Diseño conceptual y básico de un Diseño conceptual y básico de un sistema de calentamiento solar para sistema de calentamiento solar para climatizar el agua de la piscina de la climatizar el agua de la piscina de la
UniversidadUniversidad EAFITEAFIT
Guillermo Durango BenítezGuillermo Durango Benítez
Ricardo Valencia NaranjoRicardo Valencia Naranjo
AsesorAsesor
Jaime EscobarJaime Escobar
Grupo de investigación DDPGrupo de investigación DDP
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
•Aunque las piscinas son de uso generalizado, las piscinas climatizadas son los mas recomendadas por los especialistas para evitar problemas de salud
•Los deportistas manifiestan su inconformidad con la temperatura del agua porque sus entrenamientos no están sujetos a condiciones climáticas
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
•Los más indicado para elegir una fuente de energía para climatizar la piscina es que sea renovable debido a que las no renovables presentan problemas como:
--Agotables --Contribuyen al calentamiento
global
PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN
• ¿Cuáles son las restricciones que tienen los sistemas de calentamiento solar?
• ¿Qué alternativa de diseño es la más recomendable para aplicar en la climatización de la piscina?
• ¿Cuáles son los materiales mas adecuados en la construcción de los colectores solares?
• ¿Cuál es el costo de un sistema de calentamiento con energía solar respecto a la utilización de otra fuente de energía?
OBJETIVOS
Objetivo general
Realizar el diseño conceptual y básico de un sistema de calentamiento solar, mediante el análisis de alternativas de diseño para climatizar el agua de la piscina de Universidad EAFIT.
Objetivos específicos
• Evaluar la factibilidad económica del proyecto para compararla con otras alternativas
• Realizar el diseño básico utilizando datos técnicos para el sistema de calefacción.
• Definir las especificaciones del proyecto, los criterios y restricciones del diseño• Elaborar el diseño conceptual aplicando heurística y diferentes algoritmos
METODOLOGÍAMETODOLOGÍA
• Revisión BibliográficaRevisión Bibliográfica
• Especificaciones y Restricciones del ProEspecificaciones y Restricciones del Proyectoyecto
• Diseño ConceptualDiseño Conceptual
• OptimizaciónOptimización
• Análisis de alternativas Análisis de alternativas
• Análisis general y ConclusionesAnálisis general y Conclusiones
• RecomendacionesRecomendaciones
Consideraciones teóricas
Colector solar de placa plana
Superficie capaz de absorber la mayor cantidad de radiación solar, y transmitir esta en forma de calor hacia el fluido.
[www.alsolar.pt/solarthermie]
Calentamiento de piscinas
La intervención de la energía solar consiste en conservar la temperatura del agua de la piscina, reintegrando con la fuente solar la energía dispersa por el agua. Una piscina requiere un calentamiento de baja temperatura.
Recreo 27
Enseñanza 25
Entrenamiento 26
Competición 24
Privado 25/26
Temperatura (ºC) del agua de las piscinas
[www.tinet.org/~ftarraco/edificacio9solartermcolectivas]
PROJECT DESIGN SPECIFICATION
Datos climáticos de la Ciudad de Medellín
ParámetroPromedio (mes)
Temperatura media (ºC) 22.75
Humedad relativa media (%) 64.02
Velocidad media del viento (Km/h) 5.80
Radiación Horizontal (W/ m2) 200
Temperatura de confort en la piscina (ºC)
26
[www.tutiempo.net/clima/Medellin_Olaya_Herrera/12-2006/801100.htm]
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMADiagrama general de la piscina
Datos relacionados a la piscina
Área Superficial (m2) 317.5
Volumen (m3) 444.5
Temperatura del suelo alrededor de la piscina (°C)
25.5
Número promedio diario de usuarios 30
Área superficial del cuerpo de una persona (m2)
1.7
PROJECT DESIGN SPECIFICATION
Restricciones para el layoutRestricciones para el layout
Piscina
E-8
E-9
Área disponible para la ubicación de los
colectores solares
4_m
20_m
PROJECT DESIGN SPECIFICATION
Restricciones para el colector solar
Orientación del colector: Estos se deberán orientar hacia el sur para obtener una mayor eficiencia
Inclinación del colector: Para el funcionamiento optimo la inclinación debe ser igual a la latitud del lugar donde se realizará el proyecto para este diseño debe ser de 6º11’.
Material de construcción: Se escoge polipropileno y cobre por razones de disponibilidad y precio. La máxima longitud de tubería de cobre de 1” y ½” disponible en el mercado es de 6 m.
PROJECT DESIGN SPECIFICATION
DISEÑO CONCEPTUAL
Diagrama general de entradas y salidas
Piscina
Pérdidasde energía
Lámina
SuperficieBañistas Agua de
reposición EPM
Radiación solar
Agua de drenaje
Reciclo de agua
Colectores
Diagrama de bloques de proceso BFD
PISCINAPURIFICACIÓN Y
BOMBEO
COLECTOR SOLAR
0.0442 Kg/s 12.67 Kg/s 0.0308 Kg/s
12.64 Kg/s
12.64 Kg/s
Agua dereposición
EPM
Agua de drenaje
0.0134 Kg/sEvaporación
DISEÑO CONCEPTUAL
Diagrama de flujo de proceso PFDDiagrama de flujo de proceso PFD
Agua de reposición
EPM
S-101 P-101
F-101
V-102
V-103
V-104
V-105
V-101
V-106
E-101
V-107
Agua de drenaje
2
4
5
6
S-101Piscina
P-101
Bomba de reciclo
F-101
Filtro de arena
E-101
Colector solar
Aprobado por:
Jaime Escobar AProyecto de Grado
SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN POR ENERGÍA SOLAR
Realizado por:
Ricardo Valencia Naranjo
Guillermo Durango Benitez TAMAÑO Nº DE FAX Nº DIBUJO REV.
1 2ESCALA HOJA
TI-1
TI-2
PLC
7
Numero Corriente
Temperatura (ºC)
Presion (KPa)
Flujo
(m 3 /hr)1 22.5 101.3 0.162 24 -15.52 45.423 24 0 04 24 215.7 45.425 24 158.7 1.116 24 125.2 44.317 26 12.22 44.31
1
3
Pérdidas
8
DISEÑO CONCEPTUAL
SELECCIÓN DE TIPO DE EQUIPOS
• Selección del tipo de colector solar
Colector de placa plana no vidriado
Colector solar de placa plana vidriado
Colector solar de tubo evacuado
DISEÑO CONCEPTUAL
Selección del tipo de colector
Parámetros de selección
Placa plana no vidriado
Placa plana vidriado
Tubo evacuado
Factor prioridad
Costo Bajo Medio alto 10
Eficiencia de conversión
0.82 - 0.97 0.66 - 0.83 0.62 - 0.84 9
Factor de pérdidas térmicas (W/m2)
10 - 30 2.9 - 5.3 0.7 - 2 8
Rango de temperatura (ºC) 20 - 40 20 - 90 50 - 120 7
Puntuación total 71.7571.75 66.88 66.25
DISEÑO CONCEPTUAL
Selección del material de la tubería para los colectores
DISEÑO CONCEPTUAL
Parámetros de selección Cobre PolipropilenoFactor de prioridad
Precio $/m2 288,640 276,089 10
Conductividad térmica (W/mK) 401 0.22
9
Expansión térmica (10E-6/K) 17 100 -180 8
Dureza knoop mín (Rockwell) 49 R80 -100 7
T máxima de operación (ºC) 1000 90 -120 7
Resistencia a la tensión a T ambiente (Mpa) 245 31 6
Calor específico (J/KgºK) 385 1700 - 1900 5
Puntuación 65.29 58
Balance de masa en la piscina
Piscina (mp) Agua de reposición EPM (mi)
Agua de drenaje (md)
Evaporación (mev)
dt
dMmmm pevdi
0dt
dM p
sKgmd 0308.0
Heuristicamev
DISEÑO CONCEPTUAL
100
*5.0 pi
Vm
sKgmev 0134.0
Balance de energía en la piscina
Piscina (Ep)Colectores
DrenajeEvaporaciónRadiación solar
Bomba
ConvecciónRadiación emitidaConducciónAgua de
reposición
dt
dEQQQQQQQQQ pikrscevdbcolre
DISEÑO CONCEPTUAL
Balance de energía en la piscina
dt
dEp
Energía entrante en Kw.
Qre 161.44
Qb 0
Qcol X
0
Energía Saliente en Kw.
Qd 3.37
Qev 47.81
Qc 4.88
Qrs 138.38
Qk 0
Qi 4.18Ecuaciones Heurísticas
[Glaria, 2000]
KWQcol 183.37
DISEÑO CONCEPTUAL
Parámetros de diseño Parámetros de diseño
L
T1
T2
D
#
DISEÑO CONCEPTUAL
DISEÑO DE LOS COLECTORES SOLARES
Medidas evaluadas para el diseño de colectores
Variable Rango de variación
Unidades
ΔT 1 - 15 ºC
Distancia entre tubos
6 - 19 cm
Numero de tubos 6 - 19 Unidades
Ejecutar algoritmo de Excel
DISEÑO CONCEPTUAL
Efecto del ΔT en los colectores sobre eficiencia
térmica para tubos con de ½ y 1 in Eficiencia vs Cambio de Temperatura
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Cambio de Temperatur ºC
Efi
cien
cia
1/2 in 1 in
DISEÑO CONCEPTUAL
Efecto del ΔT en el costo total de los
colectores para tubos con de ½ y 1 in Costo vs Cambio de Temperatura
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Mil
lon
es
Cambio de Temperatura ºC
Co
sto
$
1/2 in 1 in
DISEÑO CONCEPTUAL
Efecto de la distancia entre tubos en el costo
y la eficiencia de los colectores Distancia óptima entre tubos
40
45
50
55
60
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Mil
lon
es
Distancia entre tubos
Co
sto
s $
0.25
0.30
0.35
0.40
Inefi
cie
ncia
Costo Ineficiencia
DISEÑO CONCEPTUAL
Efecto del número de Tubos en el
costo total de los colectores
Costo vs Nro de Tubos
46.82
46.84
46.86
46.88
46.90
46.92
5 7 9 11 13 15 17 19 21
Mil
lon
es
Nro de Tubos
Co
sto
$
1/2 in
Efecto del número de Tubos en la Eficiencia de
los colectores
Eficiencia vs Nro de Tubos
0.6960.696
0.6960.6970.6970.697
0.6970.6970.698
5 7 9 11 13 15 17 19 21
Nro de Tubos
Efi
cien
cia
1/2 in
DISEÑO CONCEPTUAL
Resultados de parámetros de diseño mas adecuados para el colector solar
Diámetro de los tubos (pulg) 1/2
Longitud de los tubos (m) 6
Numero tubos 13
Espesor de la placa (mm) 1
Distancia entre tubos (cm) 10
DISEÑO CONCEPTUAL
OPTIMIZACIÓNOPTIMIZACIÓN
Configuración de tubos abajo en un colector
Configuración de tubos hacia arriba en un colector
Análisis topológico y Análisis topológico y paramétricoparamétrico
Resultados colector optimizado
Eficiencia (%) 71
ΔT (ºC) 2
Flujo (m3/hr) 1.8
Área (m2) 10,5
Número de colectores 29
Calor útil (KW) 30
OPTIMIZACIÓNOPTIMIZACIÓN
Cálculo de la red hidráulicaCálculo de la red hidráulica• Los simuladores: PIPE-FLO y PIPE-FLOW que aplican las ecuaciones de Darcy-Weisbach,
Kirchoff permitieron simular la red hidráulica para equilibrar las cargas en el sistema
Piscina
2.6 m3 m4.2 m5.8 m
5.7
m3
.6 m
12
.7 m
25 m
5 m 1.6
5 m 3 m
2 m
3 m
26.5 m1
7_
m
6.5 m
Aprobado por:
Jaime Escobar A
Proyecto de Grado
PLANO ARQUITECTÓNICO DE LA DISTRIBUCIÓN DE LOS COLECTORES SOLARES PARA
EL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN
Realizado por:
Ricardo Valencia Naranjo
Guillermo Durango Benitez
TAMAÑO Nº DE FAX Nº DIBUJO REV.
2 1
ESCALA HOJA
1.5
m
4 m
Succión, Ø 4"
Aspiradora, Ø 2"
Retorno, Ø 3"
P-1685
SIMULACIÓN EN PIPE-FLOSIMULACIÓN EN PIPE-FLO
Plano del sistema de Plano del sistema de colectorescolectores
V-117V-116V-115
V-120V-119V-118
4
5
½”
1"
1.25"
1.5"
2"
2.5"
2.5"
1"
1.25"
1.5"
2"
2.5"
3"
2.5"
2.5"
2.5"
2.5"
2"
2.5"
2.5"
2.5"
2.5"
2.5"
3"
3"
3"
2"
2"
2"
1.5"
1"
1"
1.5"
2"
2"
2"
3" 3" 3"
3" 3" 3"
6 m
3.2 m
0.5 m
0.15 m
0.1 m
3 m
6.7 m
Colector 1 Colector 2 Colector 3 Colector 4
Colector 8
Colector 12
Colector 16
Colector 20
Colector 24Colector 23
Colector 7
Colector 11
Colector 15
Colector 19
Colector 6
Colector 10
Colector 14
Colector 18
Colector 22
Colector 5
Colector 9
Colector 13
Colector 17
Colector 21
Colector 25
Colector 26
Colector 27
Colector 28
Colector 29
IP
IP
V-121
Especificaciones bomba Necesaria
P-101
Caudal (m3/h) 45.42
Rpm 3600
Potencia requerida (KW) 7.55
Potencia de freno (KW) 10
NPSHr (m) 3.14
Eficiencia (%) 70.3
HB (m) 24
Diámetro impulsor (mm) 120
Especificaciones bomba Necesaria
• Para que la bomba que actualmente tiene la piscina, (SIHI Monoblock) cumpla con los parámetros mencionados en la tabla anterior es necesario cambiar el impulsor por uno con mayor diámetro (de 110 mm a 120 mm).
Animación gráfica del sistema de Animación gráfica del sistema de colectorescolectores
Análisis de alternativas
Para determinar cual es la fuente de energía más factible para la climatización de piscinas se analizaron : Gas natural, Bomba de calor
N: 10 años TIO: 25% efectiva anual i: 10% e.a FuenteFuente VPN($ VPN($
millones)millones)TIR (%)TIR (%)
SolarSolar 126126 3737
Bomba de Bomba de calorcalor
60.360.3 7070
Calderin de Calderin de gasgas
68.968.9 3030
CONCLUSIONES
1.El factor de mayor relevancia en cuanto a las perdidas energéticas de la piscina, es la velocidad del viento Para el caso de la piscina de la universidad EAFIT la velocidad promedio del viento es de 0.3 m/s (velocidad Baja)
2.Después de correr la optimización se encuentra que los costos operacionales se minimizan cuando el flujo es de 37.95 m3/hr
3.Los colectores configurados con los tubos arriba presentaron un mejor comportamiento que los configurados con los tubos hacia abajo (área efectiva por colector 7.8 m2 ) debido a que presentan una mayor área de transferencia (área efectiva por colector con los tubos arriba 10.45 m2)
4.El área disponible que actualmente existe para la ubicación de los colectores solares es menor que el área necesaria. Por tal motivo se requiere una ampliación de 210.5 m2 adicionales
CONCLUSIONES
6.Para la climatización de la piscina no fue necesario cambiar totalmente la bomba hidráulica solo se debe aumentar el diámetro del impeler de 110 mm a 120 mm.
7.El estudio económico arrojo que la mejor inversión es el proyecto con energía solar en lugar de calentamiento con bomba de calor o calderin de gas
5.Es de gran importancia utilizar herramientas como el Pipe-FLO y Pipe-Flow para garantizar el mismo flujo en cada colector (1.8 m3/hr)
CONCLUSIONES
8. El ángulo de inclinación óptima no es un factor critico en el diseño de colectores
9.Según el diseño hidráulico no hay que cambiar el sistema de tuberías que existe actualmente para la purificación de la piscina.
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
• Se propone colocar una cortina de agua en la parte norte de la piscina con el fin de disminuir las pérdidas de calor de la piscina por efectos de vaporización.
• Se recomienda evaluar la posibilidad de un sistema hibrido entre energía solar y una bomba de calor para garantizar la climatización de la piscina sin importar las condiciones climáticas.
• Se recomienda realizar una ampliación del cuarto de bombas para facilitar su mantenimiento y evitar posibles accidentes de los operarios debido a la dificultad de acceso.
• Se recomienda construir el prototipo de un colector con el fin de evaluar los resultados experimentales con las predicciones teóricas
RECOMENDACIONES
• Debajo de la nueva área techada se recomienda la posibilidad de instalar un gimnasio con equipos especializados para el fortalecimiento de los deportistas.
GRACIAS POR SU ACOMPAÑAMIENTO GRACIAS POR SU ACOMPAÑAMIENTO DURANTE NUESTRO PROCESO DE DURANTE NUESTRO PROCESO DE
APRENDIZAJEAPRENDIZAJE