con el tiempo el calcio produce incrustaciones, que puedencausar problemas (se reduce el dimetro interior original del tubo).

Si la entrada del agua al sistema solar proviene de la red principal (sin bomba) se puedenpresentar variaciones de presin o la falta del agua.


8VENTAJAS DE SISTEMAS CERRADOS:

Se puede utilizar tubos de hierro negro de rosca o soldados > que son menos costosos.

La presin en el circuito solar es controlable.

Larga vida til del sistema por disminuir problemas de corrosin y calcio.

DESVENTAJAS DE SISTEMAS CERRADOS:

Menos eficiencia del sistema solar.

La instalacin es ms complicada por utilizar los componentes adicionales antes mencio-nados mayores costos.

Considerando que el punto ms importante, el menos costoso y menos complicado, entre lasventajas y desventajas de la comparacin entre sistemas con o sin intercambiador de calor, el autorha decidido de darle informaciones ms detalladas sobre los sistemas abiertos.

DIBUJO # 1:


9Como aprendimos en el punto 1.2, en el diseo de un sistema solar para un hotel hay que garanti-zar que ste siempre cuente con suficiente agua caliente en cantidad y temperatura. Para alcanzareste punto solo con energa solar, tambin en condiciones climticas adversas (varios das sin sol)y al mismo tiempo con un consumo mximo de agua caliente, requerira un diseo del sistemasolar exageradamente grande y costoso.

La mejor solucin es disear un sistema que cubra la demanda mxima en condiciones climticasnormales y en caso de situaciones extraordinarias, ayudara un sistema auxiliar adicional. Estesistema auxiliar podra ser un calentador de gas, con las grandes ventajas: de calentamiento deagua muy rpido y ms econmico que el uso de una resistencia elctrica.

La seguridad del sistema consiste en tener un escape de agua, (vlvula de seguridad) en caso quela presin dentro del tanque suba hasta 150 PSI durante el calentamiento de agua sin consumo. Lamayora de las vlvulas de seguridad tienen tambin la funcin de proteccin ante un posible sobre-calentamiento del sistema solar. Esta proteccin de sobrecalentamiento es muy recomendable parano sobrepasar una temperatura mxima en la salida de la red de agua caliente, porque eso podradaar las tuberas de CPVC.

Existen vlvulas mezcladoras (ver pgina 11 en el Manual de instalacin de sistemas solares) queautomticamente aade agua fra a la red de agua caliente para garantizar una temperatura fijaajustable al tubo de la salida haca la red de agua caliente.

2.1. CONSTRUCCIONES NUEVAS:

Una gran ventaja para el diseo de un sistema solar se presenta, cuando se trata de una construc-cin nueva. Se facilitan las instalaciones y lo ms importante es que se tiene influencia en elsistema de red de agua caliente.

Energtica- y econmicamente, lo ms recomendable, es disear una sola central de agua caliente.Desde este tanque de almacenamiento se puede alimentar todas las terminales donde se usa aguacaliente a travs de un tubo de distribucin. Este tubo se debe instalar en forma de un anillo quesale del tanque y alimenta todas las habitaciones y finalmente regresa con un tubo de 1/2" otra vezal tanque.

SISTEMAS SOLARESPARA HOTELES2

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Antes de que el agua ingrese nuevamente al tanque se debera instalar una pequea bomba derecirculacin. Esta bomba deja circular el agua en el tubo de distribucin para evitar que este seenfra. La altura donde el tubo regresa nuevamente al tanque debera ser de 50 cm abajo del puntosuperior del tanque (ver dibujo No.2).

Para garantizar suficiente cantidad de agua caliente (en caso que varias personas utilizan al mismotiempo las duchas), es importante dimensionar los tubos de distribucin de agua caliente. Este traba-jo corresponde al ingeniero civil. Entre ms consumidores, mayor debera ser el dimetro del tubo.

En un sistema centralizado, la instalacin de un sistema de tubera con bomba de recirculacin esindispensable para que el agua caliente llegue rpidamente a todas las terminales. Un excelenteaislamiento en este tubo es de mucha importancia para minimizar las prdidas de calor as comotambin la instalacin de un control de tiempo (timer) que apaga la bomba a media noche y laenciende de nuevo a las 5 a.m.

DIBUJO # 2:

2.2. REQUISITOS PARA OBRAS CONSTRUIDAS

Lastimosamente muchas veces en hoteles existentes, los calentadores de agua son de formainstantnea elctrica, instalados dentro de un armario en cada cuarto, este tipo de diseo complicabastante la introduccin de un sistema solar. En ocasiones es posible eliminar estos tanques yconectar el tubo de agua caliente al tubo principal de distribucin que se podra instalar en el cielo

2. SISTEMAS SOLARES PARA HOTELES

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raso del pasillo del hotel. Se hace un agujero dentro del armario en su parte superior, para conectarlas terminales de agua caliente de la habitacin al tubo principal.

Un problema en edificios construidos es que la mayora de las veces, la tubera de la red de aguacaliente est mal aislada y se pierde energa; y para la instalacin del los tanques de almacena-miento de agua, se requiere gran espacio para ubicarlos.

Requisitos para la introduccin de un sistema solar en hoteles existentes:

Tener una tubera de agua caliente instalada (preferiblemente bien aislada).

Espacio para ubicar el tanque en un lugar bajo techo.

Espacio en el techo para ubicar los colectores.

Tubera de agua caliente sin fugas.

Presin del agua que alcance el punto ms alto del techo.

2.3. IDENTIFICACIN DEL CONSUMO DE AGUA CALIENTE

El consumo total de agua caliente en un hotel se determina normalmente considerando el consumode las habitaciones, la cocina y la lavandera. Generalmente se puede decir que entre ms lujo ocomodidad se presenta en el hotel, ms alto es el consumo de agua caliente. La ubicacin tambinjuega un papel importante; en lugares tropicales con temperaturas clidas durante todo el ao dems de 27C promedio, el consumo en las habitaciones es menor que en lugares con temperaturasambientales alrededor de 20C.

Los sistemas de aguas turbulentas (jacuzzis) y tinas, tienen un consumo mucho mayor en compa-racin con las duchas.

Sin embargo, lo ms difcil, es la determinacin del consumo de agua caliente en las cocinas ylavanderas. Aparatos como lavaplatos automticos o lavadoras consumen grandes cantidades deagua caliente. A travs del manual tcnico del aparato y el promedio de ciclos usados por da, sepuede determinar el consumo diario. El consumo en el prelavado de platos, vasos y cubiertos enlas piletas, depende de la concientizacin del personal; como regla general, se calcula para la coci-na un consumo promedio por silla en el restaurante.

En hoteles construidos, lo ms exacto es la instalacin de un medidor de agua ubicado antes delcalentador de agua, para determinar durante un mes el consumo promedio por da de agua caliente.

La temperatura vara segn el uso del agua caliente, en las habitaciones la temperatura mximadebe ser de 50C (con 42C se quema la piel de los seres humanos). Para la cocina y la lavandera,


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la temperatura mnima debera ser de 60C.; estos 10K de diferencia para un sistema solar es demucha importancia por el rendimiento de los colectores, los cuales trabajan ms eficientementecon temperaturas de operacin hasta 50C.

Disear un sistema solar conjunto para habitaciones, cocina y lavandera, siempre representa unriesgo por la dificultad de la determinacin del consumo en la cocina y la lavandera. Generalmenteel consumo en cocinas y lavanderas supera lo planificado.

Nota: Temperaturas definidas se indica en C , diferencialesde temperaturas se indica en K (Kelvin).

2.3.1. CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN UNA DUCHA

Con la llave de agua en la ducha, se puede ajustar el caudal y la temperatura para que se siente bienagradable el chorro de agua. La temperatura que la mayora de las personas usan en la ducha estentre 36 y 40C (promedio 38C). La cantidad del agua que se gasta depende del tiempo que sedura en la ducha, la presin del agua que se maneja y del dimetro utilizado en la tubera de aguacaliente. Dicho dimetro para una terminal normalmente es de 1/2" y la presin comn es de 40PSI. El tiempo promedio que se puede calcular es de 6 Min. por cada persona. En estos 6 Min. segasta 60 Lt. de agua a una temperatura de 38C.

Determinacin del consumo de agua caliente en la ducha:

Temperatura del agua en la salida de la termo vlvula: 50CTemperatura del agua fra: (1000 mt. s.n.m. ) 23.5CDiferencia de temperatura: 26.5KCantidad de agua tibia a 38C que se gasta en 6 Min. 60 Lt.Cantidad de agua fra necesaria para llegar a 38C: 27.2 Lt. (45.3 %)Cantidad de agua caliente necesaria para llegar a 38C: 32.8 Lt. (54.7 %)

(Temperatura de agua tibia - temperatura de agua fra = y1temperatura de agua caliente - temperatura de agua fra = y2y1 / y2 = % de agua caliente = y3y3 % de 60 Lt. = cantidad de agua caliente necesaria )


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38C - 23.5C = 14.5K50C - 23.5C = 26.5K14.5K / 26.5K = 54.7%60 Lt. x 0.547% = 32.8 Lt.

Consumo promedio de agua caliente (50C) por ducha a 38C: 32.8 Lt.

Determinacin del consumo energtico en la ducha:

Energa necesaria para calentar 32.8 Lt. de 23.5C a 50C:

(Volumen x Factor trmico x Diferencial de temperatura)

0.0328 m3 x 1.163 x 26.5K = 1.001 kWh

2.3.2. CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN UNA TINA ESTNDAR

Una tina comn tiene las medidas internas de 152 cm x 56 cm x 30 cm (largo x ancho x altura) total255 Lt. De estas 255 Lt. hay que disminuir el cuerpo de un ser humano de aprox. 75 Lt. (255 Lt. -75 Lt. = 180 Lt.)

Determinacin del consumo de agua caliente en una tina estndar:

Cantidad de agua a 38C en una tina: 180 Lt.Temperatura en la salida de la termo vlvula: 50CTemperatura del agua fra: (1000 mt. s.n.m. ) 23.5CDiferencia de temperatura: 26.5KCantidad de agua fra necesaria para llegar a 38C: 81.5 Lt. (45.3 %)Cantidad de agua caliente necesaria para llegar a 38C: 98.5 Lt. (54.7 %)

Consumo promedio de agua caliente (50C) por tina a 38C: 98.5 Lt.

Determinacin del consumo energtico en la tina:

Energa necesaria para calentar 98.5 Lt. de 23.5C a 50C:

0.0985 m3 x 1.163 x 26.5K = 3.036 kWh


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2.3.3. CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN UN SISTEMA DE AGUASTURBULENTAS ESTNDAR (JACUZZI)

Una jacuzzi comn tiene las medidas internas de 158 cm x 76 cm x 46 cm (largo x ancho x altura)total 552 Lt. De estos 552 Lt. hay que disminuir el cuerpo de un ser humano de aprox. 75 Lt.(552Lt. - 75Lt. = 477Lt.)

Determinacin del consumo de agua caliente en una jacuzzi estndar:

Cantidad de agua a 38C en una jacuzzi: 477 Lt.Temperatura en la salida de la termo vlvula: 50CTemperatura del agua fra: (1000 mt. s.n.m. ) 23.5CDiferencia de temperatura: 26.5KCantidad de agua fra necesaria para llegar a 38C: 216.1 Lt. (45.3 %)Cantidad de agua caliente necesaria para llegar a 38C: 260.9 Lt. (54.7 %)

Consumo promedio de agua caliente (50C) por jacuzzi a 38C: 260.9 Lt.

Determinacin del consumo energtico en una jacuzzi:Energa necesaria para calentar 260.9 Lt. de 23.5C a 50C:0.2609m3 x 1.163 x 26.5K = 8.041 kWh

2.3.4. CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN LA COCINA

El mayor consumo de agua caliente en las cocinas se tiene en los aparatos de lavar platos, elconsumo depende de su tamao. Para obtener datos seguros se debe leer los datos tcnicos delfabricante y multiplicar por el nmero de ciclos usados por da. En el lavado a mano se calcula 3 Lt.por husped en el restaurante.

Determinacin del consumo de agua caliente en la cocina:

Cantidad de agua a 60C en los lavaplatos: segn proveedorTemperatura en la salida del tanque de agua caliente: 60CTemperatura del agua fra: (1000 mt. s.n.m.) 23.5CDiferencia de temperatura: 36.5KCantidad de agua caliente por husped (silla) a 60C 3 Lt.


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Consumo promedio de agua caliente en el lavado a mano por husped en la cocina a 60C: 3 Lt.

Determinacin del consumo energtico en la cocina:

Energa necesaria para calentar 3 Lt. a 60C:

0.003m3 x 1.163 x 36.5K = 0.127 kW/h

2.3.5 CONSUMO DE AGUA CALIENTE EN LA LAVANDERA

Actualmente en las lavanderas de los hoteles, casi sin excepcin, se utilizan mquinas lavadoras.En el mercado existen modelos que slo permiten agua fra, pero la mayora usan agua caliente.

La temperatura usada varia entre 30 y 85C; de estos modelos casi todos tienen su propia resisten-cia elctrica. Desde este punto de vista no es necesario abastecer la lavadora con agua calentadapor el sol. Sin embargo, con cada litro de agua caliente a 60C que se provee a la lavadora se ahorra42 W/h de energa elctrica. La cantidad de agua caliente que se requiere por ciclo de lavadodepende del tamao de la lavadora. La capacidad de la mquina se determina por kilogramo.

Determinacin del consumo de agua caliente en la lavandera:

Cantidad de agua de una mquina de 5 kg: 30 Lt.

Nmero de ciclos por lavado: 3

Temperatura utilizada en la mayora de las lavanderas: 60C

Temperatura en la salida del tanque de agua caliente: 60C

Temperatura del agua fra: (1000 mt. s.n.m.): 23.5C

Diferencia de temperatura: 36.5K

Consumo promedio de agua caliente a 60C de una lavadora de 5 kg por lavado: 90 Lt.

Determinacin del consumo energtico en la lavandera:

Energa necesaria por lavado:

0.090m3 x 1.163 x 36.5K = 3.820 kW/h


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2.4. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA SOLAR

Como se mencion anteriormente en el diseo para un sistema solar es muy importante saber elgrado de cobertura solar que se desea. La meta siempre debera ser una cobertura solar de un100%, con condiciones climticas normales para la regin donde el sistema est instalado.

La regin centroamericana cuenta con una radiacin promedio de alrededor de 5 kWh/m3/da reahorizontal. Para aprovechar el mximo de la radiacin solar, los colectores se deben instalar condireccin hacia el sur y con una inclinacin de alrededor de 10. Orientaciones hacia el este y eloeste seran las alternativas para ubicar los colectores en caso de no ser posible instalarlos hacia elsur.

Para obtener datos exactos de la radiacin solar del sitio donde se planifica la instalacin del siste-ma solar, se debera consultar instituciones como centros meteorolgicos locales o nacionales.

Datos de radiacin solar de la ciudad de San Jos, Costa Rica 1171 mts. s.n.m.:

Mes: Radiacin Temperaturaen kWh/m3/da promedio

Enero 4.73 19.2Febrero 5.18 19.4Marzo 5.53 20.5Abril 5.53 21.4Mayo 5.00 21.7Junio 5.19 21.4Julio 5.17 20.9Agosto 5.19 20.9Septiembre 5.16 21.1Octubre 4.93 20.3Noviembre 4.67 20.3Diciembre 4.52 19.2Promedio 5.06 20.5

(Estos datos se refieren al rea horizontal).


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Para Datos de radiacin solar global, ver pgina 14 del manual energa y energa renovable

En los siguientes puntos 2.4.1. y 2.4.2. se muestra las frmulas para el dimensionamiento de losdos componentes principales: tamao del tanque y rea de los colectores.

2.4.1. TAMAO DEL TANQUE

La capacidad (volumen) del tanque es sumamente importante. Un bajo volumen elegido implicaque se tiene que operar una temperatura ms alta en el tanque para abastecer la demanda diaria deagua caliente. Una temperatura ms alta significa que se obtiene menos rendimiento de los colec-tores y las prdidas de calor en el tanque y la tubera de distribucin son mayores (sin vlvulatrmica en la salida del tanque). Adems, temperaturas muy altas causan problemas de incrustacionespor formacin de calcio y favorecen la corrosin. El volumen del tanque se determina segn elconsumo mximo por da ms un 25% de seguridad.

Este 25% de volumen extra ayuda para evitar problemas de sobrecalentamiento. Con un buenaislamiento se puede minimizar las prdidas de calor en el tanque. Si se opera el tanque a unatemperatura de 60C, el espesor mnimo recomendable es de 4" utilizando un material aislantecomo poliuretano o fibra de vidrio

2.4.2. AREA DE LOS COLECTORES

El rea de los colectores depende del rendimiento del colector, de la radiacin en el sitio donde seinstala el sistema y de la temperatura deseada. La mayora de los colectores planos cuentan con unrendimiento entre un 60 - 80%. A 70% llegan los colectores con una placa absorbedora de cobrenatural, pintado de color negro, con vidrio solite y un buen aislamiento. Un 80% nicamente sepuede obtener con un absorbedor selectivo, con vidrio solite y un buen aislamiento de por lo menos1" de espesor.

Calculando un rendimiento de un colector con una eficiencia mxima de 70% y una radiacin pro-medio de 5 kWh/m3/da, se puede calcular por cada 75 Lt. (20 Gls.) del consumo total por da, unmetro cuadrado de rea de colector. Se debe tener en cuenta, que el rendimiento de 70% del colec-tor es un valor terico que se obtiene cuando la temperatura de la entrada al colector es la mismaque la temperatura del medio ambiente. Entre ms caliente la temperatura de la entrada al colector,menos rendimiento se obtiene del mismo. Un valor promedio de rendimiento del colector, opern-dolo en un rango de temperatura entre 30C y 60C, es alrededor de 48%. Asumando adicional lasperdidas de calor en el circuito solar (tubos entre colectores y tanque) y las perdidas en el tanquecon sus conexiones (bien aislado), se puede hablar de un rendimiento del sistema solar de un 45%.Si el agua est totalmente fra en el tanque, con estos 75 Lt. por m3, la temperatura que se puedealcanzar es aproximadamente de 50C.


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Ejemplo de un clculo de eficiencia de un sistema solar:

- Radiacin solar promedio: (Rso) 5 kWh/m3/da

- Rendimiento del sistema solar: (Rs) 45%

- Volumen para calentar por m3: (V) 0.075 m3

- Temperatura de agua fra: (Taf) 23.5 C

- Factor trmico: (Ft) 1.163

- Diferencial de temperatura ( Dt ): ?

- Temperatura de agua caliente (Tac): ?

Rso x Rs = Dt en K V x Ft

5 kWh/m3/da x 0.45 = 25.8K0.075 m3 x 1.163

Taf + Dt = Tac 23.5 C + 25.8K = 49.3C


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SISTEMATERMOSIFN3

El sistema termosifn normalmente falla en la planificacin de un sistema solar mayor, debido alproblema del peso del tanque (incluyendo el agua) que por su funcionamiento tiene que estarubicado ms alto que los colectores. Sin embargo a veces hay posibilidades geogrficas idealespara la instalacin de un sistema termosifn mayor. Los requisitos deberan ser un hotel que estubicado en una pendiente con orientacin hacia el sur, sureste suroeste. En este caso se insta-lara los colectores en la pendiente y el tanque a la par del hotel.

DIBUJO # 3:

EJEMPLO DE UN SISTEMA TERMOSIFN EN UNA PENDIENTE:

3.1. CONEXIONES DEL TANQUE

La ubicacin de los tubos en el tanque es sumamente importante. El agua fra de la entrada altanque siempre debe estar en el punto inferior y la salida de agua caliente en el punto superior.

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Las dos conexiones del circuito solar (entrada y salida de los colectores) se ubican de la siguientemanera: La conexin de agua fra hacia los colectores en el punto inferior del tanque (podra ser lamisma conexin como la entrada de agua fra) y el tubo de salida de los colectores en un sistematermosifn debera estar a la mitad del mismo. El caudal en un sistema termosifn siempre es muypoco, lo que significa que el diferencial de temperatura ( delta-T ) entre la entrada y la salida de loscolectores es mucho mayor que en un sistema forzado convencional. Dicho delta-T con condicio-nes climticas favorables, depende del nmero de colectores que se conecta en serie. Entre mscolectores (el mximo no debera superar cinco unidades) ms grande es el diferencial de tempera-tura.

Mediciones en instalaciones realizadas dieron como resultado un delta-T de 25 K con 4 colectoresen serie y una inclinacin de 15. La ubicacin de la resistencia elctrica como energa auxiliardepende del volumen que se quiere tener como volumen asegurado de agua caliente. Si se le ubicaen el centro del tanque, se calienta un 50% del volumen con electricidad. Se recomienda ubicarlams alto para aumentar el rendimiento del sistema solar.

DIBUJO # 4:

CONEXIONES EN UN TANQUE EN UN SISTEMA TERMOSIFN:

3. SISTEMA TERMOSIFN

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3.2. TUBERAS ENTRE TANQUE Y COLECTORES (CIRCUITO SOLAR)

En un sistema solar termosifn los dimetros de los tubos principales del circuito solar siempredeben ser mayores que en un sistema forzado. Como regla general en tuberas de cobre se tiene:

Hasta 13m2 rea de colectores: tubo de dimetro de 1"

Hasta 25m2 rea de colectores: tubo de dimetro de 1 1/4"

Hasta 42m2 rea de colectores: tubo de dimetro de 1 1/2"

Hasta 63m2 rea de colectores: tubo de dimetro de 2"

(Para distancias entre colectores y tanque de mximo 15 mt., si la distancia es mayor, es recomen-dable utilizar el dimetro de tubo que sigue)

Es importante que los tubos salientes de los colectores siempre tengan una inclinacin como mni-mo de 15. Los tubos de las entradas a los colectores se pueden instalar con menos inclinacin, ohorizontal, pero nunca con inclinacin contraria. En el circuito solar no es recomendable instalarcodos de 90 para evitar perdidas por friccin. Los tubos deben estar bien aislados con aislamientotipo Rubatex o Armaflex, pintados con una pintura tipo impermeabilizante (elstica) para proteger-los de los rayos ultravioleta con un espesor mnimo de 3/8".


Como se mencion en el captulo 3.1., entre ms colectores se instala en serie (fila), ms alto va aser el delta-T. Si se puede, es recomendable instalar ms campos de colectores y menos en serie(por ejemplo: con seis colectores, dos en serie y tres campos). La inclinacin nunca tendra queser menor a 15 (entre ms inclinacin, menos alto es el delta-T). En caso que se instale ochocolectores, uno a la par del otro, es importante instalar dos uniones flexibles (abajo y arriba entre elcuarto y el quinto colector) para permitir la dilatacin del material cobre (10 mts de tubera de cobre= 10 mt x 1.7mm = 1.7cm en un cambio de temperatura de 100K). A continuacin se muestranejemplos de sistemas hidrulicos de los colectores.


22

DIBUJO # 5

SISTEMAS HIDRALICOS EN LOS COLECTORES:


23

El sistema forzado sin embargo, es el sistema ms apto para un hotel porque la instalacin deltanque grande no tiene que ser ms elevado a los colectores. En la mayora de los casos un hotelcumple con los requisitos de tener suficiente rea en un techo con una orientacin e inclinacinfavorable para colocar los colectores y tener suficiente espacio para ubicar el tanque en el cuarto demquina en un otro lugar bajo techo.

El sistema forzado convencional se opera con un caudal que permite un delta-T entre 5 y 15K(entrada y salida colectores). En la posicin inferior del tanque pasa el agua a travs de una bombade recirculacin hacia los colectores y en 1/4 de la altura total del tanque el agua regresa al mismo.De esta manera, se eleva la temperatura lentamente desde abajo hacia arriba en el tanque y noafecta que se active el sistema auxiliar.

Otra opcin de un sistema forzado, es el sistema low - flow; que como dice su nombre, el caudales menor comparado con el sistema convencional y el delta-T se opera alrededor entre 25 y 35K.Las temperaturas al regresar al tanque alcanzan entre 50 y 60C. Con estas temperaturas se puederegresar al tanque en la posicin superior, sin que se afecte el sistema auxiliar.

Generalmente se puede decir, que los sistemas forzados son mucho ms tcnicos y ms complica-dos. Los diferentes componentes tienen que estar bien ajustados unos entre otros para garantizarun buen funcionamiento del sistema completo.

DIBUJO # 6

SISTEMAFORZADO4

24

4.1. BOMBA DE RECIRCULACIN

El componente bomba de recirculacin es el ms importante en el circuito solar de un sistemaforzado. El caudal define el famoso delta-T. Un caudal muy alto significa un delta-T muy pequeo,y causa el problema que el regulador termodiferencial arranca y apaga la bomba de recirculacinmuy seguido. Por el alto caudal, el agua fra que ingresa a los colectores, no deja suficiente tiempoal sol para calentar el agua que est circulando. Eso provoca que el sensor del colector seale unatemperatura muy baja, relacionado a la del tanque y el regulador termodiferencial apaga la bomba.Despus de un corto tiempo, el regulador enciende de nuevo la bomba y se repite la misma situa-cin durante todo el da disminuyendo la eficiencia del sistema y la vida til de la bomba y delregulador termodiferencial.

El caudal ideal para un sistema forzado convencional es de 40 Lt./h/m2 de rea colector. Este caudalcon condiciones climticas soleadas garantiza un delta-T aproximado de entre 5 y 15 K, un valorideal que deja trabajar el sistema muy eficiente y no apaga la bomba por cualquier pequea nubeque pase frente al sol. El sistema low - flow trabaja con un caudal de alrededor de 20 Lt./h/m2

y un delta-T de aproximadamente entre 25 y 35K. Dimetros demasiados pequeos en las tube-ras del circuito solar y muchos codos de 90 provocan una disminucin del caudal lo que significaun aumento del delta-T.

Las dos marcas ms famosas de bombas de recirculacin para sistemas solares son Grundfos yTaco. En los catlogos de las dos marcas se habla de sistemas abiertos y sistemas cerrados.

Bajo sistemas abiertos se entiende un sistema que trabaja con agua potable y sin utilizar unintercambiador de calor. Eso significa que ingresa continuamente oxgeno al sistema, lo que causaproblemas de corrosin en materiales como hierro negro. En los sistemas cerrados conintercambiador de calor, circula siempre la misma agua y por tanto, el agua pierde su oxigenoevitando la corrosin. Por lo anterior el material que se tiene que utilizar en un sistema abierto debeser de bronce, un material costoso, mientras en sistemas cerrados, las bombas son de material dehierro negro.

Adems del caudal indicado (en galones por minuto) se habla de la carga total en pies. Esta cargaes la friccin en todas las tuberas (incluyendo los colectores) y vlvulas del circuito solar.

En los cuadros adjuntos se encuentra los diferentes tipos debombas segn el caudal y la carga.

4. SISTEMA FORZADO

25

CUADRO DE LAS BOMBAS DE RECIRCULACIN:

CUADRO # 1:

Cuadro # 2:

5

00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

10

15

20

25

30

351 2 4 4 5 6 7 8 9 5

10

9

8

7

6

5

4

3

2

17

6

5

4

3

2

1

1

2

3

4

5

6

7

UP 26-99 FUP 43-75 FUP 26-96 FUP 26-64 FUP 15-42 F (SPD.3) & BRUTEUP 15-42 F (SPD.2) UP 15-42 F (SPD.1)

Rango de potencia 1/25, 1/12, 1,6Temp. del fluido: 230F Max.

50F Mn.Rango de fluido: 10-46 GPM

SISTEMASCERADOS 60 Hz

Capacidad en Galones / Min.

Carg

a to

tal e

n Pi

es

5

00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

10

15

20

25

30

351 2 4 4 5 6 7 8 9 5

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

78

9

10

11 12

6

54

3

2

1

1

2

3

4

5

6

7

1UP 26-99 FUP 43-75 FUP 26-96 FUP 26-64 SU Y SFUP 15-42 F B7UPS 15-42 B5UP 15-18 B7

8

9

10

11

UP 15 SU & SFUP 15-18 B5UP 15-18 SU Y SFUM 15-10 B5

12 UM 15-10 B7

Rango de potencia 1/25, 1/12, 1,6Temp. del fluido: 140F Max.

50F Mn.Rango de fluido: 6-46 GPM

SISTEMAS ABIERTOS Hz

Capacidad en Galones / Min.

Carg

a to

tal e

n Pi

es

4. SISTEMA FORZADO

26

4.2. TUBERAS ENTRE TANQUE Y COLECTORES (CIRCUITO SOLAR):

Como circuito solar se entiende todos los tubos y vlvulas entre los colectores y el o (los) tanque(s).Para elegir el dimetro correcto de las tuberas principales en el circuito solar, se necesita la ayudadel cuadro No 3. En este cuadro se puede obtener la informacin de la velocidad del agua en lostubos con diferentes dimetros en m/s y la friccin en el tubo en cm/mt. lineal. La velocidad ptimapara un sistema forzado convencional es de 0.6 m/s. Valores hasta 1.0 m/s son todava acepta-bles. Sistemas tipo low - flow se pueden operar con un dimetro de tubos menor comparadocon el sistema convencional.

Pasos para elegir el dimetro de tubera correcto en el circuito solar forzado:

Primero hay que calcular el caudal total ptimo de los colectores en Lt./h (40 Lt./m2/h en el sistemaforzado convencional y 20 Lt./m2/h en un sistema, low - flow). Este dato se ubica en la parteinferior del cuadro y subiendo la lnea vertical hasta llegar a las lneas que indican los diferentesdimetros de tubos (de 3/8" - 2 1/2"), en el punto cruce entre el caudal y el dimetro del tubo seobtiene la velocidad con que el agua va a correr en el tubo. Adems de esta informacin en elmismo cuadro se puede obtener el dato de la friccin que se tiene en cm/mt del tubo de dichodimetro, pasando por el punto cruce a la izquierda en forma horizontal hasta el final.

Ejemplo:

Con 20 colectores a 2.1m2, el caudal ptimo en el sistema convencional es de: 20 x 2.1m2 =42m2 x 40 Lt./h. = 1680 Lt./h. Utilizando tubera de un dimetro de 1 1/4", la velocidad es de 0.6 m/s, un valor ideal. La friccin en el tubo es de 1.2 cm/mt. Si se instala con el mismo caudal tubos de1", la velocidad es de 0.9 m/s y la friccin en el tubo es de 4cm/mt., un valor todava aceptable. Eneste caso lmite es importante saber el largo total de la tubera en el circuito solar. En un total dehasta 20 mt (10 de ida y 10 de vuelta) se podra todava usar tubera de 1". En distancias de tuberadel circuito solar ms largas es mejor usar tubera del dimetro 1 1/4".

En la instalacin del circuito solar es recomendable usar codos de 45 en vez de 90 para nodisminuir el caudal de la bomba. Los tubos deben tener siempre una inclinacin haca arriba paraque el aire tenga la posibilidad de subir hasta el punto ms alto donde un desairador automtico lodeja escapar.

Adems del circuito solar, tambin hay friccin en los colectores. En un colector plano de tubosprincipales de 3/4" y nueve tubos paralelos de 3/8", la friccin por colector es de 7.5 cm de columnade agua.

Con los datos del caudal necesario y la friccin total, se puede elegir la bomba de recirculacinadecuada.

4. SISTEMA FORZADO

27

Cuadro # 3:

Para minimizar las prdidas calorficas en el circuito solar, se tiene que aislar con aislamiento tipoArmaflex o Rubatex a 3/8 de espesor todos los tubos de cobre y pintar el aislamiento en las partesdonde este expuesto al sol. El ahorro que se puede obtener con el aislamiento se puede observaren la siguiente tabla:

Perdida de energa calorfica en tuberas de cobre sin aislamiento para agua caliente en W/mt condiferentes delta-Ts

Cuadro # 4:

4. SISTEMA FORZADO

28

4.3. ESQUEMAS HIDRULICOS EN EL CUARTO DE MQUINAS

El esquema hidrulico depende del tipo sistema elegido (convencional o low - flow ) y el nmerode tanques que se instala en el cuarto de mquinas. Muchas veces el diseador est obligado ainstalar varios tanques ya que por razones de espacio o peso, un tanque gigante no entra al cuartode mquinas. Generalmente se puede decir que la mejor solucin en un diseo hidrulico es plani-ficar un solo tanque debido a que entre ms se mueve el agua de un punto a otro, menos eficienciada el sistema. En los siguientes dibujos se muestra los diferentes diseos hidrulicos en el cuartode mquinas.

Dibujo # 7:

Dibujo # 8:

4. SISTEMA FORZADO

29

4.4. GRUPO HIDRULICO

El grupo hidrulico es el conjunto de vlvulas, bomba, regulador y termmetros.

Para facilitar la instalacin del sistema solar es recomendable preparar en el taller todo los compo-nentes necesarios en el grupo hidrulico y unirlos a un grupo compacto. En el lado donde seencuentran la bomba y la vlvula antiretorna check se debe instalar unos uniones de topes, quepermiten un posible mantenimiento en caso necesario.

La vlvula ms delicada es la de antiretorno check, que tiene la funcin de evitar que el agua enhoras sin sol (sobre todo durante la noche) recircule entre los colectores y el tanque. De esta formalos colectores enfran el agua en el tanque y el sistema trabaja al revs. Segn varias experienciasen sistemas abiertos las vlvulas con solo conpuerta no funcionan y las de resorte funcionan du-rante los primeros meses y despus de un tiempo, pequeas partculas causan el problema depegarse en el empaque de la vlvula y no la dejan cerrar hermticamente. La solucin es la instala-cin de una vlvula check elctrica que se conecta elctricamente paralelo a la bomba.

En sistemas abiertos es recomendable que se instale en los dos tubos (entrada y salida del grupohidrulico), una llave de chorro (ver dibujo), que permite enjuagar el circuito solar y los colectores.En caso que el calcio cause con los aos problemas de incrustaciones (disminuyendo el dimetrooriginal de los tubos), con estas llaves, existe la posibilidad de enjuagar el campo de los colectoresy el circuito solar con un qumico que quita el calcio dentro de los tubos (puede ser vinagre). Lostermmetros permiten un control visual sobre el funcionamiento del sistema. Reguladorestermodiferenciales existen varios en el mercado, pero no todos llevan la misma calidad. Como estecomponente es de suma importancia en el sistema solar forzado, vale la pena de elegir un productode buena calidad que permite un funcionamiento sin problemas. Para sistemas solares mayores,se debera elegir un modelo que tiene un display que indica las temperaturas de los dos sensores.Eso permite un mayor control del funcionamiento en el sistema. A travs de las dos llaves de pasose puede cerrar la salida del agua hacia los colectores cuando se presenta algn problema demantenimiento.

DIBUJO # 9

4. SISTEMA FORZADO

30


El sistema hidrulico de los colectores depende del dimetro de los tubos principales del colector.La mayora de los fabricantes utiliza tubera tipo M de dimetro interno de 3/4" (externo 7/8"). Coneste dimetro, el caudal mximo que pasa por un tubo no debera superar los 1200 Lt./h. Estecaudal significa que se puede conectar en serie un mximo de 30 m2 14 colectores a 2.1m2. Encolectores de tubos principales de dimetros de 1", la fila de colectores en serie se puede hacer mslarga. Con estos tubos principales, el caudal mximo es de 1800 Lt./h lo que significa conectar enserie 45m2 21 colectores a 2.1m2.

En filas de tantos colectores, la dilatacin del material cobre puede causar problemas. Si se instalafilas de 14 y ms colectores, se debera instalar cada stimo colector unas uniones flexibles (abajoy arriba de los colectores). Los requisitos para el material de las mangueras son: soportar tempe-raturas hasta 170C a una presin de 150 PSI. En tiendas de distribucin para repuestos de moto-res, se puede encontrar dichas mangueras. La mejor solucin para la instalacin de 14 colectoreses formar dos campos a 7 colectores cada uno. Lo ms importante en el sistema hidrulico convarios campos de colectores es que se les interconecta en forma Tichelmann; eso significa que elcamino por recorrer del agua entre la entrada principal del campo de los colectores y la salidaprincipal, tiene que ser exactamente el mismo, no importa si el agua pasa por el colector uno elcolector siete. En el punto ms alto siempre se tiene que instalar un desairador automtico. Elsensor del controlador termodiferencial se debe instalar en la salida del ltimo colector, ubicadodirectamente en el tubo de cobre lo ms cerca posible al colector. El sensor se debe aislar bien,para que mida la temperatura exacta del mismo.

Dibujo # 10:

4. SISTEMA FORZADO

31

4. SISTEMA FORZADO

32

La eficiencia del sistema solar depende de varios factores. Sin embargo, los principales son lascondiciones climticas, la capacidad del colector, inclinacin y ajuste del colector y el sistemahidrulico. Las condiciones climticas se pueden medir a travs de medidores de la radiacin solaren valores instantneos y acumulado por tiempo (valor por da). La cantidad de la radiacin solardepende de la altura; entre ms alto el sitio, ms fuerte es la radiacin solar pero tambin ms frael agua que sale del tubo. En alturas de alrededor de 3000 mt sobre nivel mar, los rayos solarespueden alcanzar hasta 1100 W/m2. En sitios de 1000 mt s.n.m. en condiciones ideales el valor llegaa los 1000 W/m2. Asumiendo la cantidad de energa recibida en un rea fija (sin moverse durante elda), se habla para Centroamrica en promedio por ao de 5 kWh/m2/da.

En lugares muy soleados el promedio puede llegar hasta 6 kWh/m2/da. En un sistema directo (sinintercambiador de calor) bien elaborado su diseo y la instalacin, es posible aprovechar un 45%de esta energa como producto final, tener agua caliente dentro del tanque bien aislado.

En un sistema con 20 colectores a 2.1m2 cada uno y una radiacin solar promedio durante el ao de5 kWh/m2/da, el ahorro de energa es de 34 493 kWh al ao.

Ahorro = rea de colectores x Radiacin solar promedio x Eficiencia x das de operacin/ ao m2 kWh/m2/da % das

(20 colectores x 2.1m_ = 42m_ x 5 kWh/m_/da x 0.45 x 365 das)

5.1. ASPECTOS ECONMICOS

En trminos econmicos, la pregunta ms interesante es, en cuanto tiempo de amortizacin (payback time) se pueden obtener hoy los sistemas solares. Desde hace varios aos atrs las compara-ciones entre la energa solar y las energas irrenovables dan resultados bastante consternados parala energa solar.

EFICIENCIA DELOS SISTEMASSOLARES

5

33

Buscando los motivos de esta situacin, destacan entre otros, que no se compara justamente lasenergas renovables con las energas irrenovables. Los precios actuales para Diesel, Bunker y GasGLP todava son el enemigo nmero uno de los sistemas solares para calentamiento de agua.Aunque los grandes consumidores de energa tienen otra opinin, las energas irrenovables hoy daan se venden a costos que no cubren el dao que se causa al medio ambiente.

El constantemente aumento para Diesel, Bunker y gas GLP en los ltimos dos aos y al mismotiempo una reduccin en los costos de la fabricacin de los equipos solares, dan la esperanza quedentro de un futuro cercano los sistemas solares resulten competitivos a los sistemas que utilizanenergas fsiles. La fuente de energa donde los sistemas solares hoy da llegan a tiempos deamortizacin entre 3-5 aos en Centroamrica, es la energa elctrica.


Comparar econmicamente la energa solar trmica con otras fuentes de energa, es un asuntosumamente delicado. Para llegar a un resultado objetivo hay que tomar en cuenta los siguientesaspectos.

- Los precios de las energas convencionales

- El consumo de energa

- El rendimiento de los sistemas

- La inversin inicial en los equipos

- El costo de mantenimiento

- La vida til de los sistemas

Al nivel internacional se habla cada vez ms de daos al medio ambiente causados por las energasirrenovables como la contaminacin de aire, aguas, accidentes de barcos en transporte de com-bustible, entre otros.

Estos daos generan costos que no estn incluidos en los precios de los combustibles.

Costo de diferentes fuentes de energa en Costa Rica en noviembre del ao 2000:

Fuente de energa: Costo por Lt.: Poder calorfico / kg: Peso especfico:

Diesel $ 0.47 11.7 kWh 0.765 kg/LtBunker $ 0.19 11.2 kWh 0.986 kg/Lt.Butano/Propano $ 0.33 13.7 kWh 0.54 kg/Lt.

5. EFICIENCIA DE LOS SISTEMAS SOLARES

34

Electricidad:

Uso: Costo por kWh

Residencial (promedio) $ 0.082

Hoteles (promedio) $ 0.113

Industrias (promedio) $ 0.093

Para evaluar el consumo y costo de energa para sistemas de calentamiento de agua, adems deconocer el costo de la fuente de energa, es importante de conocer la eficiencia energtica delequipo.

Ejemplos de comparaciones econmicas entre un sistema solar y una caldera de Diesel, unquemador de gas y un tanque elctrico: (sin tomar en cuenta intereses sobre el capital)

Datos generales:

- Consumo de agua caliente a 55C por da: 1.5 m3

- Energa necesaria por da para calentar 1.5 m3 de agua de 23C hasta 55C: 55.8 kWh

Volumen x Factor trmico x Diferencial de temperaturas m3 1.163 K

(1.5m_ x 1.163 x 32K)

a) Caractersticas del sistema de generacin de agua caliente con energa solar:

- Eficiencia del sistema solar: 45%

- Radiacin promedio por ao por m_/da: 5 kWh

- Costo inicial sistema solar: forzado con dos tanques de1190 Lt. (315 Gls.),12 colectores y respaldo elctricocomo energa auxiliar: $ 12500


35

- Costo promedio de mantenimiento por mes: controlvisual y lavado de los vidrios: $ 10

- Costo de electricidad por mes por el uso de la energaauxiliar (en caso de falta del sol) $ 10

- Vida til del sistema solar: (colectores 25 aos) tanque: 180 meses (m)

Costo total por mes de un sistema de agua caliente con energa solar: (calculando inversininicial con vida til de 15 aos incluyendo costos de operacin):

Costo inicial + costo de mantenimiento en 180 meses + consumo de electricidaden 180 meses / 180 meses

$12500 + (180 m x $10) + (180 m x $10) = $89 / mes 180 m

b) Caractersticas de un sistema de generacin de agua caliente con caldera de Diesel:

- Eficiencia de una caldera de Diesel: 70%

- Poder calorfico de Diesel: 11.7 kWh/kg

- Peso especfico de Diesel: 0.765 kg/Lt.

- Costo de Diesel por Lt. $ 0.47

- Costo inicial del sistema con caldera: $ 4500

- Costo promedio de mantenimiento por mes: $ 30

- Vida til de la caldera: 180 meses

Consumo de Diesel por mes:

Demanda energtica x das al mesPoder calorfico de Diesel x Eficiencia


36

55.8 kWh x 30.5 d = 208 kg Diesel / mes11.7 kWh/kg x 0.7

Costo de Diesel por mes:

Consumo de Diesel al mes x Costo de Diesel / Lt. Peso especfico de Diesel

208 kg x $ 0.47/ Lt. = $ 128 0.765 kg/Lt.

Costo total de un sistema de agua caliente con caldera por mes: (calculando inversin inicialcon vida til de 15 aos incluyendo costos de operacin):

Costo inicial + consumo de Diesel en 180 meses + costo de mantenimientoen 180 meses / 180 meses

$ 4500 + (180 m x $ 128) + (180 m x $ 30) = $ 183 / mes 180 m

c) Caractersticas de un sistema de generacin de agua caliente con un quemador de gas:

- Eficiencia de un quemador de gas: 85%- Poder calorfico de gas: 13.7 kWh/kg- Peso especfico de gas: 0.54 kg/Lt.- Costo de gas por Lt. $ 0.33- Costo inicial del sistema con gas (quemador, tanque): $ 1500- Costo solo quemador de gas: $ 430- Costo promedio de mantenimiento por mes: $ 10- Vida til del quemador: 7.5 aos


37

Consumo de gas por mes:

Demanda energtica x das al mesPoder calorfico de gas x Eficiencia del quemador

55.8 kWh x 30.5 d = 146 kg de gas / mes13.7 kWh/kg x 0.85

Costo de gas por mes:

Consumo de gas al mes x Costo de gas / Lt. Peso especfico de gas

146 kg x $ 0.33/Lt. = $ 89 / mes 0.54 kg/Lt.

Costo total de un sistema de agua caliente con un quemador de gas por mes: (calculando inver-sin inicial con vida til de 15 aos incluyendo costo de operacin):

Costo inicial (dos quemadores en 15 aos incluyendo costo de instalacin del segundo) + consumode gas en 180 meses + costo de mantenimiento en 180 meses / 180 meses

$ 2030 + (180 m x $ 89) + (180 m x $ 10) = $110 / mes 180 m


38

d) Caractersticas de un sistema de generacin de agua caliente con un tanque elctrico:

- Eficiencia de una resistencia elctrica: 98%- Costo de electricidad por kWh: $ 0.113- Costo inicial del tanque elctrico (80 Gls.) $ 450- Costo pro medio de mantenimiento por mes: $ -- Vida til del tanque elctrico: 15 aos

Consumo de electricidad por mes:

Demanda energtica x das al mesEficiencia de la resistencia elctrica

55.8 kWh x 30.5 d = 1737 kWh / mes 0.98

Costo de electricidad por mes:

Consumo de electricidad x costo de electricidad

1737 kWh x $ 0.113 / kWh = $ 196

Costo total de un sistema de agua caliente con un tanque elctrico por mes: (calculando inver-sin inicial con vida til de 15 aos incluyendo costo de operacin):

Costo inicial + consumo de electricidad en 180 meses 180 meses


39

$ 450 + (180 m x $ 196) = $ 199 / mes 180 m

Cuadro comparativo de costos por mes durante 15 aos de diferentes sistemas decalentamiento de agua

Costo del sistema solar por mes $ 89

Costo del sistema con caldera de Diesel por mes $ 183

Costo del sistema con quemador de gas por mes $ 110

Costo del sistema con tanque elctrico por mes $ 199


40

Para algunas aplicaciones en sistemas solares, el diseador est obligado a utilizar sistemas conintercambiador de calor por motivo de higiene o cuando se trata de calentar alguna otra sustancia(por ejemplo la leche).

Generalmente existen dos tipos de intercambiadores de calor. La diferencia consiste en unintercambiador externo y un intercambiador interno. El intercambiador de calor externo ms usado,es el tipo de placas. Como dice su nombre su composicin es de varias placas metlicas, unaencima de la otra. Entre los pequeos espacios entre las placas se deja circular los medios paraintercambiar el calor. Este tipo de intercambiador solo es recomendable en aplicaciones donde noes posible que se cierren estos pequeos canales en poco tiempo por problemas de calcio.

En un intercambiador de calor interno, se instala un serpentn (por ejemplo tubo de cobre flexibleenrollado) dentro de un recipiente; entre ms tubo se instale, ms eficientemente trabaja el sistema.

El uso de un intercambiador de calor, siempre significa una prdida de eficiencia del sistema y hayque tratar de reducir al mnimo dicha prdida. La eficiencia se da en el rea de la superficie donde seintercambia el calor entre los dos medios.

Desde el punto vista eficiencia, el intercambiador externo tipo placas trabaja con mayor rendimien-to, pero necesita una segunda bomba de recirculacin. El caudal de las dos bombas tiene que sera la inversa. La velocidad de los dos caudales juega un rol de suma importancia, as que el rendi-miento podra variar por el factor tres.

A continuacin se indican las ventajas y desventajas de cada uno:

Ventajas de un intercambiador de calor interno:

- No requiere una segunda bomba de recirculacin

- Fcil en su diseo y de calcular su eficiencia

SISTEMA FORZADOCERRADO6

41

Desventajas de un intercambiador de calor interno:

- Las conexiones en las perforaciones en la pared del recipiente

Ventajas de un intercambiador de calor externo:

- Se le puede aplicar a cualquier tanque existente

- Trabajo de alta eficiencia en un rea pequea

Desventajas de un intercambiador de calor externo:

- Requiere una segunda bomba de recirculacin

- Podran presentarse problemas por el calcio.

Dibujos # 11:

Determinacin de capacidad necesaria para un intercambiador de calor:

Para obtener un diferencial de temperatura adecuada en el circuito solar se recomienda la siguienteregla bsica:

Por cada m2 de rea de colectores se necesita: 0.7 KW de capacidad


42

Area necesaria en diferentes intercambiadores de calor:

- 0.05 m3 / cada m3 de rea colectora en un intercambiador de placas

- 0.08 m3/ cada m3 de rea colectora en un intercambiador de registro de tubo

Utilizar un intercambiador de calor en un sistema solar requiere la instalacin de un tanque deexpansin un sistema de expansin abierto para compensar las diferentes presiones por lasvariadas temperaturas que hay en el circuito solar. La expansin abierta significa que paralela-mente de los tubos del circuito solar, se debe instalar un tubo hasta un tanque abierto ubicado unmetro ms elevado que el punto ms alto de los colectores. Este tanque podra ser un estanabierto conectado con una vlvula de flotador, como las usadas en los tanques sanitarios. Lostanques de expansin son bien conocidos como tanques de presin (hidroneumticos) para siste-mas de bombeo en las instalaciones de fontanera.

Para prolongar la vida til de estos tanques hidroneumticos, es muy importante evitar que entreagua caliente a los tanques (daa la membrana). La forma ms practica para evitar este problemaes la instalacin de un sifn (termostop) antes de conectar el tubo del circuito solar al tanque deexpansin.

Determinacin volumen del tanque de expansin:

El volumen del tanque de expansin necesita un 20% del volumen total en todo el circuito solar(incluido los colectores y el intercambiador de calor).

Ejemplo para determinar el volumen del tanque de expansin:

- 10 colectores a 2 Lt./colector: 20 Lt.

- 15 mt tubera 3/4" entre colectores y tanque: 8.5 Lt.

- 28 mt intercambiador de calor en tubo flexible de CU 3/4" 6 Lt.

Total volumen del circuito solar: 34.5 Lt.

Capacidad del tanque de expansin: 34.5 Lt x 0.2 = 6.9 Lt.


43

Dibujos # 12:

SISTEMA CERRADO CON TANQUE DE EXPANSIN:

SISTEMA CERRADO CON EXPANSIN ABIERTA:


44

Generalmente no hay gran diferencia entre un sistema solar para un hotel y un sistema solar paraproceso industrial. Si se trata de generar temperaturas hasta 55C, el diseo puede ser el mismocomo el del sistema para hoteles.

Lo ms importante es conocer la temperatura requerida y el consumo. Normalmente las tempera-turas necesarias en procesos industriales son de 60C hacia arriba. La gran desventaja de loscolectores planos es, que la eficiencia del colector disminuye con el aumento de la temperatura deoperacin (ver hoja de certficacin en la pgina 55 del manual construccin de colectores). Sinembargo, existen colectores que trabajan con alta eficiencia tambin con temperaturas de 60Chacia arriba. Estos colectores se llaman colectores al vaco, pero hasta hoy da no se logr cons-truir estos colectores a una relacin costo - beneficio satisfactoria. El sistema donde la energasolar puede jugar un papel de suma importancia para procesos industriales, es un sistema deprecalentamiento de agua.

7.1 COLECTORES

Dependiendo de la temperatura requerida se puede emplear el colector solar apto. Tal como men-cionamos anteriormente, para altas temperaturas se debera usar colectores al vaco. Estos colec-tores parecen en su aspecto fsico un tubo fluorecente transparente. Dentro del tubo de vidrio seencuentra un absorbedor que enva el calor hacia arriba y ste se transmite a travs de unintercambiador de calor al agua circulando. El secreto de la alta eficiencia est en el vaco dentro deltubo de vidrio que no permite prdidas calricas por su excelente aislamiento y un gas que circuladentro del colector. Este tipo de colector se puede emplear de 20 a 270C. El costo por m_ esaproximadamente 1.5 hasta 2 veces del costo de un colector plano.

Para temperaturas entre 20 y 60C, el colector apto es el colector plano. Cuando se opera a unamenor temperatura, se obtiene mayor rendimiento. Una solucin interesante para unprecalentamiento de un proceso industrial de alta consumo es el empleo de colectores solares parapiscina. El costo por m2 definitivamente es mucho menor que el de un colector plano y hasta 30C

SISTEMAS SOLARESPARA PROCESOSINDUSTRIALES7

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trabaja casi con la misma eficiencia. Una desventaja es, que este tipo de colector no soportapresin y por eso hace necesario el uso de un tanque de almacenamiento abierto (por ejemplo decemento). La presin mxima para operar un colector para piscinas es de 30 libras.

7.2. SISTEMAS DE RECUPERACIN DE CALOR

Antes de hablar de instalar sistemas de generacin de calor, siempre se debera tratar de reducir elconsumo de energa al mnimo. Una de las herramientas ms eficientes son sistemas de recupera-cin de calor. Por ejemplo el agua sucia de una lavadora industrial de alta temperatura en vez deenviarla a las tuberas de aguas negras, debera pasar primero a un intercambiador de calor paratransmitir el calor del agua usada. Otra posibilidad es la instalacin de un serpentn de cobreinstalado en una chimenea de un secador de ropa, alimentado por vapor. Al serpentn se conectauna pequea bomba de recirculacin que lleva el calor recuperado a un tanque aislado de almace-namiento de agua. Con esta agua precalentada se podra alimentar la caldera para reducir el consu-mo de combustible.

Una de los recursos energticamente muy interesantes y hasta hoy poco aprovechado es la recu-peracin de calor de los sistemas de aire acondicionados grandes para hoteles.

Dibujos # 13:

7. SISTEMAS SOLARES PARA PROCESOS INDUSTRIALES

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La aplicacin ms lgica de la energa solar son los sistemas de calefaccin de piscinas. Con unrango de temperaturas entre 20 a 30C, los colectores plsticos trabajan con una eficiencia muyalta. La instalacin de colectores planos (sin intercambiador de calor) no es recomendable porproblemas de corrosin (cloro y pequeas cantidades de orina provocan corrosin en el materialde cobre). Al igual que en los colectores planos, el rendimiento de los colectores plsticos dependede la temperatura de operacin. Entre ms alta esta temperatura, menos eficiencia se puede espe-rar. En lugares de temperaturas del medio ambiente promedio de 20C, difcilmente se puedealcanzar una temperatura de la piscina de 30 grados ms. Esto es posible, pero el aumento delrea de los colectores y lgicamente el precio del sistema, suben en exageracin. Para piscinas,donde el cliente desea temperaturas que se use normalmente en sistemas de aguas turbulentas, lasolucin energtica ms inteligente es un sistema solar, diseado para alcanzar una temperaturahasta 28C entonces los grados faltantes se calientan con un quemador de gas.

8.1. CONSUMO Y PERDIDA DE ENERGA

Las prdidas de calor del agua de la piscina dependen de varios factores sin embargo, el msimportante es la diferencia de temperatura del medio ambiente a la del agua de la piscina. Entrems alto este diferencial de temperatura, ms altas son las prdidas (sobre todo durante la noche).Si se quiere mantener una temperatura fija de x C, la energa diaria que se debe introducir a lapiscina tiene que ser la misma que la prdida que halla durante la noche. Quiere decir, si se pierdedurante la noche 2.5 K, el sistema solar junto con el calentamiento directo del sol a la piscinadeben cubrir estos 2.5 K.

Hablando de nmeros podemos decir que consumidores de energa ms grandes son las piscinascon calefaccin. Si se pierde en una noche en una piscina de 5 x 8 x 1.5mt (60m_) 2.5K, la energanecesaria de los colectores para cubrir la prdida de calor es de 174 kWh (60m_ x 1.163 x 2.5K).

Los colectores plsticos de alta eficiencia, segn certificaciones de centros de investigaciones,pueden lograr un rendimiento mximo de 3 kWh/m_/da (temperatura de la entrada al colector =temperatura del medio ambiente), en porcentajes se puede hablar de un rendimiento mximo de un60%. Un valor ms real es un rendimiento de un 50% para piscinas, las cuales no se enfran

SISTEMAS MAYORESPARA CALEFACCINDE PSICINAS8

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diariamente por completo. Para generar 174 kWh/da en una regin donde la radiacin promedioes de 5 kWh/m2/da y el rendimiento del colector se estima en 50%, el rea necesaria de colectoressolares es de 70m2. Generar 174 kWh de energa a travs de energa elctrica significara un costodiario de $ 19.14 (calculando un costo de $ 0.11/ kWh). A travs de este dato se nota el gran ahorroque se puede obtener de sistemas solares para calefaccin de piscinas.

8.1.1. COBERTOR TERMICO

Como se mencion anteriormente, el consumo de energa en las piscinas con calefaccin es muygrande. En primer instancia se debera tratar de reducir dicho consumo. Una de las solucionesms eficientes es cubrir la piscina durante las noches con un cobertor trmico. El uso de dichocobertor tiene mucha importancia en piscinas abiertas con poca proteccin del viento. El viento esel enemigo nmero uno para la perdida de calor en las piscinas.

Como ley natural sabemos, que el agua ms caliente siempre se ubica en la posicin superior,quiere decir, las prdidas de calor en las piscinas en un 90% se tienen en el rea de la superficie. Larelacin superficie - profundidad es de mucha importancia por el comportamiento del agua en laspiscinas, respecto a las prdidas y calentamiento. Poca rea y mucha profundidad, minimizan lasprdidas nocturnas por la capacidad del agua de almacenar durante mucho tiempo el calor. Comodesventaja destaca, que en una piscina de estas caractersticas, la radiacin solar directa durante elda tiene poca rea por calentar y por eso la temperatura sin sistema de calefaccin es ms fra enrelacin de una piscina con mucha rea y poca profundidad. Generalmente se puede decir, que unapiscina de poca rea y mucha profundidad, trabaja energticamente ms lento. El cobertor enton-ces, tiene su aplicacin energticamente con ms sentido en piscinas sin proteccin del viento y enuna piscina de mucha rea y poca profundidad.

Lamentablemente los productos en el mercado no cumplen con una buena calidad. El productoms conocido es un plstico con burbujas de aire que normalmente se usa como material deproteccin de mercadera que se debe transportar. Segn informacin de los distribuidores en losEstados Unidos, el material debera ser resistente a los rayos ultra violeta. Experiencias realizadasmostraron lo contrario. Un cobertor que se dej puesto sobre la piscina, durante casi un ao,estaba muy daado y dbil por los rayos del sol. Para garantizar una vida til de por lo menos seisaos, se debera enrollar el cobertor en la maana temprano y cubrir el rollo con una tela, que loproteja de los rayos ultra violeta.

Segn mediciones realizadas, con un cobertor trmico, se puede reducir las prdidas nocturnashasta un 50%. Eso significa ahorrar una gran cantidad de energa y para obtener la misma tempe-ratura, se puede disminuir el rea de los colectores lo que implica una reduccin del costo delsistema. Con un producto inteligente (resistente a los rayos ultra violeta y de fcil manejo) posible-mente se podra entrar fuertemente al mercado Centroamericano.

8. SISTEMAS MAYORES PARA CALEFACCIN DE PISCINAS

48

8.2. DIMENSIONAMIENTO AREA DE LOS COLECTORES

Para el dimensionamiento del rea de los colectores se debe conocer la temperatura deseaba delcliente y sobre todo el punto ms importante, las prdidas de energa calorfica por la noche. Estepunto nicamente se puede averiguar en caso que se trate de sustituir un sistema de calentamiento(gas bomba de calor) existente. Por el contrario se debe estimar las prdidas nocturnas y cono-cer los datos climatolgicos (radiacin solar).

La temperatura promedio de las piscinas sin calefaccin en centroamrica en las regiones entre900 y 1200 m.s.n.m. estn entre 21 y 24C. Las prdidas nocturnas como aprendimos, dependende varios factores, el ms importante es el diferencial de temperatura entre el aire y el agua. Entrems alto dicho diferencial, ms energa calorfica se pierde. Consideramos operar una piscina demedidas comunes (5 x 8 x 1.5m) con una temperatura de 27 a 28C, donde las prdidas nocturnasandan alrededor de 2K por noche.

Demanda energtica (De) necesaria para calentar 60m2 a 2K por da:

Volumen x Factor trmico x Diferencial de temperatura

60m3 x 1.163 x 2K/da = 140 kWh

Area necesaria de colectores para generar 140 kWh/da:

- Radiacin solar promedio: 5 kWh/m2/da

- Rendimiento del sistema solar: 50%

- Tamao del colector: 4.5m2

Demanda energticaRadiacin solar x Rendimiento del sistema solar

140 kWh/da = 56 m25 kWh x 0.5


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Nmero de colectores necesarios:

56m2 / 4.5m2 = 12 colectores

Ejemplo de una piscina de competencias:

Datos generales:- Largo de la piscina: 50m- Ancho de la piscina: 20m- Profundidad promedio: 1.5m- Capacidad de la piscina: 1500m_- Rendimiento del sistema solar: 50%- Radiacin solar promedio: 5kWh/m_/da- Temperatura requerida: 27C- Perdida promedio por da: 1.5K

Demanda energtica (De) por da:

Volumen x Factor trmico x Diferencial de temperatura

1500m2 x 1.163 x 1.5K = 2617 kWh

rea de colectores solares necesaria para cubrir 2617 kWh por da:


2617 kWh/da = 1047 m2 5 kWh x 0.5

Nmero de colectores necesarios: 1047m2 / 4.5 = 232 colectores

Costo aproximado del sistema solar: $70.000 - $75.000


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Consumo de gas por da para mantener la temperatura en 27C

- Demanda energtica por da (De): 2617 kWh

- Eficiencia de un calentador de gas (n): 85%

- Poder calorfico de gas Propano/Butano (Pe): 13.7 kWh/kg

- Peso especfico del gas (We): 0.54 kg/Lt.

- Costo de gas: $ 0.33 / Lt.

De x costo de gas Pe x n x We

2617 kWh/da x $ 0.33/Lt. = $ 137/da de gas13.7 kWh/kg x 0.85 x 0.54 kg/Lt.

A travs de estos nmeros se puede notar la alta cantidad de energa que se requiere para calentaruna piscina grande. En caso que se pueda tener influencia en la planificacin de una nueva piscinadonde las medidas no deben ser las de una de competencias, la recomendacin debera ser detratar elegir una piscina ms pequea, pero con un sistema solar de calefaccin que est al alcancede las posibilidades econmicas.

8.3. DIMENSIONAMIENTO TUBERA CIRCUITO SOLAR

El dimensionamiento del circuito solar se define a travs del caudal requerido de los colectores.Los colectores solares para piscina no tienen mucha diferencia de una marca a otra. Sonabsorbedores plsticos resistentes a los rayos ultra violeta, tienen dos tubos principales y alrede-dor de 100 tubos paralelos por elemento.

Los tubos principales casi todos son fabricados con un dimetro interno de 1 1/2". El ancho delcolector anda en 1.2 mt y el largo en 3.8 mt lo que da un rea de 4.5 m2 por elemento. Existentambin colectores con reas inferiores, pero la mejor relacin costo - rendimiento se obtiene conlos elementos ms grandes de 4.5 m2.


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Al igual que en el dimensionamiento de los colectores planos, para colectores de piscina se hablatambin de un caudal recomendable. Dicho caudal debe ser bien alto para que el colector trabajecon su mximo rendimiento. Para elementos de 4.5 m2 el caudal es de 5 GPM (galones por minuto) 18.9 Lt./Min. Para alimentar 10 colectores a 4.5 m2, la bomba debera traer 50 GPM (189 Lt/Min.)hacia los colectores. Para que la bomba trabaje con poca resistencia por friccin, es importanteelegir el dimetro adecuado de los tubos y tratar de evitar instalar muchos codos de 90. En elsiguiente cuadro se encuentra las informaciones, del caudal mximo por diferentes dimetros detubos. Adems se muestra la friccin en pie (30.5 cm) por 100 pies (30.5mt). En el caso, que latubera entre el cuarto de mquinas y los colectores son muy largos (ms de 60 mt.) se deberausar tubera de un dimetro ms grande. Lo mismo aplica para sistemas de gran diferencia dealtura (ms de12 mt).

Nota: Por razn que en Centroamrica todos los distribuidores de bombas para piscinas hablan engalones por minuto y pies, la siguiente tabla se hizo en dichas medidas.

Caudal en GPM: Dimetro interior del tubo: Friccin en pie/100 pies

50 1 1/2" 16.5

90 2" 14.3

125 2 1/2" 10.8

200 3" 8.9

350 4" 6.5

600 6" 2.4

900 8" 1.3

Estos datos se refieren para tubos de material PVC. El espesor de la tubera tiene que ser comomnimo de 26 SDR lo que significa que soportan una presin mxima de 160 PSI. No se puedenutilizar tubos sanitarios en el circuito solar de un sistema de calefaccin de piscina. Como los tubosPVC tienen poca proteccin contra los rayos ultra violeta, es muy importante pintarles en todo elrea donde el tubo este expuesto al sol. La pintura que ms protege los tubos es una pintura de tipoimpermeabilizante .


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El aspecto ms importante en interconectar los diferentes campos de colectores, es conocer elnmero mximo permitido de colectores que se puede instalar en una fila (campo). Con colectoresde tubos principales de 1 1/2" y un rea por elemento de 4.5 m2, el lmite es de ocho unidades. Unaexcepcin se podra hacer en caso de que se trate de una instalacin de nueve colectores. Nmerode colectores tales como 11, 13, 15, 17 y 19 no se debera planificar instalarlos, por el problemaque estos nmeros no permiten instalar campos con la misma cantidad de colectores.

Es sumamente importante interconectar los diferentes campos de colectores a travs del sistemaTichelmann. Este sistema garantiza que existe en cada colector instalado el mismo caudal (deesta manera no le hacen falta las llaves de paso en el rea de los colectores). El secreto para queesto funcione est en que desde la entrada y la salida principal, el agua tiene que correr el mismotrayecto. En caso que no se cumpla este punto tan importante, el agua busca el camino ms cortoy por lgica este campo tendr ms caudal que los otros, eso significa una prdida en la eficienciadel sistema. En caso que por problemas de espacio, se deba utilizar un segundo techo para ubicarlos colectores, por obtener el mismo caudal en todos los campos, hay que instalar llaves de paso enla salida de cada campo. Durante la puesta en marcha se tiene que medir la temperatura exacta encada salida de cada campo para empezar a igualar el caudal y la temperatura. Si en el camponmero uno, la temperatura es menor que en el campo nmero dos, se tiene que cerrar lentamentela llave de paso en el uno para reducir el caudal en el mismo y por lgica se aumentar el caudal enel campo dos. Estos ajustes deben realizarse lentamente hasta que la temperatura est al 1/10centgrado.

En sistemas con varios campos de colectores es indispensable calcular el caudal necesario porcada tubo en el circuito solar, para elegir el dimetro correcto por cada tubo. Lgicamente los dostubos principales tendrn los dimetros de tubos ms grandes. Para la alimentacin y salida porcada ocho colectores se puede utilizar tubera de 1 1/2". Los tubos que junten dos campos yarequieren tubera de 2". En los siguientes dibujos se muestra varias posibilidades de conectardiferentes campos de colectores. La meta siempre debe ser utilizar el sistema Tichelmann.

Dibujos # 14:


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8.5. ESQUEMA HIDRULICO EN EL CUARTO DE MQUINAS

Los cambios por realizar para convertir el circuito existente entre la piscina y la bomba a un siste-ma solar, normalmente no son complicados. En el tubo que sale del filtro, se tiene que instalar unavlvula de tres vas. La mayora de las vlvulas que se encuentra en el mercado de Estados Unidos,tienen las dos opciones de conectarla con tubo de PVC de 2" 2 1/2". La va que siempre estabierta, es la va donde llega el agua desde el filtro (conexin central de la vlvula). Las dos restan-tes vas, son la conexin hacia los colectores y la conexin que une de nuevo el paso hacia la


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piscina. Estas dos conexiones trabajan alternadas, quiere decir que una conexin siempre estcerrada, mientras que la otra est abierta. La vlvula est controlada por un control termodiferencial,que slo le da paso al agua hacia los colectores en caso que el sensor en el techo mide una tempe-ratura superior a la del agua de la piscina. El tubo que regresa desde los colectores se une con unaunin T al tubo que va a la piscina. El asunto se complica en una piscina grande, donde trabajanvarias bombas; en este caso existen dos posibilidades:

1. Se trabaja con una sola vlvula de tres vas. Esta vlvula debera ser una vlvula grande dedimetro por ejemplo de 4" en caso que halla tres bombas con tubos de 2" cada uno. Ladesventaja de este sistema es, que estas vlvulas son difciles de conseguir en el mercado.

2. La segunda y mejor opcin es, la instalacin de varias vlvulas. En un sistema de tres bombasque cada una lleva tubera de 2" se instala como en un sistema individual una vlvula porbomba. En este caso, se unen los tres tubos de las vas hacia los colectores a un solo tubo demayor dimetro (por ejemplo 4"). Todas estas vlvulas estn controladas por un mismo con-trol.

Dibujo # 15:

Sistema hidrulico comn.


55

En caso que el caudal de la bomba existente no sea suficiente se podra instalar una bomba adicio-nal, ubicada en el circuito solar despus de la vlvula de tres vas, conectarla paralelamente conesta vlvula.

Dibujo # 15A:

Otro componente de gran importancia en el circuito hidrulico de una piscina es la bomba. Enconstrucciones nuevas, a travs del caudal necesario de los colectores, se puede elegir el caudalnecesario de la bomba. Como en la mayora de las instalaciones de sistemas solares para calefac-cin de piscinas se trata de obras existentes, se tiene que usar la bomba ya instalada. Las bombasen el circuito hidrulico tienen que circular toda el agua de la piscina una vez al da entre elfiltro y la piscina. El tiempo apropiado para este trabajo se debe calcular en alrededor de seishoras. La siguiente tabla le da una ayuda para estimar con que capacidad de la bomba se puedecalcular que caudal se tendr.

Capacidad de la bomba Galones por minuto

1 HP (0.746 KW) 80

1.5 HP (1.119 KW) 95

2 HP (1.492 KW) 105

3 HP (2.238 KW) 120


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En ninguna comparacin econmica, la energa solar da mejores resultados como es en el caso decalefaccin de piscina. En este tipo sistemas se puede ahorrar el tanque y la bomba; en el circuitosolar, el material de PVC resulta ms barato que el cobre que es necesario en sistemas concolectores planos.

Comparando el precio por metro cuadrado entre un colector plano y un colector plstico de piscina,se da el siguiente resultado: colector plstico $ 45/m2 y colector plano $ 125/m2. La diferenciaconsiste en el tipo de material usado para los colectores; vidrio, aislante, cobre y aluminio sonmateriales que son mucho ms caros que el material plstico de polietileno o polipropileno en lafabricacin de un colector de piscina. La eficiencia de los colectores planos y plsticos es similarpor el diferente uso que se le da (rango de operacin de temperatura).

Para calefaccin de piscina las nicas dos competencias de los sistemas solares, son los sistemasde calefaccin a gas y bombas de calor. Mientras los sistemas de gas son conocidos, las bombasde calor en Centroamrica casi no se conocen. Su funcionamiento principal es el contrario del deun sistema de refrigeracin. Trabaja con un compresor elctrico y un circuito cerrado de refrigerante.Como fuente de energa se aprovecha el calor del aire que se gana a travs de un intercambiador decalor.

El rendimiento de estos sistemas para calefaccin de piscinas anda de 1 entre 2.5 (una parte es elconsumo propio de electricidad para el compresor y dos y medio partes es la ganancia en energacalorfica). Quiere decir, que se obtiene con una bomba de calor 2 1/2 veces ms energa calorfica,que se necesita para el propio consumo.

Ejemplo de comparacin econmica entre la energa solar, un sistema de calefaccin de gas y unabomba de calor:

Datos generales:

Demanda energtica (De) por da: 1050 kWh

Datos para el sistema solar:

- Radiacin solar promedio: 5.0 kWh / m_/da

- Rendimiento sistema solar (n): 50 %

- Area neto por colector: 4.5m2


57

Area necesaria de colectores para generar 1050 kWh/da:


1050 kWh/da = 420 m25 kWh x 0.5

Nmero de colectores necesarios: 420 m2 / 4.5 = 94 colectores

Costo sistema solar: $ 35.000

Sistema de calefaccin con un quemador de gas:

Datos generales:

- Rendimiento del quemador (n): 85%

- Poder calorfico de gas (Pc): 13.7kWh/kg

- Peso especfico de gas (Wc): 0.54 kg/Lt

- Costo de gas por litro: $ 0.33

Generar 1050 kWh de energa calorfica por da con un quemador de gas requiere:

Demanda energtica Poder calorfico x rendimiento del quemador x Peso especifico de gas

1050 kWh/da = 167 Lt. gas por da13.7 kWh/kg x 0.85 x 0.54 kg/Lt

Costo de gas por da: 167 Lt. x $ 0.33/Lt. = $ 55


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Costo de gas por ao: 365 x $ 55 = $ 20.075

Sistema de calefaccin con bomba de calor:

Datos generales:

- Rendimiento de la bomba de calor: 2.5

- Costo por cada kWh: $ 0.093

Generar 1050 kWh de energa calorfica por da con una bomba de calor requiere:

1050 kWh / 2.5 = 420 kWh

Costo de electricidad por da: 420 kWh x $ 0.093 = $ 39

Costo de electricidad por ao: 365 x $ 39 = $ 14.235

Tiempo de amortizacin (pay back time):

Costo del sistema solar / costo de combustible por ao:

a. Comparacin sistema solar con sistema de calefaccin de gas:

$ 35.000 / $ 20.075 = 1.8 aos

b. Comparacin sistema solar con sistema de calefaccin con bomba de calor:

$ 35.000 / $ 14.235 = 2.6 aos


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Cuadro # 5:

HOJA DE COMPARACIN DE COSTOS


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9.1. EJEMPLO SISTEMA FORZADO ESTNDAR

Datos generales Hotel Sol y Mar:

- Ubicacin cerca del mar con temperaturas promedio de 29.5C al ao

- Temperatura de agua fra 25.5C

- Radiacin solar con un promedio por ao de 5.6 kWh/m_/da

- 80 Habitaciones dobles con duchas

- Restaurante con capacidad para 160 personas

- Lavado de platos a mano

- Lavandera con 3 lavadoras grandes con su propio sistema de calentamiento de agua elctrico:para el lavado a mano se calcula 400 Lt de agua caliente a 60C/da

Determinacin del consumo total de agua caliente:

- Consumo mximo en las duchas: (160 x 33 Lt. ) 5280 Lt/da

- Consumo en la cocina: (160 x 3 Lt.) 480 Lt./da

- Lavandera: lavado a mano 400 Lt./da

Consumo total por da: 6160 Lt. ( 5280 Lt. a 50C y 880 Lt. a 60C)

Determinacin volumen del tanque:

(Consumo mximo / da x 25% de seguridad):

6160 Lt. x 1.25 = 7700 Lt. (2037 Gls.) = 3 tanques a 2567 Lt (679 Gls.)

ANEXOS9

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Material para los tanques:

- Cilindros metlicos en hierro negro con tratamiento de tres manos con resina epoxica horneadosy tres nodos de magnesio por tanque.

- Aislamiento de fibra de vidrio espuma de poliuretano (lminas de colchones con poco mate-rial de poliuretano y alto porcentaje de aire encerrado), espesor 10 cm (4").

- Forro en lona impermeable de tienda de campaa.

- Un termmetro por tanque para mayor control de temperatura.

Determinacin del rea total de los colectores:

Area total de colectores:

(Por cada 75 Lt. del consumo total por da, 1m2 de rea de colectores)

- Consumo total por da (Ct): 6160 Lt.

- Volumen a calentar por cada m2 (Vc): 75 Lt.

- Area neta por colector (Ac): 2.1 m2

Ct / Vc / Ac

6160 Lt./da / 75 Lt/m2 = 82m2 / 2.1m2 = 39 colectores a 2.1m2

Caractersticas del colector:

- Absorbedor en cobre natural con pintura selectiva

- Tubos principales con dimetro interno de 3/4"

- Ocho tubos paralelos con dimetro interno de 3/8"

- Aislamiento en polisocianurato con espesor de 1"

- Vidrio solar tipo solite

- Marco de aluminio

9. ANEXOS

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Circuito solar:

- Distancia entre tanques y colectores: 25 mt

- Dimetro de los tubos principales de cobre: 1 1/2"

- Bomba de recirculacin: Grundfos UPS 26 - 96 BF

Sistema auxiliar:

Debido a que el costo de gas es aproximadamente la mitad de la electricidad para un Hotel, sedecidi instalar un sistema auxiliar con un quemador de gas, con una pequea bomba de recirculacinque carga en caso necesario la mitad del volumen del ltimo tanque. Temperatura ajustada en eltermostato para el arranque del quemador de gas: 45C

DISEOS HIDRULICOS:

a. Cuarto de mquina:

Dibujo # 16:

Tres tanques con grupo hidrulico, quemador a gas, termovlvula y bomba de recirculacin.

9. ANEXOS

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Dibujo # 17:

b. Colocacin de los colectores:

TRES CAMPOS A 13 COLECTORES

Eficiencia del sistema solar:

- Radiacin promedio por ao: 5.6 kWh/m_/da

- Rendimiento sistema solar (n): 45%

- Area neta de los colectores solares (An): 81.9 m2

- Consumo total por da (Ct): 6.16 m2

- Temperatura agua fra: 25.5 C

Temperatura terica en los tanques:

Energa que se puede esperar d

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