| Nº 83, Setiembre 2001 DISEÑO DE SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA POR ENERGÍA SOLAR |
Ricardo Rojas
Coordinador de la Unidad de Apoyo Técnico para el Saneamiento Básico del Área Rural (UNATSABAR)
Sixto Guevara
Investigador de la UNATSABAR1. INTRODUCCIÓN
El éxito de los sistemas de calentamiento solar de agua depende de dos factores: a) nivel de radiación solar; y b) tipo de colector solar. La combinación de ambos factores determina el costo del sistema, el cual se reduce notablemente en zonas de alta incidencia solar.
En esta hoja de divulgación técnica se presentan los criterios básicos para el diseño de sistemas de calentamiento de agua. Estos criterios están basados en las experiencias acumuladas durante la evaluación de campo de un prototipo de calentador solar, así como de los fundamentos teóricos obtenidos de la recopilación bibliográfica. Toda esta información ha permitido el desarrollo y la validación de un programa de cálculo para el diseño de calentador solares.
2. ASPECTOS GENERALES
La energía solar, como recurso energético, está constituida por la porción de luz que emite el Sol y que llega a la Tierra. En su recorrido interacciona con la atmósfera y la superficie terrestre. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, considerando la distancia promedio entre la Tierra y el Sol, se llama constante solar, y su valor medio es 1353 W/m2, la cual varía en un 0,2% en un período de 30 años. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar, siendo alrededor de 1000 W/m2, debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera. Esta porción de energía se conoce como radiación directa.
Otra parte de la energía solar que llega a la superficie de la tierra se denomina radiación difusa que es aquella energía solar reflejada por la atmósfera terrestre, en especial por las nubes.
Además, a nivel del suelo se tiene la radiación reflejada que es parte de la energía reflejada por los objetos terrestres. Por ejemplo, la proveniente de una pared blanca, un charco de agua o un lago, etc.
Radiación total es la suma de las radiaciones directa, difusa y reflejada que se reciben sobre una superficie.
De otra parte, en el diseño de calentadores solares, la radiación que interesa es la que llega a la parte superior de la superficie horizontal del colector solar. En este caso, se puede considerar la no existencia de radiación reflejada y por lo tanto, la energía que recibe el colector solar se le denomina como radiación global.
De este modo, la radiación global es la suma de las radiaciones directa y difusa.
3. DISEÑO DEL COLECTOR SOLAR
Tal como se mencionó anteriormente, el diseño del colector solar es un factor importante en la determinación de la eficiencia de los sistemas de calentamiento. En el caso particular de diseño de sistemas de calentamiento de agua, es necesario considerar el régimen de uso del agua caliente producida, el mismo que puede hacerse de dos maneras diferentes: continuo y puntual.
El primero, el uso continuo es aquel en que la demanda de agua caliente está distribuido a lo largo del día. Por ejemplo, el uso de agua caliente en los baños comunitarios. El mismo que se consume mientras se produce.
El segundo, de uso puntual, es el que se realiza de manera cabal, ya sea al comenzar el día o al finalizar el mismo. Por ejemplo, el uso de agua caliente para la higiene personal antes de salir al trabajo. También puede presentarse un caso intermedio en la que exista demanda puntual y continua a lo largo del día para los quehaceres domésticos de la vivienda.
En la práctica resulta que el sistema continuo es el más eficiente y menos costoso que el sistema puntual debido a que no se producen pérdidas de calor como consecuencia del largo almacenamiento en el tanque de agua caliente, lo que se traduce en el uso de depósitos de almacenamiento de menor capacidad.
En el diseño de los sistemas de calentamiento de agua es necesario determinar: a) la radiación solar, y b) la demanda energética. A su vez, estos dos factores permitirán definir el número y tipo de colectores y el volumen y características del aislamiento del depósito de almacenamiento de agua caliente.
4. RADIACIÓN SOLAR
En el diseño del sistema de calentamiento de agua es necesario conocer, en lo posible, los datos horarios de la radiación solar promedio diaria mensual. Esta información puede ser obtenida de los registros de las estaciones meteorológicas o en su defecto, ser obtenidas de mediciones directas de campo en el lugar donde se tiene previsto la instalación de un sistema de calentamiento de agua. En el cuadro Nº 1 se presenta a modo de ejemplo los valores de radiación solar promedio diario anual para diversas localidades del Perú. También es posible obtener tablas con valores de radiación solar promedio diario mensual. A fin de estimar de modo aproximado la radiación solar global, el CEPIS ha desarrollado un solarímetro casero de bajo costo.
Cuadro Nº 1
Radiación solar en el Perú (promedio diario anual)
Lugar Departamento Altitud (m) Rad. Solar (/d) (kWh/m²-día) Zorritos Tumbes 5 4,93 Guayabamba Iquitos 122 4,46 Tablazo Piura 147 5,12 Tarapoto San Martín 356 4,43 Lambayeque Lambayeque 18 5,00 Cajamarca Cajamarca 2750 6,58 Cartavio La Libertad 51 4,86 Huaraz Ancash 3207 5,79 Huánuco Huánuco 1800 5,15 Atacocha Cerro de Pasco 4023 5,45 Fdo. Iberia Madre de Dios 180 4,52 Huancayo Junín 3350 6,78 La Molina Lima 251 4,09 Tunel Cerro Huancavelica 4600 5,87 Kayra Cusco 3219 5,28 Abancay Apurimac 2398 5,21 Ica Ica 398 5,28 Cachapampa Ayacucho 2450 6,62 Puno Puno 3825 6,80 Characato Arequipa 2461 7,09 Moquegua Moquegua 1420 6,14 Calana Tacna 590 5,43
La estimación de la radiación consiste en medir el tiempo en minutos que demanda un incremento determinado de temperatura del agua. Estos datos se ingresan en la "ecuación del solarímetro casero", obteniéndose el valor de la radiación solar global instantánea. A partir de este valor, se determina la cantidad de energía solar diaria disponible mediante la integración de valores hallados cada hora durante el transcurso del día. En la figura 1 se muestra como ejemplo, una curva de radiaciones instantáneas obtenidas en una de las pruebas realizadas durante la evaluación del sistema de calentamiento de agua.
Una vez obtenida la curva de radiaciones instantáneas se procede a calcular el valor de la radiación solar diaria. Para dicho cálculo puede usarse la siguiente fórmula:
Donde:
Hd : Radiación solar diaria (Wh/m2)
Rn:: Radiación solar instantánea (W/m2)
tn: tiempo (horas) para la medición "n"
n: número de medidas de radiación obtenidasEn el diseño de los sistemas de calentamiento de agua por medio de la radiación solar es importante definir los períodos de uso, ya que debido a la variación estacional del clima, los valores de la radiación solar cambian para cada época del año. Estos valores influyen de manera importante en el tamaño del sistema, por lo que debe hacerse un análisis del valor que se utilizará en el diseño del sistema de calentamiento de agua.
Los criterios para la selección del valor de radiación solar, en un período determinado son:
Valor bajo de radiación
Se aplica cuando se desea cubrir durante todo el año la demanda de agua caliente con energía solar. En épocas de alta radiación esto hace ineficiente al sistema por cuanto al incrementarse la radiación se produce un exceso de agua caliente.
Valor alto de radiación
Se diseña con este valor cuando se cuenta con un sistema auxiliar de calentamiento del agua, como electricidad, gas, y en algunos casos leña. Son los sistemas más eficientes, pero su aplicación está limitada por el empleo del sistema auxiliar.
Valor promedio de radiación (Hp)
El diseño con el promedio anual de radiación satisface parcialmente la demanda de agua caliente durante los meses de baja radiación y se tienen pequeños excesos en los meses de alta radiación.
5. DEMANDA ENERGÉTICA
Es la energía necesaria para elevar la temperatura de un volumen determinado de agua, desde un valor inicial (Ti) hasta la temperatura de consumo (Tf).
Donde:
E : Demanda energética (kJ/día)
M : Masa de agua a calentar en un día(kg/día)
Cp : Capacidad calorífica del agua (4,18 kJ/Kg.ºC)
Ti : Temperatura inicial del agua (ºC)
Tf : Temperatura del agua caliente (ºC)
De otra parte, la masa de agua M está dada por la siguiente ecuación:
np : Número de personas a ser atendidas por día
Vp : Volumen de agua caliente per cápita (lt/persona-día)
r H20 : Densidad del agua (1000 kg/m3)
El volumen de agua caliente per cápita Vp que demanda una persona por día está comprendida en el un rango de 20 a 60 litros.
6. COLECTORES
En la determinación del número de colectores del sistema de calentamiento de agua, es necesario conocer el área de captación y la eficiencia global del colector.
6.1 Área de captación
Es el área necesaria para satisfacer la demanda energética, está relacionada con la radiación global y la eficiencia total del sistema de calentamiento del agua.
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Donde:
Hp : Radiación solar promedio (Wh/m2)
hg : Eficiencia global del sistema (%)
6.2 Eficiencia global del sistema de calentamiento
Es la relación entre la cantidad de energía empleada para elevar la temperatura del agua en el depósito de almacenamiento (Qu) y la energía solar que incide sobre la superficie de los colectores (Id).
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6.3 Número de colectores
La cantidad de colectores necesarios para
satisfacer la demanda energética está determinado por la relación:
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Donde:
Nc : Número de colectores
Acap : Área captación (m2)
Ac : Área de un colector (m2)
F.S : Factor de seguridad o de proyección de demanda (F.S. [1- 1.5])
7. VOLUMEN Y AISLAMIENTO DEL DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO DE AGUA CALIENTE
La temperatura a la que se almacena el agua, se la denomina temperatura equivalente (Teq), la cual es influenciada por la temperatura del agua fría. Sin embargo, el incremento neto de temperatura, es decir la temperatura equivalente menos la temperatura del agua fría, es un valor casi constante para cada tipo de sistema, siendo de 30ºC en el sistema puntual y 20ºC en el sistema continuo.
Con el valor de la temperatura equivalente se recalcula la demanda energética, y se obtiene otro valor de la masa de agua, que se denomina masa de agua a almacenar.
En los cálculos se reemplaza el valor la temperatura de consumo por el de la temperatura equivalente y el valor de la masa a calentar por el de masa a almacenar.
El volumen del depósito está determinado por la masa de agua a almacenar y por el tipo de uso, ya sea un sistema de uso puntual o un sistema de uso continuo.
En el sistema de uso puntual, el volumen del depósito de almacenamiento de agua caliente es un 15 % mayor que la masa de agua a almacenar en un día:
Donde:
Vdep : Volumen del depósito de almacenamiento (litros)
M : Masa de agua a almacenar (kg/día)
En el sistema de uso continuo, por el rápido consumo del agua caliente, el volumen del depósito de almacenamiento se establece en un 20 de la masa de agua caliente a ser almacenado. Sin embargo, por detalles constructivos la capacidad del depósito nunca debe ser menor a 80 litros. Si 0,20M < 80 litros entonces:
Vdep = 80 litros de lo contrario, Vdep = 0,20M
La selección del tipo y espesor del aislamiento del depósito de almacenamiento se realiza de acuerdo a los datos mostrados en el cuadro 2.
Cuadro 2
Tipo de aislamiento y espesor recomendado
Espesor Recomendado
(mm )Tipo de aislamiento
Sistema puntual
Sistema continuo
Conductividad térmica (W/m-ºC)
Algodón
50
75
0,059
Asbesto
75
125
0,174
Lana de vidrio
25
50
0,038
Paja
50
100
0,090
8. DESARROLLO DEL CEPIS
El programa de cálculo desarrollado por CEPIS ha permitido el diseño de dos modelos de colectores solares denominados: CS1 y CS2. Ambos modelos son muy similares diferenciándose únicamente en los materiales empleados para la construcción de la placa de absorción. En el modelo CS1 la placa está constituida por 8 tubos de cobre y aletas de hierro galvanizado, mientras que en el modelo CS2 la placa está constituida por 11 tubos de hierro galvanizado y aletas del mismo material. La eficiencia global de estos modelos se presentan en el cuadro 3.
De otra parte por la complejidad de los cálculos para el diseño de los sistemas de calentamiento de agua por energía solar, el CEPIS ha desarrollado una hoja de cálculo que facilita la determi-nación del número de colectores solares, el volumen del tanque de almacenamiento de agua caliente y las cotas de ubicación de cada uno de los elementos que conforma el sistema en sí.Para mayor información puede dirigirse a la Unidad de Apoyo Técnico para el Saneamiento Básico del Área Rural (UNATSABAR) del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS).
Cuadro Nº 3
Eficiencias globales en sistemas puntual y continuo
Modelo CS1
Modelo CS2
Eficiencia global diaria sistema puntual (?gsb)
43%
42%
Eficiencia global diaria sistema continuo (?gsc)
53%
52%
9. BIBLIOGRAFÍA
BAITSELL George. Uso directo de la energía solar". H. Blume ediciones, 1982
BECKMAN William A. Proyecto de sistemas térmico-solares. Editorial Index, 1984
DUFFIE John A. Solar engineering of thermal processes. John Wiley & Sons, 1976
HUNT Daniel V. Diccionario de energía. Publicaciones Marcombo, 1976
MANRIQUE J.A. Energía
solar, fundamentos y aplicaciones fototérmicas. Industria editorial fototérmicas, reg. 723, 1984
RAU Hans. Energía solar. Marcombo ediciones, 1977
VALERA, Aníbal. Energía solar. Lima
