DISEÑO DE UN SST DE AGUA ACS PARA COLEGIO

Introducción.

Es necesario contar con los datos del lugar donde se va a realizar el proyecto,

para su dimensionamiento.

Se determinará la configuración más adecuada y cantidad de colectores

solares y el ahorro energético.

Datos del lugar.

Coordenadas: 30°01′55″ latitud sur.

70°42′29″ longitud oeste.

Altitud: 620 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m.).

Precipitaciones: Año 2008 - 2010 , [mm], Estación Vicuña

Red Meteoróloga CEAZA-Met, www.ceaza.cl

Grafica de precipitaciones mensual.

Velocidad del viento: en temporadas de invierno se presenta un

viento local que va en ráfagas que varían entre:

o Max: 37 km/h

o Min: 27,75 km/h

Humedad relativa:

Grafica de humedad relativa mensual.

Temperatura:

Grafica de temperatura del aire mensual.

Radiación solar:

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

[MJ/m²] 29 26,9 22,6 17,6 12,2 9,5 10,8 14,7 20,5 24 26,9 29,4

[kWh/m²] 8,1 7,5 6,3 4,9 3,4 2,6 3,0 4,1 5,7 6,7 7,5 8,2

Radiación mensual.

Datos de operación

Días por año: aproximadamente 208 días al año sin descontar

vacaciones de invierno y fiestas patrias.

Horas de clase por día: 7,5 horas cronológicas.(diurna)

Descripción general.

El establecimiento educacional cuenta con 600 alumnos, de los cuales 520

realizan la jornada diurna de estudio y 80 realizan estudios nocturnos.

El suministro energético para A.C.S. (agua caliente sanitaria) se realiza por

medio de 6 Calefón alimentados LPG recargas se realizan tres veces

durante el periodo escolar.

El A.C.S. es utilizada en dos camarines cada uno con 6 duchas y para la

cocina del comedor.

Especificaciones técnicas de calefón

Calefont Mademsa

Modelo TERM 1101, Gas Licuado

Capacidad: 11 litros

Encendido manual / encendido piezo eléctrico

. Especificaciones técnicas de estanque de gas licuado.

Súper balón LIPIGAS

Capacidad: 300 litros aprox. (bombona)

Peso: 156 kg

Dimensiones: alto 1,30 metros, ancho 0,60 metros.

Determinación de consumos de ACS.

Según la informacion entregada por el liceo, 110 personas utilizan diariamente

las duchas de camarines. Para efectos practicos se consideraran 120 personas

diarias.

La determinacion del consumo diario de agua por persona es muy variable, por

lo que se pueden utilizar algunos estandares en cuanto al consumo.

Consumos estandares para diferentes aplicaciones

Criterio consumo l/día (45ºC)

Viviendas unifamiliares 40 Por persona

Viviendas multifamiliares 30 Por persona

Hospitales y clínicas 80 Por cama

Hoteles **** 100 Por cama

Hoteles *** 80 Por cama

Hoteles / hostales ** 60 Por cama

Camping 60 Por emplazamiento

Hostales/pensiones* 50 Por cama

Residencias (ancianos, estudiantes, etc.) 80 Por cama

Vestuarios/ duchas colectivas 20 Por servicio

Escuelas 5 Por alumno

Cuarteles 30 Por persona

Fabricas y talleres 20 Por persona

Oficinas 5 Por persona

gimnasios 30 a 45 Por usuario

Lavanderías 5 a 7 Por kilo de ropa

Restaurantes 8 a 15 Por comida

Cafeterías 2 Por almuerzo

El valor entregado para una escuela (5 lt/dia) es insuficiente para suplir las

necesidades.

Es por esto que se considerara el consumo de 20 lt/ dia por persona duchas

colectivas.

El consumo diario

CDT: consumo diario total

Determinación de consumo de gas licuado.

Para determinar los consumos de gas licuado se realiza un balance energético

en base al consumo, las temperatura de la red y el número de días al mes que

se requiere del gas licuado.

Entonces los datos iníciales son los siguientes:

Meses N° de días lt / día T°C uso T°C red

MAR 23 2400 45 20

ABR 21 2400 45 20

MAY 20 2400 45 20

JUN 21 2400 45 20

JUL 21 2400 45 20

AGO 22 2400 45 20

SEP 22 2400 45 20

OCT 20 2400 45 20

NOV 21 2400 45 20

DIC 17 2400 45 20

Datos iníciales para determinar consumo de gas.

Aplicando balance de masa en cuanto al calor cedido y calor absorbido se

puede obtener la cantidad de volumen de gas licuado que se consume

mensualmente en el Liceo.

Donde:

Qabsorbido: Energía calorífica necesaria [kJ/mes], (1[kWh] = 3.600 [kJ])

magua: Cantidad de agua consumida por día [kg/día]

ce: Calor especifico del agua (4,18 [kJ/kgºC])

n: número de días al mes

Tuso: temperatura de uso de agua 45 [ºC]

Tred: temperatura de red de agua [°C]

ρ: Densidad (agua: 1000 [kg/m3]; gas licuado: 2 [kg/m3])

C: Consumo de agua caliente

HHV: Poder calorífico del gas licuado (22.400 [Kcal/m3])

Luego se tiene que:

Nota: 1 KWH= 859.85 Kcal

Meses N° de días Qabs [kcal]

Qabs

[KWH]

Volumen [m³]

Gas Licuado

[kg]

MAR 23 1.378.071 1602,70 61,52 123,04

ABR 21 1.258.239 1463,33 56,17 112,34

MAY 20 1.198.322 1393,65 53,50 106,99

JUN 21 1.258.239 1463,33 56,17 112,34

JUL 21 1.258.239 1463,33 56,17 112,34

AGO 22 1.318.155 1533,01 58,85 117,69

SEP 22 1.318.155 1533,01 58,85 117,69

OCT 20 1.198.322 1393,65 53,50 106,99

NOV 21 1.258.239 1463,33 56,17 112,34

DIC 17 1.018.574 1184,60 45,47 90,94

Promedio 20,8 1.246.255 1.449 56 111

Total 12.462.553 14.494 556 1.113

Consumo de gas

Cálculo de la radiación mensual en un plano inclinado

Para definir la radiación en un plano inclinado primero debemos definir la

posición que va tener el colector solar.

Se recomienda definir la posición de acuerdo a la latitud donde se localiza el

proyecto cuya inclinación debe ser igual a esta, en este caso 30°. La dirección

se determina de acuerdo al hemisferio donde se vaya a instalar el sistema. En

este caso se encuentra ubicado en el hemisferio sur, por lo tanto la dirección es

al norte. Por lo que la inclinación y posición son 30° dirección norte.

Para determinar la radiación mensual en plano inclinado se deben obtener

primero los factores de corrección de pérdidas por ubicación (latitud), sombras

y por desviación. Para este proyecto los factores de sombra y desviación son 1,

ya que no existen perdidas por estos factores, puesto que no hay obstáculos

que produzcan sombra y como su orientación es en sentido norte no se

producen perdidas por desviación.

En el siguiente cuadro se muestran los factores y radiación para superficies

inclinadas.

Tabla de radiación y factores por inclinación, sombra y desviación

Meses Factor k para 30° (fuente

Censol)

Factor por sombra

Factor por desviación

Radiación mensual diaria en

sup. Horizontal [MJ/m²]

Radiación mensual diaria

en sup. Inclinada [MJ/m²]

Enero 0,93 1 1 29,0 26,970

Febrero 1,00 1 1 26,9 26,900

Marzo 1,11 1 1 22,6 25,086

Abril 1,22 1 1 17,6 21,472

Mayo 1,30 1 1 12,2 15,860

Junio 1,29 1 1 9,5 12,255

Julio 1,24 1 1 10,8 13,392

Agosto 1,17 1 1 14,7 17,199

Septiembre 1,09 1 1 20,5 22,345

Octubre 1,00 1 1 24,0 24,000

Noviembre 0,93 1 1 26,9 25,017

Diciembre 0,91 1 1 29,4 26,754

.

Dimensionado y cálculo del sistema térmico solar de ACS,

Para realizar el dimensionado del sistema es necesario conocer los datos de

partida de la instalación, tanto de las condiciones actuales como de la

propuesta a diseñar.

A continuación se presentan los datos de partida:

Consumo de agua caliente

Litros

: 2400 [lt/día]

Temperatura de uso (actual) : 45°C

Temperatura de uso (proyecto) : 45°C

Temperatura red agua fría

Temperatura ambiente

Radiación solar

Cálculo del consumo energía.

Es la cantidad de energía que se necesita para calentar el agua a una

determinada temperatura ( 45 ºC), la cual en este caso es aportada por el

sistema auxiliar.

Para el diseño del se pretende dar cobertura al 100 % de las necesidades, por

lo que la carga de consumo para el sistema a diseñar será la misma enrgía el

sistema auxiliar.

La carga de consumo se determina según lo aplicado en el punto

Meses N° de días

lt / día T°C uso

T°C red

Qabs

[KWH] Ocupación

%

MAR 23 2400 45 20 1602,70 100

ABR 21 2400 45 20 1463,33 100

MAY 20 2400 45 20 1393,65 100

JUN 21 2400 45 20 1463,33 100

JUL 21 2400 45 20 1463,33 100

AGO 22 2400 45 20 1533,01 100

SEP 22 2400 45 20 1533,01 100

OCT 20 2400 45 20 1393,65 100

NOV 21 2400 45 20 1463,33 100

DIC 17 2400 45 20 1184,60 100

Total 14.494

Carga de consumo de gas licuado.

Cálculo superficie de colectores y volumen de acumulación.

El cálculo del área óptima de captadores y volumen de acumulación se realizó

mediante el software gratuito CENSOLAR 4.0, el cual utiliza el método F-Chart.

Diseño de circuito hidráulico.

El diseño del circuito hidráulico de la red agua caliente se realiza a partir de los

planos de la construcción del edificio.

Trazado de tuberías con retorno invertido para garantizar que el caudal

se distribuya uniformemente entre los captadores.

Bomba de circulación en línea, en la zona de retorno del circuito y en

tramo de tubería vertical.

El vaso de expansión de conectará a la aspiración de la bomba.

El circuito incorporará un sistema de llenado manual que permitirá llenar

y mantener presurizado el circuito.

Se montarán válvulas de corte para facilitar la sustitución o reparación

de componentes sin necesidad de realizar el vaciado completo de la

instalación.

Se instalarán válvulas de corte a la entrada de agua fría y salida de agua

caliente del depósito de acumulación solar.

Se instalarán válvulas que permitan el vaciado total o parcial de la

instalación.

En los puntos altos de la salida de baterías de captadores se colocarán

sistemas de purga constituidos por purgador manual o automático.

Los trazados horizontales de tubería tendrán siempre una pendiente

mínima del 1 % en el sentido de la circulación.

Las tuberías y accesorios se aislarán.

Selección de la configuración

La configuración seleccionada correspondería a dos baterías de 7 colectores

cada una, los cuales se conectaran en paralelo y cada batería se conectara

finalmente en paralelo. En el circuito primario se habilitara de tal manera que

tenga retorno invertido, para de esta manera mantener el equilibrio hidráulico.

Configuración de colectores solar.

Selección del fluido de trabajo.

El fluido seleccionado para circular por el circuito va a ser agua

desmineralizada para proteger el circuito primario de las durezas del agua de la

red a fin de evitar las incrustaciones calcáreas, proteger la bomba de

circulación y evitar el atascamiento en válvulas

Como Vicuña presenta temporadas en que la temperatura baja

considerablemente se necesitara usar una solución anticongelante (glicol) en

porcentaje recomendado de máximo 40%

En caso que el sistema primario se deba vaciar, por eso se dejará una

pendiente de 1% en las tuberías de la red en dirección al flujo) y luego se

procederá a llenar nuevamente con agua y solución anticongelante antes

mencionadas.

Determinación diámetro óptimo de las tuberías

Las cañerías que se emplearán en los circuitos primario, secundario y de

consumo serán de cobre.

Para calcular el diámetro de las tuberías se utilizará la siguiente expresión

35,0CJD

Donde:

D: Diámetro en cm

C: Caudal en m3/h

J = 2,2 contante para tuberías metálicas

Para el cálculo del diámetro de tubería primero se debe conocer el caudal que

trabajará la instalación. El fabricante de los paneles recomienda un caudal de

60 l/m2 de superficie captadora por hora.

La configuración de los captadores solares se realizará en 2 baterías en

paralelo, las cuales estará compuesta de 7 colectores solares cada una,

conectados igualmente en paralelo, por lo que el caudal de trabajo sería:

Qt = 60 [ lt / m²hr ] * 15,19 [m²/ batería] * 2 [batería] = 1822,8 [ lt/hr ] = 1,823 [ m³/hr ]

Por lo tanto el diámetro de la tubería será de:

D = 2,2 * 1,823 0,35 = 2,715 [cm] = 27,15 [mm]

Se debe seleccionar las cañerías normalizadas de 1 ¼’’ de cobre tipo K, las

cuales se utilizan frecuentemente en instalaciones de agua fría y caliente,

vapor, riego de jardines y gas licuado en baja y media presión.

Determinación de pérdidas de carga del sistema

Para determinar las pérdidas de carga del sistema se deben determinar

primero las pérdidas parciales de cada componente del circuito primario y

secundario.

Las pérdidas de carga parciales de interés son:

Pérdida de carga en los colectores.

Pérdida de carga en el intercambiador de calor tipo serpentín.

Pérdida de carga en accesorios.

Pérdidas de carga en tuberías.

Pérdida de carga separador de aire.

Pérdida de carga en colectores

Para determinar las pérdidas de carga en los colectores solar es necesario

conocer los siguientes datos:

• Número de captadores que hay por batería: 7

• Número baterías: 2

• Longitud de la base de un captador: 1.055 [m]

• Diámetro de la tubería del captador: 18/20 [mm]

• Pérdida de carga en la longitud del captador: 12 [mm.c.a] (Valor recomendado)

Con estos datos se obtiene:

Velocidad: 0,99 [m/s]

Pérdida de carga unitaria (J): 72,92 [mm.c.a/m]

Pérdida de carga: 550,50 [mm.c.a]

Pérdida de carga en el intercambiador de calor tipo serpentín

Estos datos fueron facilitados por la empresa distribuidores de los productos

ROCA en Chile, ya que estos datos no se encuentran disponibles en catálogos.

Acumulador Pérdida de carga serpentín [mm.c.a]

2.000-1 E 800

Pérdidas por longitud intercambiador de calor.

Pérdida de carga en tuberías y accesorios

Para determinar las pérdidas de carga por tuberías y accesorios se debe

primero realizar el diseño del circuito primario del sistema,

Una vez realizados los planos se deben numerar, los diferentes tramos de

tuberías que componen los diversos caminos en que se divide el circuito

hidráulico, el diámetro y la longitud de las tuberías. De la misma forma se

deben determinar los codos, T, válvulas de retención y de esfera existentes en

cada tramo del circuito.

En este proyecto se determinaron 2 líneas, con los cuales se trabajó y se

obtuvieron los siguientes resultados:

Pérdidas por longitud:

Las fórmulas empleadas en el cálculo de las pérdidas de carga son las

fórmulas de Hazen – Williams que se especifican en el Anexo XII.

Nº Nº

capt

L

[m]

Q

[l/hr]

Dext

[mm]

V

[m/s]

Dint [mm]

J

[mm.c.a/m]

mm.c.a

tramo

mm.c.a acumulado

1 7 24,55 911,4 32 0,36 30 6,06 148,71 148,71

2 7 29,46 911,4 32 0,36 30 6,06 178,45 327,16

Total pérdidas

327,16

.

Pérdidas por accesorios

Nº Nº válvulas retención

Nº Codos Nº T90 Nº

válvulas esfera

Longitud

equivalente

Total tramo

1 2 5 4 9 14,56 88,18

2 2 7 4 9 11,28 68,32

Total pérdidas accesorios

230,63

Pérdidas por longitud de accesorios.

Pérdida de carga en separador o purgador de aire

Para un separador de aire ROCA Flancovent de 1 ¼’’ la pérdida de carga

corresponde a 60 [mm.c.a]. (s/g fabricante)

4.9.10.1. Pérdida de carga total sistema primario

Una vez calculadas las pérdidas de carga parciales se prosigue a determinar

las pérdidas de carga totales realizando la suma de ellas. Entonces se tendrá

que las pérdidas totales en el sistema son:

]..[29,19686063,23016,3278005,550 acmmHt

Dimensionamiento vaso expansión

Para realizar el dimensionamiento del vaso de expansión es necesario tener los

siguientes datos:

Número de captadores y volumen de agua contenida en un captador:

Número de captadores

Volumen

[lts/captador]

Total volumen captadores

[lts]

14 1,3 18,2

Datos colectores en sistema primario.

Volumen de agua en el intercambiador:

Intercambiador Volumen [lts]

Acumulador 2.000 - 1 E 28,5

Datos sistema de almacenado.

Volumen en todas las tuberías del circuito primario:

Largo total de las tuberías [m]

Volumen unitario de agua [lt/m]

Volumen [lts]

30,9 0,707 21,846

Volumen de agua en tuberías.

Presión máxima y mínima de trabajo (absoluta) del circuito en el punto más

alto de la instalación y considerando la distancia vertical desde ese punto al

vaso de expansión:

Presión de trabajo [Kg/cm2]

Presión absoluta [Kg/cm2]

Presión Total [Kg/cm2]

Mínima 2,5 3,503 4,303

Máxima 10 11,003 11,803

Presiones de trabajo del circuito primario.

Con los datos anteriores se prosigue al cálculo del volumen mínimo

necesario de un vaso de expansión (Vt ), de acuerdo a la siguiente fórmula:

Donde:

V: volumen del fluido del circuito primario, suma de volumen de las

tuberías, captadores, e intercambiador.

CpCeVVt

Ce: coeficiente de expansión del fluido. Es una función de la

temperatura de trabajo. Se considera Ce = 0,043.

Cp: coeficiente de presión. En el caso de un vaso de expansión

cerrado con diafragma el cálculo se realiza de la siguiente manera:

minmax

max

PP

PCp

Pmax: presión máxima de funcionamiento en el vaso de expansión (valores

absolutos), considerando la distancia vertical entre el punto más alto de la

instalación y el vaso de expansión.

Pmin: presión mínima de funcionamiento en el vaso de expansión (valores

absolutos), considerando la distancia vertical entre el punto más alto de la

instalación y el vaso de expansión.

Ahora calculando:

Por lo tanto:

][64,4573,1043,0])[846,215,282,18( ltsltsVt

El volumen mínimo recomendado para el vaso de expansión seria de 4,64

litros, por lo tanto según los accesorios que se van a emplear debemos

seleccionar el vaso de expansión de 10 litros de capacidad, el cual tienen la

capacidad más cercana al mínimo recomendado.

Dimensionamiento bomba de circulación

Para realizar el dimensionamiento adecuado de la bomba de circulación se

debe realizar un cálculo aproximado de la potencia teórica de la bomba

mediante la siguiente expresión:

Donde:

P: potencia teórica de la bomba en HP.

Qt: caudal total de circulación en [l/s]

ΔH: pérdidas de carga del circuito primario de la instalación solar [m.c.a] más la

distancia al punto más alto de la instalación, en este caso 8 metros.

η: rendimiento de la bomba, para calculo teórico se considera un rendimiento

del 60%.

Por lo tanto la expresión para este proyecto sería:

][54,82][11068,06,076

]..[96829,9600.3

18,1822

WHP

acms

hr

hr

lts

P

Con estos valores de pérdida de carga, caudal y potencia se puede seleccionar

la bomba más adecuada para el proyecto, en este caso se seleccionó la bomba

ROCA SXM / DXM 32, la cual posee dos velocidades de funcionamiento (ver

Anexo X).

Diseño del sistema de energía auxiliar

Este sistema tiene la función de asegurar el suministro de agua caliente

(Caldera o calefón) mediante entra en funcionamiento cuando la válvula

termostática permite el paso de agua proveniente de los acumuladores, la cual

100/%76

HQtP

se acciona al momento en que la temperatura de los acumuladores se

encuentre inferior a los 45ºC que se necesitan en la red de agua caliente

sanitaria.

Diseño del sistema eléctrico y de control

Este dispositivo electrónico tiene como función comandar la bomba de

circulación del equipo solar (A1 en la figura 3.11.). Posee un sensor de

temperatura en los colectores, uno en cada acumulador y un transmisor de

impulsos para la medición del caudal.

Esquema de instalación de los sensores y relés en el sistema.

Sensores:

F1: sensor de temperatura en colectores solares batería 1.

F2: sensor de temperatura en colectores solares batería 2.

F3: sensor de temperatura en acumulador 1.

Transmisor de impulsos para medición de caudal del circuito.

Configuración elegida: Sistema auxiliar en línea o instantáneo.

Tipo de energía: Calórica

Control de temperatura: Temperatura prefijada de 45ºC

Relés:

A1: Bomba del circuito primario solar

Resumen sistema

Número de colectores 14

Inclinación 30º

Orientación N

Superficie de captación total 30,38[m2]

Caudal 60 [lt / hr m2]

Pérdida de carga - Pérdida de carga en colectores - Pérdida de carga en accesorios - Pérdida de carga en acumuladores

(intercambiadores de calor tipo serpentín)

- Pérdida de carga en tuberías - Pérdida de carga en separador de aire

Pérdida de carga total

550,5 [mm.c.a]

230,63 [mm.c.a] 800 [mm.c.a]

327,16 [mm.c.a] 60 [mm.c.a]

1968,29 [mm.c.a]

Número de bombas 1

Tipo de tuberías Cobre 1¼’’ diámetro nominal tipo L.

Tipo y espesor de aislamiento Termoplástico negro de baja conductividad térmica de 6 [mm] de espesor.

Presión de trabajo mínima – máxima 2,5 -10 [bar]

Volumen fluido circuito primario 68,546 [litros]

Tipo y tamaño del vaso de expansión Vaso de expansión cerrado 10 [lts]

Acumulación Acumulador de 2.000 [lts]

Resumen sistema diseñado.

ANEXO

Método F-Chart- Cálculo del aporte solar mensual

A partir del número de colectores determinados mediante el software

RETScreem se podrá determinar el aporte solar mensual entregado por los

captadores, mediante la utilización del método F-Chart. Este aporte solar

mensual es necesario para saber qué cantidad de energía será necesario

producir mediante el sistema auxiliar.

A continuación se presenta el método F-Chart:

Donde:

1.- D1: relación entre la energía absorbida por el captador plano y la carga

calorífica mensual.

Qa: Carga de consumo mensual en (kJ/mes), Ea: Energía absorbida por el

captador. [J].

Sc: Área total captación [m²]

R1: Radiación solar [kJ/m²]

N: número de días al mes que se utiliza.

Fr'(σ*α): factor adimensional

Fr (τα)n: factor de eficiencia óptica del captador, es decir,

ordenada en el origen de la curva característica del captador.

(τα)/(τα)n: modificador del ángulo de incidencia. En general se

puede tomar como constante: 0’96 (superficie transparente

sencilla) o 0’94 (superficie transparente doble).

Fr’/ Fr: factor de corrección del conjunto captador-intercambiador.

Se recomienda tomar el valor 0’95.

2.- D2: relación entre la pérdida de energía del captador y la carga calorífica

mensual.

Ep: energía perdida por el captador. [J]

Sc: Área total captación [m²]

ta: temperatura ambiente

Δt: periodo de tiempo en segundos

K1: factor de corrección por almacenamiento. Entregado por fabricante.

K2: factor de corrección para A.C.S. entregado por fabricante.

Fr'UL: pendiente de la curva característica del captador (coeficiente global de

Con la carga de consumo mensual y la energía útil mensual generada por el

captador solar se puede definir la cobertura solar anual.