Sistema Solar Térmico para Abastecimiento de Agua … · 2014-04-22 · hospital o institución...

Sistema Solar Térmico para Abastecimiento de Agua Caliente en el Hospital de Especialidades del IHSS

Proyecto de Investigación realizado por:

Rina Iliana Rosa Héctor Manuel Orellana

Previo a la obtención del título de:

Ingeniero Electricista Industrial

Supervisado por: Dr. Ing. Dennis Rivera

Departamento de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional Autónoma de Honduras

Tegucigalpa, M.D.C. 20 de mayo de 2011

Sistema Solar Térmico para Abastecimiento de Agua Caliente en el Hospital de

Especialidades del IHSS

Seminario de Investigación, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería

Rina Iliana Rosa 20062100517, Héctor Manuel Orellana 20062100519

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Dedicatoria

Queremos dedicar este trabajo y ofrecer nuestro agradecimiento:

A nuestros padres y familia por darnos su apoyo incondicional, no solo durante la

realización de esta investigación, si no a lo largo de nuestra carrera,

A la UNAH, especialmente a la Facultad de Ingeniería, que sin las enseñanzas y

asesoramiento de sus catedráticos no tendríamos los medios para desarrollar un trabajo

como este. Agradecemos enormemente al Dr. Ing. Dennis Rivera por su paciencia y

comprensión.

Al personal del Hospital de Especialidades del IHSS por su amabilidad. En especial al Dr.

Rogelio García, Departamento de Docencia, quien abrió las puertas de su institución a

nuestra investigación. A Humberto Ríos y Ruth Chávez, quienes estuvieron siempre

atentos a nuestras preguntas.

A nuestros amigos y compañeros, por sus ideas y ánimos.

Y a todas las personas que de alguna forma contribuyeron en la realización de esta

investigación, brindándonos respuestas y servicios cuando fueron necesarios.





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Contenido

Dedicatoria .......................................................................................................................... 1

Resumen Ejecutivo ............................................................................................................. 5

Introducción ........................................................................................................................ 6

1. La energía solar térmica ............................................................................................... 8

1.1. Introducción al estudio de la energía solar térmica [3, 10] ...................................... 8

1.2. Aplicaciones [3] ...................................................................................................... 9

1.3. Aspecto económico [1, 3] ..................................................................................... 10

1.4. Mercado actual y potencial [1, 3] .......................................................................... 10

2. Sistema solar de calentamiento de agua para uso sanitario ....................................... 13

2.1. Componentes de los sistemas solares térmicos [2, 3] .......................................... 13

2.1.1. Subsistema de captación [1, 4, 5] .................................................................. 14

2.1.2. Subsistema de almacenamiento [2] ............................................................... 17

2.1.3. Subsistema de distribución y consumo [2] ..................................................... 18

2.1.4. Subsistema de calentamiento auxiliar [2] ....................................................... 21

2.1.5. Subsistema de regulación y control [2] .......................................................... 21

2.2. Montaje de colectores [1, 2] ................................................................................. 22

2.2.1. Orientación, inclinación y distancia entre captadores .................................... 22

2.2.2. Conexión y distribución de colectores ............................................................ 23

3. Hospital General de Especialidades del IHSS ............................................................ 26

3.1. Historia [7, 8] ........................................................................................................ 26

3.2. Descripción del hospital [9] ................................................................................... 26

3.3. Descripción del actual sistema de calentamiento de agua.................................... 27

3.3.1. Subsistema de calderas ................................................................................. 27

3.3.2. Subsistema de distribución de vapor ............................................................. 30

3.3.3. Subsistema de distribución de agua caliente ................................................. 31

3.4. Cuantificación del consumo de combustible ......................................................... 32

4. Diseño de sistema solar térmico para ACS ................................................................. 33

4.1. Cálculos preliminares [1] ...................................................................................... 33





4

4.1.1. Datos de inicio ............................................................................................... 33

4.1.2. Cálculo de la demanda térmica ...................................................................... 34

4.1.3. Cálculo de la energía solar disponible y de la fracción solar .......................... 34

4.1.4. Evaluación de la superficie y del volumen de almacenamiento ...................... 35

4.2. Diseño del subsistema de captación [2, 11] ......................................................... 36

4.2.1. Número de colectores .................................................................................... 36

4.2.2. Selección de la configuración básica ............................................................. 37

4.2.3. Selección del fluido de trabajo ....................................................................... 37

4.3. Diseño del subsistema de almacenamiento térmico [11] ...................................... 38

4.3.1. Diseño del subsistema de intercambio térmico .............................................. 38

4.4. Diseño del circuito hidráulico [11] ......................................................................... 39

4.5. Diseño del subsistema auxiliar de calentamiento [11] .......................................... 39

4.6. Diseño del subsistema eléctrico y de control [11] ................................................. 40

4.7. Diseño de la estructura de soporte [1,11] ............................................................. 41

5. Resultados.................................................................................................................. 43

5.1. Presupuesto ......................................................................................................... 44

Conclusiones..................................................................................................................... 46

Recomendaciones ............................................................................................................ 47

Bibliografía ........................................................................................................................ 48

Anexo A Datos climáticos de Tegucigalpa [12] .................................................................. 49

Anexo B Consumos y temperaturas típicos ....................................................................... 50

Anexo C Memoria de cálculos (EES) ................................................................................ 52

Anexo D Especificaciones técnicas de los colectores........................................................ 54

Anexo E Equipo de montaje de los colectores .................................................................. 56

Anexo F Cotización de materiales ..................................................................................... 58

Anexo G Notas .................................................................................................................. 60





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Resumen Ejecutivo

A pesar de que el Hospital de Especialidades del IHSS es una de las instituciones mejor

equipadas de Tegucigalpa, es muy aconsejable remplazar el sistema de calentamiento de

agua actual que posee, ya que, con un sistema de calderas alimentadas por diesel, el

hospital tiene considerables gastos de operación para calentar agua. Con el fin de eliminar

estos gastos y a pesar de la inversión que implica, se realizaron estudios para analizar la

posibilidad de instalar un sistema de calentamiento de agua a base de energía solar.

El sistema de calderas produce vapor de agua, y solo una parte de él es utilizado para

calentar agua sanitaria. Se gastan unos 70 galones de diesel diarios, 30% del total de

combustible consumido por la caldera, solo en calentamiento de agua para suplir la

demanda calculada de 14,300 litros diarios de agua caliente

Como es de suponerse, con el precio actual del combustible diesel a Lps. 82.48/gal y un

consumo diario de 250 galones, mantener en operación las calderas representa un costo

elevado. Se gastan aproximadamente Lps. 5,773.6 diarios o Lps. 173,208 mensuales,

solo en el combustible necesario para calentar agua de uso sanitario.

Habiendo analizado la situación actual en el hospital, se procedió a diseñar un sistema

solar térmico que no vendrá a sustituir el sistema de calderas pero si, reducirá

considerablemente los gastos en combustible. El sistema contará con 51 colectores del

tipo AE-40 de Alternate Energy, que representan 179 m2 de área de colección, y tendrá

una capacidad de almacenamiento de 15,422 litros. Considerando que el hospital cuenta

con una red hidráulica para agua caliente en buen estado y debidamente aislada, el

sistema se acoplará a esta red y se instalará en la azotea de la octava planta que cuenta

con 446 m2 de área libre disponible.

La instalación de este sistema representa una inversión inicial de Lps. 8,119,158.19, los

cuales incluyen compra y traída del equipo, tuberías y accesorios, mano de obra y

honorarios de supervisión y diseño. A pesar de la alta inversión, los sistemas solares

térmicos presentan una rápida recuperación de la misma por sus bajos costos de

operación y mantenimiento. Por otra parte, se dejarían de producir 257 toneladas de

CO2 al año, lo que podría representar un ingreso adicional al proyecto.

Cabe mencionar que la empresa extranjera ARQUENOVA hizo una cotización del

proyecto, sin presentar detalles de la misma, y esta resultó ser de € 300,000.00 (L.

8,131,620.6) lo que se acerca mucho al valor que se ha estimado.





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Introducción

El Agua Caliente Sanitaria (ACS) es un producto energético sumamente útil en cualquier

hospital o institución encargada del cuidado de la salud. Se utiliza en cantidad de procesos

desde limpieza hasta rehabilitación, lavandería, cocción de alimentos y aseo personal de

pacientes y cuerpo médico. Esta imperiosa necesidad lleva a las instituciones a buscar

medios para abastecerse del líquido en las condiciones (temperatura) requeridas. Uno de

los métodos más usados es la instalación de un sistema de calderas que aproveche el

poder calorífico de los derivados del petróleo para transmitir calor al agua fría.

Estos sistemas pueden llegar a resolver los problemas de demanda satisfactoriamente

pero, además de ser dañinos al medio ambiente, requieren de un alto costo de operación y

mantenimiento, principalmente debido a las grandes cantidades de combustible que

consumen, que algunas instituciones, especialmente públicas, encuentran difícil de cubrir.

Una clara solución es utilizar el recurso solar y las tecnologías solares térmicas

desarrolladas hasta el momento, para abastecer las exigencias de agua caliente de

cualquier institución de la salud.

La energía brindada por el Sol no solo es limpia y renovable, si no también ampliamente

aprovechable mediante diversas tecnologías. El calentamiento de agua con sistemas

solares térmicos es un mercado en asenso y de mucha aceptación alrededor del mundo,

por presentar una solución económica y eficiente adaptable a las necesidades de los

usuarios.

El Hospital de Especialidades del Instituto Hondureño de Seguridad Social (IHSS) es una

institución pública que atiende a aproximadamente 31,000 pacientes al año y tiene una

demanda de más de 14,000 litros de agua caliente al día. Esta investigación se enfoca en

diseñar un Sistema Solar Térmico capaz de suplir al Hospital con esa cantidad de ACS en

las condiciones adecuadas, que venga a sustituir u optimizar el actual Sistema de

Calderas y poder reducir de esta forma, los gastos de combustible de la institución.

La investigación se desarrolló en conjunto con el personal técnico de mantenimiento del

hospital, quienes brindaron información sobre el abastecimiento y almacenamiento del

agua, el sistema hidráulico de distribución y el funcionamiento de las calderas para la

producción de agua caliente y vapor. Se evaluó además el área de la superficie libre

disponible del hospital y el estado de los equipos que utilizan agua caliente y vapor

instalados en el mismo. Los cálculos de demanda, volumen de almacenamiento y área de

colección se desarrollaron según criterios de diseño de sistemas termosolares para





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hospitales. La selección de los dispositivos y la configuración del sistema se hizo en base

a los resultados de los cálculos anteriores.

A continuación una breve descripción del contenido por capítulo de este trabajo:

Capítulo 1: introduce al estudio de la energía solar térmica definiendo algunos conceptos

básicos y exponiendo la situación a nivel mundial de esta tecnología.

Capítulo 2: explica de manera resumida lo que es y cómo está constituido un Sistema

Solar Térmico para Calentamiento de Agua de Uso Sanitario.

Capítulo 3: presenta la historia y descripción del Hospital del IHSS en conjunto con un

resumen del funcionamiento y disposición del Sistema de Calderas que actualmente

emplean para calentar agua y otros.

Capítulo 4: describe paso a paso los criterios de diseño, procedimientos y otras

consideraciones empleados en el desarrollo de un sistema solar térmico que se ajuste a

las necesidades del hospital.

Capítulo 5: resume los resultados y el modelo obtenido de la aplicación de los

procedimientos, descritos en el capítulo 4, al caso especifico del Hospital del IHSS.

Finalmente se encuentran las conclusiones y recomendaciones a las que se llegaron

después del proceso de investigación.





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1. La energía solar térmica

1.1. Introducción al estudio de la energía solar térmica [3, 10]

El termino energía solar térmica se refiere a la variedad de tecnologías que aprovechan la

energía solar, mediante la conversión de la radiación en calor, para producir un aumento

de temperatura.

La radiación solar es el flujo de energía que recibimos del sol en forma de ondas

electromagnéticas de diferentes frecuencias y longitud de onda, Fig. 1.1. La radiación que

cualquier cuerpo sobre la superficie terrestre recibe se puede descomponer en varios

tipos:

a. Radiación directa: es aquella que llega directamente del sol sin haber recibido

cambio alguno.

b. Radiación difusa: es la radiación que es reflejada por la atmosfera. Va en todas

direcciones por consecuencia de las reflexiones y absorciones de las nubes,

partículas de polvo atmosférico, montañas, arboles, etc.

c. Radiación reflejada: esta se refiere a la radiación reflejada por la superficie terrestre

y generalmente es un valor despreciable.

Fig. 1.1 Radiación según su longitud de onda.





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A la suma de estos tres tipos se le denomina radiación global sobre un cuerpo y puede ser

igual a la radiación directa en un día soleado, o igual a la radiación difusa en un día

nublado. Las distintas tecnologías aprovechan la radiación de manera diferente, los

colectores planos, por ejemplo, absorben la radiación global, mientras que los colectores

de concentración solo captan la radiación directa.

Los procesos tecnológicos que aprovechan esta energía, utilizan mecanismos fototérmicos

y fotoquímicos, además de la conversión fotovoltaica, para transformar la radiación solar

en calor o energía eléctrica.

1.2. Aplicaciones [3]

La energía solar es captada, transformada y transferida por diferentes tipos de

mecanismos. La selección del mecanismo adecuado para un determinado sistema,

depende del producto energético que necesite ser obtenido de dicho sistema, en otras

palabras, depende de la aplicación de la energía obtenida. Siguiendo este criterio las

tecnologías solares se pueden clasificar como se ilustra en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1. Clasificación de las tecnologías solares según su aplicación.

Tecnología Solar Producto energético Aplicación

Conversión

Fotovoltaica de la

Energía Solar

Electricidad

Ampliamente aplicado, bastante cara;

Necesidad de mayor desarrollo para

abaratar costes.

Electricidad Solar

Térmica Calor, vapor, electricidad

Tecnología demostrada; Necesidad de

mayor desarrollo para abaratar costos.

Uso de la Energía

Solar a Baja

Temperatura

Calor (agua caliente

sanitaria, calefacción de

edificios, cocinas solares,

secado solar) y frío

Colectores solares comercialmente

aplicados; cocinas solares ampliamente

aplicadas en algunas regiones, secado

solar demostrado y aplicado.

Uso Pasivo de la

Energía Solar en

Edificios

Calor, frío, luz, ventilación Demostraciones y aplicaciones; no

incluye sistemas activos

Fotosíntesis

Artificial

H2 o combustibles ricos en

hidrógeno

Comercialmente aplicado; aplicaciones

de pequeña y gran escala.





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1.3. Aspecto económico [1, 3]

Los costos asociados a los sistemas que utilizan la energía solar se deben principalmente

al costo de inversión inicial para la compra del sistema y los costos, menores pero

continuos, de operación y mantenimiento del sistema en condiciones adecuadas de

funcionamiento. La recuperación de estos gastos durante la vida útil del sistema define el

costo final de la energía, expresado en $/kWh, y permite comparar este precio con

cualquier otra fuente de energía convencional o renovable.

A pesar de todo, de las energías renovables, la energía solar térmica es una de las más

competitivas económicamente, esto debido a un factor de escala que permite

producciones en masa o en serie y con ello productos de mejor calidad a menores precios.

Conforme pasa el tiempo y el mercado aumenta, estas tecnologías se vuelven más

económicas abaratando el precio final por kWh de energía, Fig. 1.2.

Fig. 1.2 Evolución de los cotos de la energía solar térmica.

1.4. Mercado actual y potencial [1, 3]

Según el estudio publicado en el 2009 por la Agencia Internacional de la Energía sobre el

mercado solar térmico, aplicado en 49 países, a finales del 2007 existían 146.8 GWt de

capacidad instalada, lo que corresponde a 209.7 millones de metros cuadrados de área de

colección. Con esta cantidad de colectores se producen unos 88.84 GWht de calor

anuales, lo que es equivalente a 12,100 millones de litros de petróleo y evita la emisión de

39.3 millones de toneladas de CO2. De estos, 120.5 GWt corresponde a colectores planos

y de vacío, 25.1 GWt a colectores sin cubierta y 1.2 GWt a colectores de aire, Fig. 1.3.





11

Fig. 1.3 Distribución de la capacidad instalada según el tipo de colector.

En cuanto a la energía solar térmica utilizada para el calentamiento de agua, entre los

países líderes en potencia instalada figuran China con 66.7% de un total de 126 GWt y los

que pertenecen a la Unión Europea con un 12.3%, como se observa en la Fig. 1.4.

Fig. 1.4 Distribución de la potencia instalada para el calentamiento de agua y espacios.





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Los mercados más activos y que han presentado mayor crecimiento entre 1999 y 2007 en

producción de nuevos colectores y tecnologías están China, Europa, Australia y Nueva

Zelanda, siendo China el que posee mayor crecimiento anual.

El tipo de uso o aplicación de las tecnologías solares varía mucho en cada región. Por

ejemplo, en EE.UU y Canadá domina la aplicación para calentamiento de piscinas con

unos 19.8 GWt instalados de colectores sin cubierta, mientras que en China, Taiwán,

Europa y Japón dominan los colectores planos con cubierta y de vacío utilizados para

calentamiento de agua y espacios.





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2. Sistema solar de calentamiento de agua para uso sanitario

Un sistema solar o instalación es un conjunto de elementos conectados con la finalidad de

proporcionar eficazmente un aporte energético en forma de agua caliente, aire caliente,

vapor, etc. Estos sistemas captan la energía proveniente del Sol y la transfieren a algún

fluido de trabajo para elevar su valor energético acondicionando a este o a un fluido

secundario, para el uso humano.

2.1. Componentes de los sistemas solares térmicos [2, 3]

Los componentes de los sistemas solares térmicos son diversos y dependen del tipo de

instalación, pero en general se pueden distinguir tres subsistemas comunes en casi todos

los sistemas solares térmicos:

a. Subsistema de captación.

b. Subsistema de de almacenamiento.

c. Subsistema de distribución y consumo.

Como este trabajo se centra en instalaciones para calentamiento de agua, Fig. 2.1, se

debe contar también con un:

d. Subsistema de calentamiento auxiliar, y un

e. Subsistema de regulación y control.

Fig. 2.1 Instalación completa de agua caliente sanitaria.





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2.1.1. Subsistema de captación [1, 4, 5]

El subsistema de captación, Fig. 2.2, es el corazón de cualquier sistema solar térmico. Es

el que se encarga de captar la radiación solar y convertir su energía en energía térmica

transfiriéndola a la vez al fluido de trabajo contenido en el.

Fig. 2.2 Subsistema de captación.

Un subsistema de captación puede estar constituido por una o varias unidades, llamadas

captadores o colectores solares, conectadas entre sí. Los colectores solares se pueden

clasificar en base a varios criterios, El primero de ellos puede ser en función del fluido

térmico que utiliza: pueden usar un líquido o un gas para transferirle calor. Los líquidos

más comúnmente utilizados son el agua, una disolución anticongelante o un aceite

térmico. El gas que se suele utilizar como fluido de trabajo es el aire.

La clasificación más importante es por el rango de temperatura de trabajo, Fig. 2.3, que va

relacionado a la aplicación o uso:

a. Colectores de baja temperatura, máximo 50 °C.

b. Colectores de media temperatura, alcanzan un máximo de 90 °C.

c. Colectores de alta temperatura, hasta 150 °C.





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Fig. 2.3 Clasificación de los captadores según su temperatura de trabajo.

Un colector solar está construido por diferentes elementos de los cuales depende su

rendimiento y temperatura de trabajo:

a. Superficie absorbedora, Fig. 2.4: material con una alta absorción de la radiación

solar que produce una elevación de la temperatura. Normalmente es una superficie

metálica recubierta con un material absorbente de la radiación solar incidente.

Fig. 2.4 Superficie absorbedora.

b. Cubierta transparente, Fig. 2.5: tiene como funciones permitir el paso de la radiación solar, disminuir las pérdidas de calor producidas por el viento y reducir las pérdidas de calor del absorbedor.





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Fig. 2.5 Cubierta transparente.

c. Aislamiento térmico, Fig. 2.6: permite disminuir las pérdidas de calor debidas a la

conducción de calor de la superficie absorbedora hacia el fondo y las paredes

laterales.

Fig. 2.6 Aislamiento térmico.

d. Sistema de transporte de calor, Fig. 2.7: conjunto de ductos que permiten transferir

la energía solar térmica transformada en calor desde la superficie absorbedora

hasta el fluido de trabajo que circula en su interior.

Fig. 2.7 Sistema de transporte de calor.

e. Caja protectora, Fig. 2.8: esta caja exterior sirve para darle rigidez y proteger el

sistema de la humedad, corrosión y polvo. Se une a la cubierta por medio un sello y

a ella se adhieren los elementos de fijación y soporte del colector.





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Fig. 2.8 Caja protectora.

Los colectores de alta temperatura incluyen además otra cubierta transparente entre la

cubierta anterior y el convertidor haciendo vacío entre los dos, y así, conseguir un mayor

aislamiento alcanzando temperaturas más altas.

2.1.2. Subsistema de almacenamiento [2]

La energía solar es un tipo de energía no constante que varía conforme al clima,

nubosidad, si es de día o de noche. Esta variación, el hecho de que la demanda es

constante y para brindar un grado de confort aceptable obligan al sistema a disponer de un

acumulador de calor, que en el caso de los líquidos será un depósito más o menos grande

bastante parecido a un termo eléctrico, Fig. 2.9.

Fig. 2.9 Acumulador de calor para líquidos.

En general un acumulador de calor se puede definir como un recipiente asilado

térmicamente dentro del cual la temperatura es más elevada que en el exterior. Su forma

cilíndrica se debe a la reducción de pérdidas de calor por convección y radiación, siendo

preferible que la altura sea mayor al diámetro para mejorar el fenómeno de estratificación.





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Debido al peligro de congelación y corrosión del interior de un acumulador de calor se

prefiere que el fluido que circule por los paneles solares sea diferente al de consumo,

convirtiéndose de esta manera el acumulador en un dispositivo que, no solo almacena, si

no también intercambia calor.

Un Intercambiador de Calor es un equipo que posee una gran superficie de material buen

conductor de calor y es utilizado para enfriar un fluido que está más caliente de lo

deseado, transfiriendo este calor a otro fluido que está frío y necesita ser calentado.

Existen tres posibilidades de acumuladores de calor dependiendo de la incorporación del

intercambiador, Fig. 2.10:

a. Acumulador sin intercambiador

b. Acumulador con un intercambiador

c. Acumulador con dos intercambiadores

Fig. 2.10 Tipos de acumuladores de calor con intercambiador incorporado.

2.1.3. Subsistema de distribución y consumo [2]

Este subsistema es el encargado de llevar el fluido de consumo hasta su consumidor,

cuenta con los siguientes elementos:





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a. Tuberías, Fig. 2.11: estas deben ser de diámetro más bien grande para que la

velocidad de circulación del agua sea pequeña y deben, además, estar

convenientemente aisladas.

Fig. 2.11 Tubería aislada para exteriores.

b. Purgadores: sirven para eliminar los gases que pudieran haber en la instalación y

los hay de tipo manual y automático, Fig. 2.12.

Fig. 2.12 Tipos de purgadores.

c. Vasos de expansión: absorbe las dilataciones causadas en el fluido de trabajo por

el aumento de temperatura, pueden ser de tipo abierto o cerrado, Fig. 2.13.

Fig. 2.13 Tipos de vasos de expansión.





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d. Válvulas: las utilizadas en estos sistemas pueden ser de varios tipos: anti retorno,

llaves de paso y de seguridad.

El fluido de consumo puede circular a través del subsistema de distribución de dos formas:

a. Mediante circulación natural: los sistemas con circulación natural o termosifón

aprovechan la diferencia de densidad entre el fluido caliente y el fluido frio para

realizar el trabajo mecánico de mover la masa del fluido a través del panel. Se

utiliza en instalaciones pequeñas porque el acumulador debe estar siempre más

elevado que el panel, Fig. 2.14, y situar a cierta altura un acumulador de muchos

metros cúbicos de capacidad puede llegar a ser muy caro.

Estos sistemas presentan muchas ventajas en comparación con los de circulación

forzada con bomba: no requieren el más mínimo consumo energético en bombeo,

se regular solos: no necesitan sondas de temperatura ni equipos de control y son

mucho más baratos. Sin embargo, el requerimiento de que el acumulador este a

mayor altura que los paneles presenta dificultades de estética y especio físico,

especialmente cuando los colectores se instalan en azoteas o tejados.

Fig. 2.14 Distribución mediante circulación natural.

b. Mediante circulación forzada: este tipo de circulación requiere una entrada extra de

energía para lograr movilizar el fluido de trabajo dentro de las tuberías.

Generalmente se utiliza una bomba para generar esta energía.





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2.1.4. Subsistema de calentamiento auxiliar [2]

A pesar de la existencia de un subsistema de almacenamiento, este tiene una capacidad

limitada, por lo que es necesario contar con un medio de calentamiento auxiliar que

garantice el suministro de agua caliente a la temperatura apropiada, si la aportación solar

se reduce o el consumo aumenta exageradamente.

Este subsistema puede ser desde una resistencia eléctrica conectada a través de un

termostato en instalaciones pequeñas hasta un calentador de gas o combustible con su

propio intercambiador de calor, Fig. 2.15.

Fig. 2.15 Ejemplo de subsistema de calentamiento auxiliar.

2.1.5. Subsistema de regulación y control [2]

Los equipos de regulación y control ayudan a mantener los rangos de temperatura del

fluido de consumo dentro de los niveles aceptables. Debe contar por lo menos con dos

sondas de temperatura que se colocan una en el tubo de salida del panel y la otra en el

acumulador a más o menos 60% de su altura, como se muestra en la Fig. 2.16.





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Fig. 2.16 Instalación de sonda de temperatura en el acumulador de calor.

2.2. Montaje de colectores [1, 2]

Los dos aspectos más importantes del montaje de colectores son la estructura de soporte

y la superficie en la cual va a ser montada y la configuración de la conexión entre ellos.

2.2.1. Orientación, inclinación y distancia entre captadores

El nivel de aprovechamiento de la radiación solar de un captador depende de gran manera

de su colocación: orientación, inclinación y distancia entre ellos.

La orientación del captador viene definida por un ángulo acimutal, o ángulo de la normal a

la superficie respecto del ecuador del observador. La orientación óptima, que aprovecha

de modo más completo la radiación del sol a lo largo del año, coincide con el ecuador del

observador donde el ángulo acimutal vale cero, o sea, hacia el Sur en el hemisferio Norte

y hacia el Norte en el hemisferio Sur.

La inclinación está definida por el ángulo, θ, entre el colector y la horizontal. Ver Fig. 2.17.

El valor de θ óptimo es la latitud del lugar, aunque dependiendo de la aplicación puede ser

la latitud +10 en verano y +20 en invierno, o para tener un valor fijo durante todo el año

se puede hacer igual a la latitud*0.9. Si la superficie no es horizontal se deben tomar en

cuenta las consideraciones respectivas para el cálculo de θ.





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Fig. 2.17 Colocación de un captador solar.

Para calcular la distancia mínima entre los colectores y evitar al máximo la proyección de

sombra sobre la superficie de captación se utilizan las siguientes ecuaciones basadas en

la Fig. 2.17:

2.2.2. Conexión y distribución de colectores

Al diseñar un campo de colectores hay que pensar en la manera de interconectar sus

tuberías de manera eficiente. Este aspecto depende, en gran medida, de la construcción

de los mismos, principalmente de donde se localizan sus puntos de conexión para la

tubería de entrada del fluido frio y salida del fluido caliente. Teniendo en cuenta si estos

puntos están atrás, arriba y abajo o a los lados del colector, así se seleccionará la

configuración más conveniente para la interconexión de los mismos.

Las configuraciones que se encuentran más frecuentemente se muestran a continuación.

La conexión en serie, Fig. 2.18, es una en que el mismo fluido pasa por la serie de

captadores. Como se puede observar el fluido entra por la parte inferior del primer

captador y sale por la parte superior con mayor temperatura, luego de eso entra por la

parte inferior de un segundo colector y continúa así. Esta es una configuración que permite





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altas temperaturas pero entrega poco caudal. El problema más serio que presenta esta

configuración es el hecho que cada colector sub-secuente presenta un bajo rendimiento

por lo que se recomienda no conectar más de tres colectores en esta configuración.

Fig. 2.18 Conexión de captadores en serie.

La conexión en paralelo, Fig. 2.19, es una en que el total del caudal se divide entre los

colectores en forma equitativa, si estos son iguales. Es una configuración que no se utiliza

para un gran salto de temperatura pero si para entregar una gran cantidad de agua. La

configuración en paralelo es más eficiente que la en serie y es muy utilizada para

calentamiento de agua sanitaria.

Fig. 2.19 Conexión de captadores en paralelo.

Existen, también, colectores que tienen cuatro puntos de conexión; dos de cada lado, y se

prestan muy bien para la conexión de batería en paralelo, Fig. 2.20. En esta configuración

el factor limitante es la velocidad del agua, pues todo el caudal pasa por las tuberías del

primer colector y se desea que la velocidad no exceda 1 m/s para no provocar pérdidas

hidráulicas considerables, pero igualmente es una configuración que permite un buen

número de colectores para conectar (es razonable llegar a 10 en buenos casos).





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Fig. 2.20 Conexión de captadores utilizando la configuración batería en paralelo.

Finalmente en instalaciones grandes no hay por qué limitarse a una solo configuración.

Cuando se trata de mejorar rendimientos se recurre a las conexiones mixtas y así cada

sub-sistema actúa como si fuese un solo colector. Por ejemplo, como se ilustra a

continuación, Fig. 2.21, se pueden ver pequeñas unidades de dos colectores conectados

en serie y estas a su vez en grupos de cinco conectados en paralelo y finalmente estos

cuatro grupos en paralelo también. Así se llega a un sistema eficiente que cumple

balanceadamente con sus requerimientos.

Fig. 2.21 Conexión de captadores utilizando configuraciones mixtas.





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3. Hospital General de Especialidades del IHSS

3.1. Historia [7, 8]

El 19 de diciembre de 1957, la Asamblea Nacional Constituyente estableció las bases que

dieron paso al Instituto Hondureño de Seguridad Social (IHSS), con el Decreto No. 21 que

estipula la obligación del Estado de garantizar a los trabajadores del país medios de

subsistencia como derecho real y delegar la responsabilidad de administrar los servicios

correspondientes. Dos años después, se creó el IHSS mediante el Decreto No. 140 del 3

de julio de 1959. Así el Seguro Social surgió como "una entidad autónoma y con

patrimonio propio, distinto e independiente de la hacienda nacional.”

En 1959 se aprueba el Código de Trabajo y el 22 de mayo del mismo año se aprueba la

Ley del Instituto Hondureño de Seguridad Social en el Congreso, presidido por el Dr.

Modesto Rodas Alvarado y nombrándose como primer director al mencionado Dr. Rogelio

Martínez Agustinuz.

Durante los primeros años la institución se organiza siendo asesorada por técnicos de la

OIT y de esta forma se aprueba el Reglamento, donde se establecen sólo tres

prestaciones: Enfermedad, Maternidad (EM) que inició en 1962, Vejez, Invalidez y Muerte

(IVM) que inició en 1969; y Riesgos Profesionales, que entró en vigencia el 29 de junio de

2005. Diez años después, en 1972, daría su cobertura en la ciudad de San Pedro Sula.

La primera Clínica Periférica del Instituto Hondureño de Seguridad Social fue inaugurada

el 1 de mayo de 1969 en el Barrio La Granja en Comayagüela, a un costo de Lps.

1,069,319.00. Es en ese mismo local donde actualmente se ubica el Hospital de

Especialidades, que se construyó en 1982 con el propósito de descongestionar el

Consultorio General del Barrio Abajo.

3.2. Descripción del hospital [9]

El edificio del Hospital Periférico del Barrio La Granja consta de 9 pisos y de un sótano. La

planta baja y el sótano están ocupados por varias clínicas y otras áreas del hospital

(estadística, docencia, administración, etc.). Desde la segunda hasta la octava planta es lo

que se denomina “zona hospitalaria” y es donde se trata a los pacientes. Actualmente,

también funcionan en ese edificio, la Unidad de Medicina Física y Rehabilitación, la Unidad

de Odontología y el primer Centro de Cirugía Ambulatoria, Fig. 3.1.





27

Fig. 3.1 Hospital de Especialidades del IHSS.

3.3. Descripción del actual sistema de calentamiento de agua

El hospital del IHSS cuenta con un eficiente sistema de calderas que suple las

necesidades de agua caliente de la zona hospitalaria. Posee además dos redes de

tuberías independientes para la distribución de agua caliente y agua fría. El sistema está

conformado por dos calderas de diesel con capacidad de 1126 kW, dos bombas de 15 kW

y una de 20 kW, un tanque para agua fría y uno para agua caliente, ambos de 500

galones, y un tanque para condensación de vapor.

Una particularidad del sistema hidráulico de esta institución, es que no existen en ella

medidores de agua que indiquen la cantidad del líquido que se consume de la red del

SANAA.

3.3.1. Subsistema de calderas

Actualmente, solo se utiliza una de las calderas, la cual recibe un promedio de 250

galones de diesel durante las dieciocho horas de funcionamiento que cumple al día, Fig.

3.2. Dicha caldera es alimentada con agua fría, a 15 °C aproximadamente, la cual absorbe

el calor generado al quemar el diesel, hasta convertirse en vapor.





28

Fig. 3.2 Calderas.

El agua fría es bombeada desde una cisterna hasta el tanque de agua fría, Fig. 3.3, el

cual, con presión de aire acumulada por la bomba, envía una parte del agua a la caldera y

otra a las tuberías de distribución de agua fría de la zona hospitalaria. Existe además, una

pequeña parte de esta agua que se dirige al tanque de consensado para alimentar el ciclo

de vapor.

Fig. 3.3 Tanque de agua fría.

El vapor de agua sale de la caldera utilizando una tubería de hierro de 4 pulgadas y

aislada con fibra de vidrio, la cual tiene dos derivaciones: una para la utilización directa del

vapor en algunas aplicaciones como esterilización, lavandería y cocina, y otra para

calentar el agua que se almacena en el tanque de agua caliente, Fig. 3.4, para luego ser

distribuida en la zona hospitalaria y usada en baños, lavamanos y lavatrastos.





29

Fig. 3.4 Tanque de agua caliente.

Tras calentar el agua de uso sanitario, el vapor se condensa y es dirigido al tanque de

condensado para volver a la caldera y completar el ciclo. En este ciclo, el agua continúa

circulando para seguir siendo calentada por la caldera compensando las pérdidas de calor

en la red hidráulica. De esta manera se evita el inconveniente de tener agua fría

acumulada en las tuberías del sistema. Un diagrama completo del ciclo se presenta en la

Fig. 3.5.

Fig. 3.5 Ciclo del agua en el actual sistema del hospital.





30

3.3.2. Subsistema de distribución de vapor

El vapor de agua sale de la caldera y la mayor parte que se produce es enviada para su

uso directo en algunos aparatos por medio de tubería de hierro de 4” aislada con fibra de

vidrio, Fig. 3.6.

Fig. 3.6 Tubería para la distribución de vapor.

Estos aparatos están conformados por esterilizadores de instrumentos y utensilios de

varios tipos, lavadoras generales, esterilizadoras de gabachas para las enfermeras, ollas

de presión (marmitas) en la cocina y una trituradora de desechos sólidos, Fig. 3.7 y Fig.

3.8.

Fig. 3.7 Lavadoras generales.





31

Fig. 3.8 Trituradora de desechos.

3.3.3. Subsistema de distribución de agua caliente

La otra parte del vapor producido es utilizada en un intercambiador de calor dentro del

tanque para agua caliente. Precisamente ahí es donde el agua se calienta, se almacena

para su uso y luego se hace circular por la red hidráulica en donde el personal del hospital

la puede consumir. El agua caliente es usada en la zona hospitalaria para tratar a los

pacientes en baños, lavamanos y lavatrastos, Fig. 3.9. Todos estos dispositivos cuentan

también, con una salida de agua fría que permite a los usuarios regular la temperatura del

agua.

Fig. 3.9 Dispositivos que utilizan agua caliente en la zona hospitalaria.





32

3.4. Cuantificación del consumo de combustible

La caldera que funciona en el hospital está operando de 5:00 a.m. a 11:00 p.m. cada día

de la semana y en promedio consume unos 250 galones diarios de combustible diesel. El

precio al que el hospital compra el combustible es el mismo precio al que cualquiera puede

comprarlo en una gasolinera. Se calculó que del total del vapor producido por la caldera

solo el 30% se usa para calentar el agua y el resto va para otras aplicaciones. Esto implica

que solo el calor generado por la combustión de 70 galones diarios de diesel es utilizado

para calentar agua. Si el precio del combustible es de Lps. 82.48/gal, el hospital gasta

Lps. 5,773.60 diarios en comprarlo, lo que representa un gasto anual de Lps.

2,078,496.00.

Adicionalmente, la quema de un galón de combustible diesel produce 10.03 kg de CO2.

Si se queman 70 galones de combustible, se producen 704.6 kg de CO2 diarios. Lo que

significa que cerca de 257 de toneladas métricas de CO2 son emitidas al ambiente en un

año.





33

4. Diseño de sistema solar térmico para ACS

Para diseñar un sistema solar térmico que supla las necesidades de agua caliente

sanitaria de cualquier instalación se recomienda seguir la siguiente metodología de diseño:

a. Cálculos preliminares

1. Datos de inicio

2. Cálculo de la demanda térmica

3. Cálculo de la energía solar disponible

4. Evaluación de la superficie disponible y del volumen de almacenamiento

b. Diseño del subsistema de captación

1. Número de colectores

2. Selección de la configuración básica

3. Selección del fluido de trabajo

c. Diseño del subsistema de almacenamiento

1. Selección del tipo de intercambio térmico

d. Diseño del circuito hidráulico

e. Diseño del subsistema auxiliar

f. Diseño del subsistema eléctrico y de control

g. Diseño de la estructura de soporte

4.1. Cálculos preliminares [1]

4.1.1. Datos de inicio

a. Ubicación de la instalación: latitud y longitud.

b. Parámetros climáticos, valores anuales promedios mensuales de:

Temperaturas: máximas, mínimas y promedio

Velocidad y dirección del viento.

Radiación solar.

Volumen de agua precipitadle.

Todos estos datos se pueden obtener ya sea midiéndolos por un determinado

periodo de tiempo o de una base de datos en internet según la ubicación de la

instalación. Anexo A.

c. Inspección del lugar:

Superficie libre disponible para la instalación.

Acceso para reparación y mantenimiento.

Análisis de obstáculos presentes y futuros (plantas, construcciones).





34

4.1.2. Cálculo de la demanda térmica

Para calcular la demanda térmica es necesario tener la demanda o consumo medio diario

de agua caliente, ya sea medido o calculado, a la temperatura de uso. Anexo B.

Demanda térmica (DET):

DET= G(TU) ρ·CP·(TU–TAF) (kWh/día)

Donde, G(TU) es el consumo medio diario de agua caliente a la temperatura TU, ρ es la

densidad del agua, CP es el calor específico del agua a presión constante, TU es la

temperatura de uso del agua caliente y TAF es la temperatura del agua fría.

Para calcular la demanda o consumo de agua caliente en un hospital:

Donde, %u es el porcentaje de utilización de camas promedio anual, camas es el total de

camas censables de la zona hospitalaria y D es la demanda diaria de agua en litros por

cama al día a la temperatura de uso TU.

4.1.3. Cálculo de la energía solar disponible y de la fracción solar

Las mediciones de radiación incidente encontradas en cualquier base de datos de

radiación solar son hechas sobre una superficie horizontal. Como los colectores solares se

inclinan cierto ángulo en relación a la horizontal, la radiación incidente en su superficie se

ve afectada dependiendo de qué tan pronunciada sea dicha inclinación. Lo más

recomendable para calcular la radiación solar sobre una superficie inclinada es tomar

como base los datos obtenidos sobre la horizontal y usar algún tipo de software, ya que el

cálculo a mano es largo y fuera de los alcances de este trabajo.

Una vez definido cuanta energía va a suministrar el sistema, y cuanto es la demanda

energética se puede calcular un parámetro de suma importancia: la fracción solar. La

fracción solar (FS) se describe como la relación entre el calor solar producido y los

requerimientos totales de energía para el calentamiento de agua, de acuerdo a la ecuación

siguiente:





35

Donde, QS es el calor solar producido por el sistema y QAUX es el calor auxiliar requerido

para suplir el 100 % de la demanda.

En ocasiones no es conveniente suplir toda la demanda exigida y es la fracción solar un

indicativo de “hasta donde llegar” con la capacidad del sistema. Es conveniente establecer

en cada uno de los casos, la FS óptima, ya que a partir de un cierto valor, la recuperación

de una mayor cantidad de energía solar, requerirá cada vez una mayor superficie,

resultando en una alta inversión, haciendo poco rentable el proyecto de calentamiento. La

Fig. 4.1 es la gráfica típica de la FS versus la superficie de colección de un colector o un

sistema de colectores y usualmente viene en la hoja técnica o catálogo de un determinado

modelo de colectores.

Fig. 4.1 Curva típica de la fracción.

4.1.4. Evaluación de la superficie y del volumen de almacenamiento

Los parámetros de dimensionamiento más importantes del sistema son el área de

captación y el volumen de agua que necesita ser almacenado.

Área de captación (AT):

Donde, Radprom es la radiación promedio anual del lugar y se utiliza 0.6 como la eficiencia

tentativa total del sistema de captadores.





36

Dependiendo del modelo de captadores seleccionado esta área puede variar por lo que se

recomienda cumplir con el siguiente criterio:

Ahora, para calcular el volumen de agua que necesita ser almacenado es necesario

preguntarse: ¿para cuánto tiempo puede el sistema suplir la demanda si este por algún

motivo dejara de funcionar? Suponiendo que se desea que el sistema almacene agua

suficiente para suplir la demanda de un solo día; entonces igualamos G con V. Si el caso

no es así, se utiliza la fórmula siguiente:

Donde, V es el volumen de agua que necesita ser almacenado y ndias el número de días

que el sistema sería capaz de suplir la demanda si dejara de funcionar.

Nuevamente, teniendo en cuenta el área de captación, y para seleccionar el volumen

adecuado, se recomienda cumplir con el siguiente criterio de diseño:

Generalmente se escoge igual a 80.

4.2. Diseño del subsistema de captación [2, 11]

4.2.1. Número de colectores

Para calcular el número de colectores (nc) habrá que elegir primero el modelo de colector

a usar y utilizar la siguiente relación:

Donde, AT es área total de captación escogida y ac es el área por colector generalmente

especificada en la hoja técnica del modelo elegido.





37

4.2.2. Selección de la configuración básica

La configuración básica se refiere a dos cosas, la primera es el tipo de circulación, natural

o forzada, y la segunda es la configuración de la conexión de los captadores entre sí.

El tipo de circulación utiliza un criterio simple de selección, en instalaciones pequeñas es

recomendable utilizar circulación natural por todas las ventajas que presenta. También en

instalaciones grandes se puede utilizar este tipo de circulación teniendo cada colector su

propio tanque de almacenamiento, si se cuenta con el espacio físico necesario. De no ser

así, se recomienda la circulación forzada, la cual requiere de un equipo de control de

temperatura y un subsistema de bombeo.

Para elegir la configuración en la que se debe conectar toda la tubería entre los colectores

y como se distribuirá la carga entre ellos es necesario considerar el salto de temperatura y

el caudal de agua. Si el salto de temperatura es pequeño se recomienda usar conexión en

paralelo, y si se requiere un caudal de agua constantes es preferible usar conexión en

serie. Lo importante en este paso es optimizar el rendimiento eligiendo la configuración

más adecuada según las necesidades.

Finalmente tras elegir la configuración más apropiada para el sistema se procede a hacer

un diagrama de conexión que muestre con mayor detalle cómo se distribuyen los

colectores. Esto se hace viendo las conexiones de los colectores y teniendo en cuenta el

número de colectores que se han calculado para el sistema.

4.2.3. Selección del fluido de trabajo

Cuando se incluye un intercambiador de calor en el sistema y se separa el fluido de

trabajo y el fluido de consumo, es necesario seleccionar el fluido de trabajo según las

condiciones del lugar y del sistema mismo. Lo más sencillo es también utilizar agua como

fluido de trabajo porque es fácil de conseguir, lo que presenta una gran ventaja en

sistemas grandes donde se necesita en mayores cantidades. Otra de sus cualidades, es

que tiene un calor especifico muy elevado, por lo que, pequeñas cantidades de agua

cargan con mucha energía calorífica requiriendo menor caudal y reduciendo perdidas en

las tuberías

Además, para casos extremos la composición del fluido de trabajo se puede modificar

para adaptarlo a nuevas condiciones. Cuando se necesita reducir la corrosión dentro de

las tuberías, la mejor opción es desmineralizar el agua. Según normas internacionales, la

salinidad del agua en una tubería no debe sobre pasar los 500 mg/l y en el caso de no





38

disponer de este valor se tomará el de conductividad como variable limitante, no

sobrepasando los 650 µS/cm.

En el caso de que la temperatura ambiente baje del punto de congelación del agua es

necesario tener ciertos cuidados, para evitar la congelación del fluido dentro de las

tuberías, como ser, drenar el fluido del sistema o mantenerlo en circulación permanente.

Una práctica más común es la de agregar anticongelantes con calor específico no inferior

a 3 kJ/(kg-K), equivalentes a 0,7 kcal/(kg-°C), medido a una temperatura de 5 °C.

Cabe mencionar que existen también líquidos fabricados que sirven para este propósito.

Son substancias especializadas para las condiciones propias de cada sistema pero su

costo tiende a ser más elevado.

4.3. Diseño del subsistema de almacenamiento térmico [11]

Para diseñar el subsistema de almacenamiento primero hay que evaluar el espacio físico

donde se quiere colocar los tanques. Un tanque lleno de agua significa un gran peso, así

que la superficie debe poder soportarlo. En segundo lugar, se desea que los tanques

tomen el menor espacio horizontal posible, por lo que tanques cilíndricos verticales son

muy utilizados. Una relación grosor-altura de 1-2 es lo más recomendable.

Si fuera posible adquirir tanques con intercambiador de calor sería más sencillo, pero en

caso de que estos vengan por separado, el tanque debe tener al menos cuatro conexiones

hidráulicas: dos que lleven al intercambiador de calor, una para la alimentación y otra para

el consumo. También, al conectar tanques con intercambiador separador se debe tomar

en cuenta que el agua fría se extrae de los tanques por la parte inferior, luego pasa al

intercambiador y se devuelve por la parte superior para almacenarla caliente en el

termotanque.

4.3.1. Diseño del subsistema de intercambio térmico

La potencia mínima del intercambiador de calor debe cumplir con la demanda térmica del

sistema y además debe cumplir con la siguiente condición:

Se recomienda que el intercambiador independiente del acumulador sea de placas de

acero inoxidable o cobre, y deberá soportar las temperaturas y presiones máximas de

trabajo de la instalación. El intercambiador del circuito de captadores incorporado al





39

acumulador solar estará situado en la parte inferior de este último y podrá ser de tipo

sumergido o de doble envolvente.

4.4. Diseño del circuito hidráulico [11]

Un sistema hidráulico grande por naturaleza resulta ser una red compleja y para diseñarla

se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

a. Para controlar que el flujo del fluido en cada colector o en un grupo colectores sea

el que corresponde, se utilizan válvulas solenoides y de equilibrado.

b. Otros accesorios de control importantes son los vasos de expansión y los

purgadores.

c. Con objeto de evitar pérdidas térmicas, la longitud de tuberías del sistema deberá

ser tan corta como posible, evitando al máximo los codos y pérdidas de carga en

general.

A parte de estas recomendaciones y la teoría explicada anteriormente queda a libre

elección del proyectista adaptar su circuito hidráulico a un caso particular.

4.5. Diseño del subsistema auxiliar de calentamiento [11]

Para comenzar, por razones de eficiencia energética, entre otras, se desaconseja la

utilización de energía eléctrica debido al efecto Joule como fuente auxiliar, especialmente

en los casos de altos consumos y fracciones solares anuales bajas. Queda también

prohibido el uso de sistemas de energía auxiliar en el circuito primario de captadores.

El sistema auxiliar debe diseñarse en función de las necesidades del proyecto particular y

debe entrar en funcionamiento solo cuando sea absolutamente necesario aprovechando al

máximo el recurso solar y subiendo la fracción solar. Se deben de tomar en cuenta los

siguientes criterios:

a. Para pequeñas instalaciones se recomiendan los sistemas auxiliares en línea,

siendo más idóneos los que funcionan con gas natural.

b. No se recomienda la conexión de un retorno desde el acumulador de energía

auxiliar al acumulador solar, salvo que existan períodos de bajo consumo

estacionales, en los que se prevea elevadas temperaturas en el acumulador solar.

c. Para la preparación de agua caliente sanitaria, se permitirá la conexión del sistema

de energía auxiliar en paralelo con la instalación solar cuando el sistema auxiliar ya

está instalado previamente o exista algún impedimento serio para conectarlos

enserie.





40

d. Es necesario algún sistema de control para la coordinación entre el sistema solar y

el sistema auxiliar. Pues en caso que falle el primero el segundo debe actuar, pero

no debe de hacerlo cuando está funcionando normalmente.

e. En el caso, estrictamente necesario, de que el sistema auxiliar sea eléctrico, la

potencia correspondiente será inferior a 300 W por cada metro cuadrado de

superficie captadora. Para instalaciones de tamaño inferior a 5 m2 la potencia podrá

ser de 1500 W.

En caso de que ya exista un sistema de calentamiento de agua antes de instalar el

sistema solar térmico, este puede servir como subsistema auxiliar. Al instalar el sistema

solar no se apaga el sistema anterior, pero si se limita o se suspende para disminuir

gastos económicos aprovechando el recurso solar.

Finalmente, un subsistema auxiliar debe ser seguro, estable y tener la capacidad de entrar

en línea cuando sea requerido, para esta coordinación usualmente se requiere de un

sistema de control eléctrico.

4.6. Diseño del subsistema eléctrico y de control [11]

Se ha mencionado ya que un sistema de control ayudaría a coordinar el sistema solar con

el auxiliar, pero en realidad, si el sistema es complejo también tendrá otras funciones. El

sistema de control deberá asegura el correcto funcionamiento de las instalaciones,

procurando obtener un buen aprovechamiento de la energía solar captada y asegurando

un uso adecuado de la energía auxiliar. El subsistema de regulación y control comprende

lo siguiente:

a. Control de funcionamiento del circuito primario y secundario (si existe).

b. Sistemas de protección y seguridad de las instalaciones contra

sobrecalentamientos, heladas, etc.

El sistema de control asegurará que en ningún caso se alcancen temperaturas superiores

a las máximas soportadas por los materiales, componentes y tratamientos de los circuitos.

La forma de que logra esto, en sistemas con circulación forzada, es utilizando termostatos

diferenciales como sensores. Se coloca un sensor en la alimentación del colector y otro en

la salida para medir la diferencia de temperatura. Si ésta es una diferencia mayor a la

programada, las bombas actúan, pues la temperatura es satisfactoria, pero si es menor a

un límite establecido, las bombas no funcionan hasta que el agua obtenga la temperatura

deseada. Así, se optimiza el sistema al permitir en cada grupo de colectores o en cada

colector la cantidad de agua deseada. El mismo principio se puede aplicar para evitar

congelación o sobrecalentamiento con solo variar los límites permitidos.





41

Un sistema de control necesita de monitoreo, o bien, variables de entrada para que este

actúe. Y se establece, por normas internacionales, que para el caso de instalaciones

mayores de 20 m2, se deberá disponer al menos de un sistema analógico de medida local

que indique como mínimo las siguientes variables:

Opción 1:

a. Temperatura de entrada de agua fría de red

b. Temperatura de salida del acumulador solar

c. Caudal de agua fría de red

Opción 2:

a. Temperatura inferior del acumulador solar

b. Temperatura de captadores

c. Caudal por el circuito primario

El tratamiento de los datos proporcionará al menos la energía solar térmica acumulada a

lo largo del tiempo y las medidas para el sistema de control.

4.7. Diseño de la estructura de soporte [1,11]

Se debe de tener cuidado con la estructura de soporte de los colectores solares y aquí

están los principales factores a considerar en este ámbito:

a. El peso de los captadores: suele venir en las especificaciones del producto y de

incluir el peso del agua que contiene.

b. La velocidad del viento: produce esfuerzos en la estructura y es más influyente a

medida que los colectores se colocan a una mayor altura.

c. La dilatación térmica de las piezas del sistema: no es recomendable que estas

estructuras tengan todos sus puntos fijos, pues hay que considerar que los

materiales día a día se contraen y se dilatan, lo que con el tiempo puede debilitar el

soporte.

d. La superficie de colocación: puede no ser plana, lo que facilitaría la colocación de

los colectores. Si este es el caso la estructura de soporte debe compensar el ángulo

de inclinación extra para orientar el colector correctamente.

e. El tipo de superficie: pues si es tierra, una superficie estrecha o si es un techo la

estructura de soporte podría necesitar puntos de sujeción como tornillos o barras

para sostenerlo.

En el mercado, las compañías contratadas para construir este tipo de proyectos se

encargan de elaborar estas estructuras sabiendo mucho de lo que anteriormente se ha

explicado. Incluso, es de práctica común, tener estructuras móviles que se pueden orientar

a lo largo del año o algunas que siguen al sol a lo largo del día que funcionan con circuitos





42

de control automatizados. Sin embargo, para motivos de aminorar costos, se prefieren

estructuras como barras de acero soldadas que se construyen según la orientación e

inclinación que el colector necesite.





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5. Resultados

El Hospital de Especialidades del IHSS cuenta con 339 camas censables con un

porcentaje de utilización de 77% en promedio anual, considerando que el consumo

unitario por cama es de 55 litros/día a 50 °C y que el agua fría ingresa al sistema a 15 °C,

se encontró que la demanda total del agua es de 14,360 litros/día y la demanda térmica

es de 583.2 kWh/día. Para detalle en los cálculos ver Anexo C.

Para cumplir con estos requerimientos, se diseñó un sistema solar térmico que utiliza

179.5 m2 de área de captación y almacena 15,422 litros, o sea que tendrá la capacidad

de suplir la demanda de agua caliente durante un día sin que el sistema este funcionando.

Se escogieron colectores tipo Alternate Energy AE-40 con un área individual de colección

de 3.48 m2 y acumuladores de agua caliente tipo AET 80 Gal Tank con 80 galones de

capacidad de almacenamiento. Ver Anexos D y E. En base a estas especificaciones se

calculó que se necesitan 51 colectores y 51 termotanques para cumplir con la demanda

del hospital.

El edificio del hospital cuenta con una azotea de 446 m2 en el octavo piso sin

obstrucciones por sombra, en donde se encuentra conveniente instalar los captadores

como se muestra en la Fig. 5.1. El sistema se va a conectar a la red hidráulica ya

existente en serie con el sistema de calentamiento con calderas, el cual seguirá

funcionando para suplir las necesidades de vapor del hospital y funcionará como sistema

auxiliar en caso de fallas.

Son nueve bancos de colectores conectados en paralelo, tres de ellos cuentan con 5

colectores y los seis restantes con seis colectores también conectados en paralelo. Para

las conexiones entre los colectores se utilizará tubo tipo CPVC de 3/4” debidamente

aislado con fibra de vidrio.





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Fig. 5.1 Diagrama de conexión del subsistema colector.

Todas las cotas están dadas en metros.

5.1. Presupuesto

El proyecto está valorado en un total de Lps. 8,119,158.19, los costos se detallan a

continuación en las Tablas 5.1 y 5.2:

Tabla 5.1. Presupuesto tuberías y accesorios.

Descripción Cantidad Precio Unitario (Lps) Total (Lps)

Tubo CPVC 3/4" 120 208.04 24,964.80

Adaptador CPVC macho 3/4 120 14.15 1,698.00

Codo CPVC liso 3/4*90 RP4-5340 220 14.15 3,113.00

Tee CPVC 3/4" 90* 110 18.00 1,980.00

Pegamento CPVC EZ20702 8-onz 5 107.14 535.70

Cinta teflón LAR 3/4*12 mts 80 6.65 532.00

Total 32,823.50





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Tabla 5.2. Presupuesto general.

Descripción Cantidad

Costo unitario

(Lps)

Imprevistos e I.S.V. (15% y 12.5%) (Lps)

Costo total (Lps)

Fracción del total

Captadores AE_40. 51 20,374.22 155,862.81 1,194,948.24 14.7%

Termotanques AET 80, bombas y equipo de control.

51 28,986.48 221,746.57 1,700,057.05 20.9%

Gastos de envío de captadores y termotanques.

1 2,288,894.57 286,111.82 2,575,006.39 31.7%

Tuberías y accesorios. 1 32,823.50 4,923.53 37,747.03 0.5%

Mano de obra de instalación de las estructuras de soporte.

51 1,500.00 11,475.00 87,975.00 1.1%

Mano de obra de instalación de las tuberías y tanques.

1 70,000.00 10,500.00 80,500.00 0.99%

Mano de obra de instalación de paneles (conexión de piezas, electricidad).

51 2,100.00 16,065.00 123,165.00 1.5%

Honorarios profesionales, diseño, supervisión de la construcción y supervisión (Incluye ISR).

1 2,319,759.48

2,319,759.48 28.6%

Costo total del proyecto

Lps. 8,119,158.19

Para ver detalles de las cotizaciones ver Anexo F.





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Conclusiones

1. El proyecto constaría de 51 colectores del tipo Alternate Energy AE-40, con tanques

de almacenamiento de capacidad total de 15,422 litros que consideramos propio

colocar en la terraza arriba de la octava planta del hospital.

2. Este sistema de calentamiento de agua a base de radiación solar representa una

inversión monetaria inicial elevada ya que la estimamos en aproximadamente Lps.

8,119,158.19 (ver Tabla 5.2), pero por tener un costo de operación que es solo por

mantenimiento (no consume combustible) incrementa el atractivo del proyecto.

3. Teniendo en cuenta que el Sistema diseñado supliría cerca del 90% de la demanda de

agua caliente durante el día, que el 30% del combustible se utiliza para calentar el

agua y que el consumo de la caldera es de 250 galones de diesel diarios, se calcula

que el sistema ahorraría unos 70 galones de diesel al día lo que implicaría un ahorro

de L. 5,773.60 diarios o L. 173,208.00 mensuales. El sistema de calderas quedaría en

marcha solo para la producción de vapor y como sistema auxiliar en caso de la falla o

paro del sistema solar.

4. Habiendo analizado las instalaciones del hospital (incluye las instalaciones hidráulicas,

el espacio libre para las instalaciones del proyecto, accesibilidad para mantenimiento,

etc.) El sistema perfectamente podría suplir parte de la demanda de agua en días

opacos o nublados. En caso de paro, también es capaz de almacenar agua caliente

para su uso posterior, sin que esta pierda calor y supliendo la demanda del hospital,

por uno o dos días.





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Recomendaciones

1. Se recomienda al director del hospital hacer lo posible por conseguir el financiamiento,

o alguna donación con países amigos, que sería necesario para el desarrollo e

instalación del proyecto, pues según lo investigado, ahorraría al hospital más de Lps.

170,000.00 al mes en gastos de combustible.

2. Es importante además, en investigaciones posteriores, hacer un estudio económico

sobre el tiempo de recuperación de la inversión inicial, tomando como base el ahorro

en el combustible de las calderas que nos daría el funcionamiento del sistema.

3. También, en futuros estudios, sería propio investigar con instituciones financieras sobre

las condiciones que ofrecen en préstamos blandos y considerar esta opción para el

financiamiento del proyecto.

4. Como suplemento a la investigación, se recomienda realizar un estudio ambiental

sobre la disminución de las emisiones de dióxido de carbono que provocaría la

instalación del sistema. Además de los beneficios directos del ahorro en combustible,

se podría pensar en la posibilidad de vender bonos de carbono para aumentar el

atractivo del proyecto.





48

Bibliografía

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conversión de la energía solar.” OLADE. Curso virtual, septiembre 2009,

CIMEQH.

[2] Ribot i Martin, Jaume. “Energía Solar.” Imprimex, cuarta edición, 2001.

Barcelona.

[3] Téllez, Félix M. Ávila, Antonio L. “Gestión de energías renovables. Perspectivas

del futuro. Energía Solar Térmica.” CIEMAT, 2009. Madrid.

[4] http://www.caloryfrio.com/energia-solar/energia-solar-termica/los-sistemas-de-

energia-solar-termica.html

[5] http://energiadoblecero.com/energias-renovables/energia-termosolar/tipos-de-

colectores-solares-y-componentes-basicos

[6] http://coepa.net/guias/energia-solar/3-solar-termica

[7] http://ihss.hn/General/Paginas/AntecedentesIHSS.aspx

[8] http://www.bvs.hn/RMH/pdf/2010/pdf/Vol78-3-2010-11.pdf

[9] Martinez, Carlos. Amaya, Angel. “Auditoría Energética al Instituto Hondureño de

Seguridad Social Barrio La Granja.” Tercer periodo 2010. Informe Final.

[10] http://www.monografias.com/trabajos65/radiacion-solar/radiacion-solar2.shtml

[11] “Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura.” Instituto

para la diversificación y ahorro de energía (IDAE). Madrid, España.

[12] http://eosweb.larc.nasa.gov/cgibin/sse/grid.cgi?email=rirs926%40hotmail.com&st

ep=2&lat=14&lon=88&num=093105&p=grid_id&sitelev=&veg=17&hgt=+100&sub

mit=Submi

http://eosweb.larc.nasa.gov/cgibin/sse/grid.cgi?email=rirs926%40hotmail.com&step=2&lat=14&lon=88&num=093105&p=grid_id&sitelev=&veg=17&hgt=+100&submit=Submi







49

Anexo A Datos climáticos de Tegucigalpa [12]

Northern boundary

15

Western boundary -88

Center Latitude 14.5

Longitude -87.5

Eastern boundary -87

Southern boundary

14

Tabla A.1 Monthly Averaged Insolation Incident On A Horizontal Surface (kWh/m2/day)

Lat 14 Lon -88

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

22-year Average 4.38 5.26 5.97 6.14 5.60 5.48 5.56 5.65 5.24 4.63 4.30 4.13

Tabla A.2 Average Daily Temperature Range (°C)

Lat 14 Lon -88

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

22-year Average 7.39 8.49 9.22 8.82 * 7.30 6.74 7.49 7.71 7.10 6.48 6.41 6.77

Tabla A.3 Monthly Averaged Wind Speed At 50 m Above The Surface Of The Earth (m/s)

Lat 14 Lon -88

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Annual Average

10-year Average

5.83 5.80 5.29 5.24 4.59 4.70 4.75 4.62 4.09 5.07 5.24 5.40 5.04

Bases de datos accesibles a través de la Web:

1. World Radiation Data Centre

http://wrdc-mgo.nrel.gov

2. Meteorología de superficie y Energía Solar

http://eosweb.larc.nasa.gov/sse

3. Solar and Wind Energy Resource Assessment (SWERA)

http://swera.unep.net





50

Anexo B Consumos y temperaturas típicos

Tabla B.1 Consumos unitarios dependiendo del tipo de instalación.

Uso del edificio Clasificación Consumo unitario

Lt/persona-día

Residencial

Vivienda 40

Hotel menor o igual a 3 estrellas 55

Hotel de 4 estrellas 80

Hotel de 5 estrellas 100

Camping 30

Cuartel 40

Centro penitenciario 40

Residencia de estudiantes 40

Residencia de ancianos 60

Albergue 35

Deportivo Deportivo, gimnasio, piscina 30

Docente Con duchas 30

Otros usos 6

Sanitario Hospital, clínica 55

Ambulatorio, centro de salud 60

Industrial Vestuarios 30





51

Servicios Restaurante 12

Cafetería 2

Tabla B.2 Temperaturas típicas de uso.

Equipos

(Viviendas)

Temperatura de

Uso (ºC)

Equipos

(Hospitales)

Temperatura

de Uso (ºC)

Lavamanos y

lavabos 35 Bañera y ducha de limpieza 35

Fregadero 45-50 Fregadero 45-50

Bañera y ducha 40 Bañera y ducha 40

Baño de asiento 42 Baño de asiento y lavapiés4 0

Bidé 38 Baño medicinal 32-38

Aparatos

(Restaurantes y

Hoteles)

Temperatura de

Uso (ºC)

Aparatos

(IIndustrias)

Temperatura

de Uso (ºC)

Lavamanos 35 Serie de lavabos con grifo 35

Lavabos 40 Serie de lavabos con piña

ducha 35

Baño3 8 Fuente de lavabo circular

para 6-8 personas 35

Ducha 35 Ducha 35





52

Anexo C Memoria de cálculos (EES)

Se insertaron en el Engineering Equation Solver (EES) las siguientes ecuaciones:

"Variables de entrada" camas_t=339 u%=.77 D=0.055[m^3/cama-dia] T_u=50 [C] T_AF=15 [C] Rad_prom=5.19 [kWh/m^2-dia] "Demanda de agua" G=u%*camas_t*D "m^3/dia" "Calculando demanda térmica" rho=1000 [kg/m^3] C_p=4.178 [kJ/K*kg] D_ET=(G*rho*C_p*(T_u-T_AF))*(1/3600) "kWh/día" "Condiciones de funcionamiento" "1.25<100A/G<2" "A en m^2" "G en lt" CF_AG=100*A/G/1000 "Almacenamiento termico y área de captación" "0.8<V/G<1.2" V=G "m^3" "50<V/A<100" V/A=0.08 [m^3/m^2] "V/A=80 [lt/m^2]" CF_VA=V*1000/A "Fracion Solar" "FS=Q_s/(Q_s+Q_AUX)" "Q_s=" "Q_AUX=" "D_ET=Q_s+Q_AUX" "Eficiencia del sistema" "ES=Q_s/E_0*100" "Cálculo de número de colectores usando los criterios" a_c=3.48 [m^2] n=A/a_c "Cálculo de número de colectores usando balance de energía" A_E=D_ET/(rad_prom*0.6) n_E=A_E/a_c





53

El software arrojó los resultados de la Fig. C.1.

Fig. C.1 Ventana de salida del EES.





54

Anexo D Especificaciones técnicas de los colectores

Alternate Energy

Item code: ALNAE-40

Model number: AE-40

Fig. D.1 Colector Alternate Energy AE-40.

Especificaciones del colector:

Glazing: 1 sheet of solite glass, 1/8” or 5/32” thick with 0.01% iron oxide content.

Transmittance: 91.0%

Glazing Gasket: EPDM Channel with molded corners.

Insulation: 1-¼” Foil-faced poly-isocyanurate board insulation. (R-10). ¾” Foil-faced

poly-isocyanurate board in side walls and under headers. (R-6).

Frame Wall and Batten: 6063 T6 Aluminum extrusion. (1/8” wall) Electrostatic paint

finish. Electrostatic paint integral mounting system.

Backsheet: 0.019 stucco embossed aluminum sheet MB-40 bronze, pop-riveted to

frame wall.

Absorber Plate: Exclusively manufactured by Thermafin Manufacturing. All copper

fin and tube construction. High frequency forge welded for permanent bond between





55

tube and sheet. No soldered or crimped joints to fair from expansion and

contraction. 30 year warranty on fin-to-tube joint.

Absorber Coating: Crystal Clear Absorptivity: ~ 0.97 Emissivity: ~ 0.07

Individually Leak Tested At: 125 PSI

Design Life: 30 Years

Flow Rate: 0.5 to 1.8 GPM recommended

Warranty: 10 year limited – Consult Factory

NOTE: Mounting hardware NOT INCLUDED

Fig. D.2 Corte lateral.

Fig. D.3 Vista superior.





56

Anexo E Equipo de montaje de los colectores

Fig. E.1 Equipo necesario para el montaje de los colectores.





57

Fig. E.2 Diagrama de bombeo.





58

Anexo F Cotización de materiales

Fig. F. 1 Cálculo de los gastos de envío de los colectores y tanques de almacenamiento térmico.

Fig. F.2 Cotización de tuberías y accesorios.





59

Fig. F.3 Cotización de tuberías y accesorios.





60

Anexo G Notas

Fig. G.1 Nota dirigida al Gerente de Docencia solicitando permiso para realizar la investigación.





61

Fig. G.2 Nota de parte del Gerente de Docencia concediendo el permiso para realizar la investigación.





62

Fig. G.3 Cata de conclusiones página 1.





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