“ESTUDIO COMPARATIVO DEL RENDIMIENTO TERMICO ENTRE UNA TERMA SOLAR BÁSICA Y

UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO INTEGRADO ”.

Ponente: Evelyn Edith Gutiérrez Oppe

Autores: Rolando Adriano Peña y Abel Gutarra Espinoza de la Universidad Nacional deIngeniería (Lima);

Henry Javier y Evelyn Gutierrez Oppe de la Universidad Católica San Pablo (Arequipa)

XXI SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR ENERGIA RENOVABLES PARA

EL DESARROLLO DEL PAIS – Piura, del 10 al 14 de Noviembre del 2014

Objetivo

Comparar el rendimiento térmico entre una Termasolar básica (TSB) y un Sistema de CalentamientoIntegrado (SCI).

Motivación• El agua caliente constituye un consumo energético importante en la vida diaria.

El calentamiento de agua mediante energía solar es una tecnologíaeconómicamente atractiva y competitiva en varios países comparada contecnologías convencionales (Holm, 2005).

• En el Perú poco a poco se va incrementando la utilización de estas tecnologías.Hoy en día, existen entre 25.000 y 30.000 termas solares instaladas en Arequipa,Ayacucho, Lima, Puno y Tacna entre otros.

Fuente: Gutierrez, A. (2011)

Terma Solar Básica (TSB)

La terma solar básica permite calentaragua mediante la radiación solar.Considera básicamente acumulador,colector solar y tuberías para conexiones.

Según la NTP 399.484 (2008) los atributos de esta terma son: únicamente solar, directo (sin intercambiador), lleno, termosifón, circulante, almacenamiento externo.

Sistema de Calentamiento Integrado (SCI)

El sistema de calentamiento integrado (SCI) junta el acumulador y colector solar en un solo dispositivo.

Según la NTP 399.484 (2008) elalmacenamiento es integral porque lacolección y almacenamiento de energíasolar son realizadas dentro del mismodispositivo.

En relación a los demás atributosdepende del diseño.

Ventajas de usar un Sistema Integrado de Calentamiento• Simplicidad

• Bajo costo

• Menor corrosión

Desventajas de usar un Sistema Integrado de Calentamiento

• Perdida de calor al ambiente, específicamente en la noche y en los períodos en que no se usa agua.

Sistemas de Calentamiento Integrado

En inglés: Integrated Collector Storage Solar Water Heater (ICSSWH)

Primer modelo: creado en USA a finales de 1800 (cap. 29 L, T max. 38ºC)

Fuente: Smyth M. , Eames P.C., Norton B., Integrated collector storage solar water heaters.

Renewable and Sustainable Energy Reviews

10 (2006) 503–538

EQUIPOS UTILIZADOS

• La TSB consta de un tanque de 150 L y un colector plano de 1.5 m2 de área.

• El SCI (Barreto, 1999) integra tanque de 150 L y colector de 1.95 m2 en un solo dispositivo, además constade intercambiador de calor con fluido caloportador en el interior del tanque. Dicho fluido es impulsado poruna 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°.

OKSOL 150

CARACTERÍSTICA DESCRIPCIÓN

1. BOMBA DE CIRCULACION

Tipo: Magnética, marca: GRI, Tensión DC: 12 V, 1.5 W. Modelo EX: 315-526,

Caudal: 2,4 a 3 L/min

800-1000 W/m2

2. PANEL FOTOVOLTAICOTensión nominal: 1,8 W, Corriente nominal: 150 mA, voltaje nominal: 12 V.

159 mA

3. CUBIERTA Metacrilato (PMMA), espesor: 4 mm, transmitancia: 0.92

4. AISLAMIENTO LATERAL Y TRASEROTipo: Poliuretano expandido, espesor: 50 mm, densidad: 40 kg/m3,

conductividad: 0.023 W/m2.K

4. AISLAMIENTO ENTRE DEPOSITO Y ABORBEDORTipo: Lana de Roca, espesor: 25 mm, densidad: 70 kg/m3, conductividad:

0.038 W/m2.K

5. DEPOSITO ALVEOLAR Tipo: PPSU (polifenilsulfona de color negro), capacidad 150 litros. Pmax 5 bar

6. COLECTOR Y 7. SUPERFICIE SELECTIVA

Tipo: Acero inoxidable cromo negro selectivo, capacidad: 4 Litros. Curva de

rendimiento del absorvedor: • Factor de absorción del captador : 0,769; •

Factor de pérdida del captador: a1=4,93; a2=0,026. Captaciòn útil: 1.95 m2

Absortividad:0.97

Emisividad: 0.22

Capacidad: 4 L

Presión máxima de trabajo: 3 bar

8. GRAPA DE ENSAMBLE

9. DETECTOR DE NIVEL

10. BROCAL DE ENGARCE

11. VALVULA ANTIRETORNO Tipo Latón CW 617N, Medida: 45 mm, Temperatura: 90ºC, Presión 12 bar

12. SALIDA DE AGUA DE CONSUMO

13. FLUIDO CALOPORTADOR

Tipo: FRIGOSOL 50%, Anticongelante: Propilenglicol: 50%, Rango de Trabajo:

-35 a 140ºC ( a 3 bar), valor de pH: 8, densidad a 20ºC: 1.08 g/mL. Area: 0.29

m2

14. INTERIOR DE LA CARCASA

15. SERVO CON TRES FUNCIONES

16. SALIDA PURGA Tipo Latón CW 617N, Modelos: 17192 ORKLI-PTEM550856 RELIANCE

17. VÁLVULA DE LLENADO

18. ENTRADA AGUA DE CONSUMO

19. CIRCUITO BIESTABLE

20. JUNQUILLO CARCASA MEJORADA

Rendimiento del sistema únicamente solar sobre la base anual de un volumen de demanda de 150 L/dia

Localidad Qdisponible (MJ) Qperdidas( MJ) F sol %

Stockolm (59.6ºN) 8372 2624 31.3

Wurzburg (49.5º N) 8029 3027 37.7

Davos (46.8 ºN) 9084 4006 44.1

Athens (38 ºN) 6239 4073 65.3

La radiación total solar sobre el plano del colector durante el ensayo de protecciónpara un exceso de temperatura fue 106 MJ/m2, alcanzando una temperatura de salidamáxima en la salida del acumulador solar de 69.3 ºC.

Arequipa

Latitud: 16º20’S

Longitud: 71º30’O

Altitud: 2335 m.s.n.m

Métodos

• Eficiencia Efectiva (Valera, 2007).

• Evaluación del rendimiento térmico de las termas solares (CSTG de la norma ISO 9459-2 - Norma Técnica Europea, 2006).

• Velocidad de calentamiento. En este experimento se realizó con el objetivo de registrar cuantos °C/min conseguía subir cada equipo (TSB y SCI).

Eficiencia Efectiva

𝜂𝑒𝑓𝑓 =𝑄ú𝑡𝑖𝑙

𝑄𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒(1)

𝑄𝑢𝑡𝑖𝑙 = 𝜌𝑉𝑐𝑝𝑚(𝑇𝑚 − 𝑇𝑖) (2)

𝑄𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝐼𝑐𝑜𝑙𝐴 (3)

Datos de radiación directa, difusa y reflejada

para los días 04 al 06 de agosto.

Comparación de eficiencia efectiva entre la TSB y el SCI

FECHA TIPO DE

TERMA

Ta

(°C)

Tb

(°C)

Tm

(°C)

Ti

(°C)

Qutil

(MJ)

Qdisponible

(MJ)

eff

(%)

04-ago SCI 40.0 33.4 36.7 11.7 15.63 26.59 58.60

TSB 46.4 42.2 44.3 11.3 20.63 26.06 88.56

05-ago SCI 42.9 36.6 39.8 11.4 17.72 27.75 63.55

TSB 41.5 37.6 39.6 11.2 17.72 24.05 82.62

06-ago SCI 43.3 34.6 38.9 11.6 17.10 27.75 61.30

TSB 40.9 37.7 39.3 11.8 17.19 24.05 80.13

Caída de temperatura desde las 2.30 pm hasta las 8 am del día siguiente

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

4-Aug 5-Aug 6-Aug

DT(

°C)

4-Aug 5-Aug 6-Aug

SCI 6.6 6.3 8.7

TSB 4.2 3.9 3.2

Desempeño térmico

𝑄𝑖 = ∆𝑉𝑖𝜌𝑤𝐶𝑝 𝑡𝑑𝑖 𝑉𝑖 − 𝑡𝑚𝑎𝑖𝑛

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

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

Rad

(W/m

2)

Tiempo (hh:mm)

I (W/m2) 14281277.3

Qdisponible SCI 27848490.8

Qdisponible TSB 24135358.7

Qútil SCI 19272699.7

Qútil TSB 17608071.1

η(%) SCI 69.2 %

η(%) TSB 72.9 %

Velocidad de calentamiento

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

CONCLUSIONES

• La TSB evaluada se mostró más eficiente que el SCI, probablementeuna de las razones sea que el acumulador del SCI tiene mayor área deexposición al exterior que la TSB razón por la que hay mayor pérdidade calor. Otra de ellas es el periodo de ejecución del ensayo.

• El rendimiento diario de la TSB es 13% superior al rendimiento delSCI.

• El SCI responde mejor térmicamente respecto a la TSB encondiciones 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).

• 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.

¡GRACIAS !