10. peña rolando adriano

XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014

ESTUDIO COMPARATIVO DEL RENDIMIENTO TERMICO ENTRE UNA

TERMA SOLAR BÁSICA Y UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO

INTEGRADO

Rolando Adriano Peña – [email protected]

Abel Gutarra Espinoza – [email protected]

Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ciencias

Henry Javier Ccallata - [email protected]

Evelyn Gutierrez Oppe – [email protected]

Universidad Católica San Pablo, Facultad de Ingeniería y Computación

Resumen. El presente artículo muestra los resultados del estudio comparativo de rendimiento térmico entre una Terma

solar básica (TSB) y un Sistema de Calentamiento Integrado (SCI). Dicha experiencia se realizó en el Campus de la

Universidad Católica San Pablo de Arequipa, específicamente dentro de los laboratorios del Instituto de Energía y Medio

Ambiente. La evaluación se realizó en base a tres experiencias, la primera consistió en encontrar la eficiencia global de

cada uno de los sistemas, para ello también se consideraron las pérdidas de calor durante la noche, en la segunda se siguió

el método CSTG de la norma ISO 9459-2, para evaluar el rendimiento térmico diario, finalmente la tercera prueba

consistió en encontrar la velocidad de calentamiento, ambos sistemas fueron expuestos a las mismas condiciones de

radiación, viento, etc. Finalmente se concluyó, que bajo las condiciones de estudio, la TSB tuvo mejor rendimiento térmico

que el SCI en casi todas las pruebas excepto en la velocidad de calentamiento cuando solamente incidía radiación difusa

sobre los colectores.

Palabras-clave: sistema de calentamiento integrado, rendimiento térmico, terma solar básica.

1. INTRODUCCIÓN

Actualmente la utilización de agua caliente constituye un consumo energético importante en la vida diaria. El

calentamiento de agua mediante energía solar, más allá de ser una alternativa ecológica, se ha convertido en una tecnología

económicamente atractiva y competitiva en varios países, en comparación con las tecnología convencionales que utilizan

algún tipo de combustible fósil para llegar a este fin (Holm, 2005).

En el Perú poco a poco se va incrementando la utilización de estas tecnologías. Se estima que hoy en día, existen entre

25.000 y 30.000 termas solares instaladas en Arequipa, Ayacucho, Lima, Puno y Tacna entre otros. Además, existen

alrededor de 20 fabricantes a nivel nacional que producen mensualmente alrededor de 600 m2 de colectores solares para

termas solares (Horn, 2006). La industria de termas nacional está enfocada en la producción de colectores planos

tradicionales, los cuales vienen siendo desplazados por nuevas tecnologías que presentan mayor eficiencia. Tal es el caso de

los colectores de tubo al vacío referente a las cuales al 2011 ya el 18% de las empresas comercializadoras de termas solares

en el país se dedicaban a la importación y comercialización de dichas termas (UIDT, 2011).

Por otro lado, Massipe et al. (2012) concluyen, luego de un estudio teórico de simulación en el software TRNSYS

entre la terma solar básica (TSB) y el colector solar termoacumulativo (un tipo de SCI), que este último tiene un

comportamiento térmico ligeramente superior (1-3%) al TSB; por otro lado Gotzberger & Rommel (1987) encontraron

resultados similares. Sin embargo Fasulo et al. (2001) y Sadhishkumar & Balusamy (2014), indican que el SCI a pesar de

ser económico y resistente a la corrosión tiene tendencias a sufrir pérdidas de calor, así como también, su comportamiento

no es uniforme durante todo el año, teniendo mejor desempeño en los meses de verano.

Es en este marco, la Universidad Católica San Pablo de Arequipa, mediante el Instituto de Energía y Medio Ambiente,

lleva a cabo el proyecto ―Estudio numérico y experimental de un sistema integrado de calentamiento solar de agua

compacto y económico, para aplicaciones en comunidades aisladas alto andinas‖, con el objetivo de diseñar y construir un

prototipo económico de un SCI, para ser utilizado en zonas alto andinas. Uno de los resultados dentro de dicho proyecto, es

este trabajo que compara el rendimiento térmico entre una Terma solar básica (TSB) y un Sistema de Calentamiento

Integrado (SCI) para condiciones típicas del mes de agosto en la ciudad de Arequipa-Perú.

mailto:[email protected]


2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 Materiales

Equipos: El aparato experimental está conformado por dos sistemas de calentamiento de agua con energía solar la

primera de manufactura peruana y el segundo construido en España instalados de acuerdo a la Fig. 1:

Figura 1- Sistemas solares dispuestos para el ensayo de rendimiento diario del sistema (a) fotografía de la Terma solar

básica (TSB); (b) esquema de montaje y flujo de agua en terma la TSB; (c) fotografía del Sistema de

Calentamiento Integrado (SCI); (d) esquema de montaje y flujo de agua en el SCI

Conformado por dos sistemas de calentamiento de agua con energía solar instalados de acuerdo a la Figura 1. La terma

con colector plano consta de un tanque de 150 L y un colector plano de 1.5 m2 de área. El sistema compacto (Barreto, 1999)

integra tanque de 150 L y colector de 1.95 m2 en un solo dispositivo, además consta de intercambiador de calor con fluido

caloportador en el interior del tanque. Dicho fluido es impulsado por una bomba, la cual utiliza energía fotovoltaica,

ubicada en la parte inferior izquierda. Ambos equipos fueron colocados orientados al norte considerando un ángulo de

inclinación de 26°.

Otros equipos y materiales: cuatro termocuplas tipo k de la marca OMEGA para medir temperaturas de entrada y

salida; un multímetro digital FLUKE 287 con medidor de termocuplas; una estación meteorológica marca DAVIS; un

reductor de presión en el rango de 1 a 10 bar para el ajuste a 3 bar para el sistema compacto; tubos de PVC para las


instalaciones; y un cronometro y dos baldes de 20 litros para medir el flujo volumétrico. En la Fig. 2 se observan

termoculpas y multímetro usados en el ensayo.

Cabe mencionar que los datos de radiación fueron tomados de la estación meteorológica ubicada en la Universidad

Nacional San Agustín, la cual se encontraba en una superficie horizontal. A fin de corregir la medida de radiación, de

acuerdo al ángulo de inclinación, se realizaron los cálculos respectivos usando los principios de geometría solar (Duffie &

Beckman, 1980).

Figura 2- Fotografía de las termocuplas tipo k y del medidor de termocuplas fluke 287.

2.2 Métodos

Se realizaron tres tipos de pruebas, la primera consistió en encontrar la eficiencia efectiva, la segunda siguiendo el

método CSTG de la norma ISO 9459-2 y la tercera consistió en encontrar la velocidad de calentamiento.

Eficiencia Efectiva. Esta prueba se realizó con el objetivo de determinar una de las funciones básicas de la terma, la

cual es mantener el calor captado el mayor tiempo posible. Para esto el procedimiento seguido fue: llenar de agua los

sistemas mostrados en la Fig. 1, tanto la TSB como el SCI. Con el colector cubierto, se mantuvo en sistema estacionario

hasta alcanzar la diferencia de 1 K. Luego se cerró la alimentación de agua para ambas termas, se midieron las temperaturas

de entrada (Ti) y se descubrieron los colectores. Se mantuvieron descubiertos por espacio de 5 horas y media (de 9 am a

2.30 pm). Se registraron los valores de radiación durante todo el periodo de prueba. Al finalizar el tiempo de exposición, se

cubrieron nuevamente los colectores, se retiraron 15 L y se midieron las temperaturas de salida (Ta). Al día siguiente se

midieron nuevamente las temperaturas de salida (Tb). Estos valores (Ta) y (Tb) sirvieron para calcular la temperatura

promedio(Tm), estimando las pérdidas de calor, recomendado por (Valera, 2007).

Evaluación del rendimiento térmico de las termas solares. De acuerdo al procedimiento CSTG de la norma ISO 9459-2

(Norma Técnica Europea, 2006), el protocolo seguido se detalla a continuación: Se llenaron de agua los sistemas de la Fig.

1, luego se cerraron las llaves de entrada y salida de agua. Se registraron los valores de radiación, durante todo el periodo de

la prueba. Se dejó operar el sistema expuesto al sol, desde las 9 am hasta las 2.30 pm, se realizó una extracción al final del

día a un caudal constante de 600 ℓ/h mientras el agua de reposición ingresa a una temperatura tmain. Esta extracción

continuara hasta extraer un volumen de agua igual 450 litros. Cada vez que se extrajo 15 litros, se registró la temperatura

promedio de salida.

Velocidad de calentamiento. En este experimento se realizó con el objetivo de registrar cuantos °C/min conseguía

subir cada equipo (TSB y SCI). Este ensayo fue realizado el 08/08/2014, además de poder registrar la velocidad de

calentamiento se contó con una ventaja de la naturaleza, ya que durante el ensayo hubo periodos de nubes, los cuales

sirvieron para identificar la capacidad de absorción de la radiación difusa. El procedimiento consistió en llenar ambos

tanques de agua a la misma temperatura de entrada, luego se descubrió el colector y se inició con la toma de datos. El

experimento inicio 9.30 am y terminó a las 2.00 pm, se colectaron 15 L de agua a cada 15 minutos, considerando el mismo

flujo de agua para ambas termas.

3. RESULTADOS Y DISCUSION


3.1 Eficiencia efectiva

El cálculo de eficiencia global fue realizado de acuerdo a las ecuaciones (1), (2) y (3):

(1)

(2)

(3)

Donde eff = eficiencia efectiva, = densidad del agua, V = volumen, cpm = calor específico promedio, Icol =

Potencia Incidente en el colector, A = Área del colector.

Los datos de radiación tomados en una superficie horizontal fueron corregidos de acuerdo a la Ec. (4) (NTP 399.404,

2006; Duffie & Beckman, 1980).

(4)

Donde col = ángulo de incidencia, Gh = radiación global, Dh = radiación difusa, = ángulo de inclinación, =

reflectancia del suelo. El primer sumando de la Ec. (4) corresponde a la radiación directa, el segundo corresponde a la

radiación difusa y el tercero a la radiación reflejada incidente sobre el colector. Los datos fueron tratados e integrados para

cada hora, los cuales se muestran en la Fig. 3, radiación y hora solar.

Figura 3- Datos de radiación directa, difusa y reflejada para los días 04 al 06 de agosto.

Se observa que la mayor radiación aprovechable es la radiación directa, seguida de la difusa y la reflejada. Los tres

días presentaron un comportamiento semejante, razón por la cual pueden ser comparables. Los datos recogidos de las

termas y los valores de eficiencia calculados se encuentran en la Tabla 1.


Tabla 1. Comparativo de eficiencia efectiva entre la TSB y el SCI.

Se observa que la eficiencia efectiva es mayor en la terma con colector plano en todos los días. El primer día presentó

un valor más elevado, esto se debe a que en ese día los ensayos comenzaron media hora antes del horario especificado y a

que accidentalmente el sistema integrado fue cubierto una hora antes de finalizar el experimento. En los días 05 y 06 de

agosto sin embargo, se mantuvo el mismo tiempo de exposición, puede observarse que en ambos casos la diferencia en

eficiencia se encuentre alrededor del 18.5%. Cabe resaltar que los valores de eficiencia son elevados, esto tal vez se debe a

las condiciones de operación, las cuales consideraron el periodo de mayor radiación.

Una de los factores que puede haber ocasionado esta diferencia es la capacidad de mantener el calor, tal como se

observa en la Fig. 4.

Figura 4- Caída de temperatura desde las 2.30 pm hasta las 8 am del dia siguiente.

Esto probablemente se deba a la geometría del tanque colector, mientras en uno es cilíndrico el otro es rectangular,

teniendo mayor área de exposición el SCI y por tanto mayores pérdidas de calor. Los resultados encontrados concuerdan

con las apreciaciones de Fasulo et al. (2001) y Sadhishkumar & Balusamy (2014).

3.2 Desempeño térmico

Con las medidas de temperatura de entrada del agua (tmain), temperatura promedio de salida (tdi(Vi)), densidad del agua

extraída (w). Se puede calcular la cantidad de calor extraído (Qi) en el delta de volumen (DVi), según la Ec. 5.

[ ] (5)

Se calculó la energía calorífica útil (Qutil) mediante la suma de los Qi. A partir de los datos de radiación obtenidos de

la estación meteorológica (Fig. 5) y con ayuda de la geometría solar, se calculó la energía calorífica disponible (Qdisp).

Finalmente se calculó la eficiencia diaria de cada sistema, como muestra la tab. 2.

0

2

4

6

8

10

04-ago 05-ago 06-ago

DT

(°C

)

04-ago 05-ago 06-ago

SCI 6,6 6,3 8,7

TSB 4,2 3,9 3,2

FECHA TIPO DE

TERMA

Ta (°C) Tb

(°C)

Tm

(°C)

Ti

(°C)

Qutil

(J)

Qdisponible

(J)

eff

(%)

04-ago SCI 40.0 33.4 36.7 11.7 15635812.5 26588108.9 58.60

TSB 46.4 42.2 44.3 11.3 20628927.0 26059082.0 88.56

05-ago SCI 42.9 36.6 39.8 11.4 17722123.7 27749657.6 63.55

TSB 41.5 37.6 39.6 11.2 17722123.7 24049703.3 82.62

06-ago SCI 43.3 34.6 38.9 11.6 17097004.7 27752486.2 61.30

TSB 40.9 37.7 39.3 11.8 17190772.5 24052154.7 80.13


Figura 5- Radiación solar del día 7 de agosto en la ciudad de Arequipa medido por una

estación meteorológica.

Tabla 2. Comparativo del rendimiento térmico diario entre la TSB y el SCI.

I (W/m2) 14281277.3

Qdisponible SCI 27848490.8

Qdisponible TSB 21421916

Qutil SCI 19272699.7

Qutil TSB 17608071.1

SCI (%) 69

TSB (%) 82

La diferencia con la prueba anterior es que no se dejó de un día para otro. En este caso hay una diferencia de 13

unidades en el desempeño térmico, razón por la cual tal vez esta sea la real diferencia en un día de trabajo de la terma solar,

sin embargo debido al área del depósito se den mayores pérdidas durante la caída de temperatura en la noche.

3.3 Velocidad de calentamiento

Los resultados obtenidos utilizando el procedimiento descrito anteriormente fueron graficados y se obtuvo el

comportamiento de la Fig. 6.

Figura 6. Velocidad de calentamiento de la TSB y del SCI.

0

200

400

600

800

1000

4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12

Rad

(W/m

2)

Tiempo (hh:mm)


En la Fig. 6 se observa que, antes de las 10 am la velocidad de calentamiento era mejor para la terma solar básica. Sin

embargo, a partir de las 10 am la velocidad de calentamiento es más alta para el sistema de calentamiento integrado. Por

otro lado, los datos de radiación registrados en ese día y corregidos de acuerdo al ángulo de inclinación usado se muestran

en la Fig. 7.

Figura 7. Radiación directa, difusa y reflejada del 08/08/2014.

Tal como se observa en la Fig. 7, hay momentos en que cae la radiación directa, y aumenta la difusa, esta observación

nos lleva a concluir que el SCI tiene la capacidad de absorver la radiación difusa, lo cual se deba probablemente a la

superficie rugosa del colector.

CONCLUSIONES

La TSB evaluada se mostró más eficiente que el SCI para 2 de 3 días de ensayo, probablemente una de las razones sea que

el acumulador del SCI tiene mayor área de exposición al exterior que la TSB razón por la que hay mayor pérdida de calor.

Otra de ellas es el periodo de ejecución del ensayo. El rendimiento diario de la TSB es 13% superior al rendimiento del SCI.

El SCI responde mejor térmicamente respecto a la TSB en condiciones de baja radiación directa.

Agradecimientos

Al FINCyT por el financiamiento de la investigación a través del proyecto PIBAP 150-IB-2013

Al IEM – UCSP (Instituto de Energía y Medio Ambiente) por la sesión del laboratorio donde se realizaron las pruebas,

y por el equipo técnico que apoyó.

A TERMOINOX por el apoyo en la sesión de la TSB.

REFERENCIAS

Barreto, M. ,1999. Colector compacto para energía solar, España. nº 2 120 290. Sta.Cruz de Tenerife, Tenerife. Oficina

Española de Patentes y Marcas.

Duffie J.; Beckman W; 1980. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley &Sons, inc. New York.

Fasulo A.; Follari J.; Barral J. 2001. Comparison Between A Simple Solar Collector Accumulator† And A Conventional

Accumulator. Solar Energy v. 71, No. 6, pp. 389–401, 2001

Gotzberger, A. & Rommel, M. ,1987, Prospects for Integrated Storage Collector Systems in Central Europe,Solar Energy,

Vol. 39, No. 3, pp. 211-219.

Holm D, 2005. Un Futuro Para el Mundo en Desarrollo Basada en las Fuentes Renovables de Energía.White Paper – ISES

(Internacional Solar EnergySociety).

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

9 10 11 12 13 14 15

RA

DIA

CIÓ

N (

J/m

2)

TIEMPO (hora)

DIRECTA

DIFUSA

REFLEJADA


Horn M., 2006. El estado actual del uso de la energía solar en el Perú. perúeconómico, Lima, Vol XXIX.

Massipe, J.; Quispe, M.; Ruiz, J. & Aparicio, I., 2012. Estudio comparativo térmico del colector solar termoacumulativo en

el Perú,XIX simposio peruano de energía solar y del ambiente.

Norma Técnica Europea, noviembre 2006, Sistemas solares térmicos y sus componentes, versión española, Editada e

impresa por AENOR, EN 12976-2.

Norma Técnica Peruana NTP 399.404, 2006. Sistemas de calentamiento de agua con energía solar. Fundamentos para su

dimensionamiento eficiente. INDECOPI, Lima, Perú.

ORKLI, Junio 2012, panel solar con depósito integrado solar OKSOL15O.

Sadhishkumar S.; Balusamy T., 2014. Performance improvement in solar water heating systems—A review Renewable and

Sustainable Energy Reviews, v.37, p.191–198

UIDT-Unidad de Investigación y Desarrollo Termoinox, 2011. Perspectivas para uma indústria solar térmica en el Perú.

Valera A., 2007, Energía Solar II, Asamblea Nacional de Rectores, Lima Perú.

FORMAT INSTRUCTIONS FOR PAPERS SUBMITTED TO THE CONFERENCE

Abstract. This paper presents the results of the comparative study of thermal performance between a simple solar collector

accumulator (TSB) and an integral collector storage unit (SCI). Those experiments were conducted on the campus of the

Catholic University San Pablo de Arequipa, specifically within the laboratories of the Institute of Energy and Environment.

The evaluation was performed on three experiences, the first was to find the effective efficiency of each of the systems, the

heat loss was also considered during the night, in the second experience used the CSTG method ISO 9459-2, to evaluate the

thermal performance daily, finally the third test was to find the heating rate, both systems were exposed to the same

conditions of radiation, wind, etc. It was finally concluded that under the conditions of study, the TSB has a better thermal

performance than the SCI in almost all tests except the heating rate when only diffuse radiation falling on the collector.

Key words: Integral collector storage, thermal performance, simple solar collector.

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