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