“Diseño y simulación de un sistema solar térmico ... · Centro de Investigación en Materiales...

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. Miguel de Cervantes 120 Complejo Industrial Chihuahua 31109 Chihuahua, Chih. México

(614)439-1100 FAX (614) 439-4884

“Diseño y simulación de un sistema solar térmico combinado (Solar combisystem)”

Tesis

Que como requisito para obtener el grado de:

Maestro en Ciencia y Tecnología Ambiental

Presenta: Mario Nájera Trejo

Director de Tesis:

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez

Chihuahua, Chih. Agosto 2013

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INDICE

I. RESUMEN ..................................................................................................................... 5 II. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 5

II.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 5 II.2. JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................... 5 II.3. ANTECEDENTES ....................................................................................................... 8 II.4. HIPÓTESIS ................................................................................................................ 9 II.5. OBJETIVOS ............................................................................................................... 9

II.5.1. Objetivo General .............................................................................................. 9 II.5.2. Objetivos Específicos ....................................................................................... 9

III. MATERIALES Y MÉTODOS ....................................................................................... 9 III.1. DESARROLLO DEL SIMULADOR ................................................................................. 9

III.1.1. Definición física del proyecto .......................................................................... 9 III.1.1.1. Sistema de captación de energía solar ............................................................................... 10

III.1.1.1.1. Colectores solares ....................................................................................................... 10 III.1.1.1.1.1. Colector solar de placa plana ............................................................................... 10 III.1.1.1.1.2. Colector solar de tubos evacuados ...................................................................... 10

III.1.1.1.2. Tanque de almacenamiento ......................................................................................... 11 III.1.1.1.3. Bomba .......................................................................................................................... 11

III.1.1.1.3.1. Control .................................................................................................................. 11 III.1.1.2. Sistema de calefacción y agua caliente de uso doméstico ................................................. 11

III.1.1.2.1. Vivienda ....................................................................................................................... 11 III.1.1.2.1.1. Distribución ........................................................................................................... 11 III.1.1.2.1.2. Materiales de Construcción .................................................................................. 12 III.1.1.2.1.3. Localización geográfica ........................................................................................ 13

III.1.1.2.2. Calefacción .................................................................................................................. 14 III.1.1.2.3. Agua caliente de uso doméstico .................................................................................. 16

III.1.1.2.3.1. Control .................................................................................................................. 16 III.1.1.2.4. Calentador auxiliar ....................................................................................................... 17

III.1.1.2.4.1. Control (Piso radiante) .......................................................................................... 17 III.1.1.2.4.2. Bomba .................................................................................................................. 18 III.1.1.2.4.3. Válvula Diversora .................................................................................................. 18

III.1.2. Simulación numérica ..................................................................................... 18 III.1.2.1. TRNSYS .............................................................................................................................. 18

III.1.2.1.1. TRNBUILD ................................................................................................................... 19 III.1.2.1.1.1. Capas Activas ....................................................................................................... 19

III.1.2.1.2. Simulation Studio ......................................................................................................... 19 III.1.2.1.2.1. Integración del sistema ......................................................................................... 20

III.1.3. Validación ...................................................................................................... 24 III.1.3.1. Climatología ......................................................................................................................... 24 III.1.3.2. Vivienda ............................................................................................................................... 25

III.1.3.2.1. Comportamiento térmico de la vivienda sin climatización ............................................ 25 III.1.3.3. Comportamiento térmico del Sistema de captación de energía solar ................................. 26 III.1.3.4. Comportamiento térmico del calentador auxiliar ................................................................. 27 III.1.3.5. Comportamiento térmico del sistema de agua caliente de uso doméstico ......................... 28 III.1.3.6. Control de flujos másicos de agua ...................................................................................... 29

III.2. ANÁLISIS PARAMÉTRICO ......................................................................................... 31 III.2.1.1. TRNEdit ............................................................................................................................... 32 III.2.1.2. Análisis del sistema mediante variación paramétrica .......................................................... 32

III.2.1.2.1. Primer variación paramétrica ....................................................................................... 33 III.2.1.2.1.1. Análisis de la primer variación paramétrica .......................................................... 33 III.2.1.2.1.2. Representación gráfica de la primer variación paramétrica ................................. 33

III.2.1.2.2. Segunda variación paramétrica ................................................................................... 34 III.2.1.2.2.1. Análisis de la segunda variación paramétrica ...................................................... 35

III.2.1.2.3. Tercer variación paramétrica ....................................................................................... 35 III.2.1.2.3.1. Análisis de la tercer variación paramétrica ........................................................... 35 III.2.1.2.3.2. Representación Gráfica ........................................................................................ 36

III.2.1.2.4. Cuarta variación paramétrica ....................................................................................... 36 III.2.1.2.4.1. Representación gráfica ......................................................................................... 37

III.3. ANÁLISIS ECONÓMICO ............................................................................................ 39 III.3.1.1. Costos de inversión ............................................................................................................. 39

III.3.1.1.1. Materiales de construcción .......................................................................................... 39 III.3.1.1.2. Colectores solares ....................................................................................................... 40 III.3.1.1.3. Tanque de almacenamiento ......................................................................................... 40

III.3.1.2. Costos de operación ............................................................................................................ 41 III.3.1.2.1. Inflación ........................................................................................................................ 41 III.3.1.2.2. Costo del gas ............................................................................................................... 41 III.3.1.2.3. Aumento del precio del combustible ............................................................................ 41 III.3.1.2.4. Vida útil de los equipos ................................................................................................ 42 III.3.1.2.5. Costos a valor presente ............................................................................................... 42

III.3.2. Costo Total .................................................................................................... 43 IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................. 43

IV.1. INTEGRACIÓN DE LOS RESULTADOS DEL ANÁLISIS ECONÓMICO Y PARAMÉTRICO ...... 43 IV.1.1. Representación gráfica de los resultados ..................................................... 43

IV.1.1.1. Proyecto “Ladrillo-Planos” ................................................................................................... 43 IV.1.1.2. Proyecto “Ladrillo-Tubos” .................................................................................................... 44 IV.1.1.3. Proyecto “Hebel-Planos” ..................................................................................................... 45 IV.1.1.4. Proyecto “Hebel-Tubos” ...................................................................................................... 45

IV.1.2. Tablas de Resultados ................................................................................... 46 IV.1.3. Comparación Gráfica de los diferentes proyectos ........................................ 46

IV.1.3.1. Costo Total por proyecto ..................................................................................................... 46 IV.1.3.2. Costo del Gas por proyecto ................................................................................................ 47 IV.1.3.3. Energía utilizada en Calefacción ......................................................................................... 48 IV.1.3.4. Fracción Solar ..................................................................................................................... 48 IV.1.3.5. Área de colección ................................................................................................................ 49 IV.1.3.6. Capacidad de almacenamiento requerida .......................................................................... 49

IV.1.1. Comportamiento térmico de cada proyecto .................................................. 50 IV.1.1.1.1. Proyecto “Ladrillo-Planos” ........................................................................................... 50 IV.1.1.1.2. Proyecto “Ladrillo-Tubos” ............................................................................................ 51 IV.1.1.1.3. Proyecto “Hebel-Planos” .............................................................................................. 51 IV.1.1.1.4. Proyecto “Hebel-Tubos” ............................................................................................... 52

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................. 52 VI. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 54 VII. REFERENCIAS ........................................................................................................ 54 Lista de Graficas Gráfica 1. Consumo final de energía por sector ................................................................................. 6 Gráfica 2. Consumo de energía para usos finales 2002-2008 ........................................................... 7 Gráfica 3. Consumo de energía en el sector residencial .................................................................... 7 Gráfica 4. Temperatura ambiente en Chihuahua para un año típico. ............................................... 24 Gráfica 5. Valores de radiación solar en Chihuahua para un año típico. ......................................... 25 Gráfica 6. Comportamiento térmico de la vivienda sin calefacción. ................................................. 26 Gráfica 7. Comportamiento en la temperatura de salida del tanque de almacenamiento. ............... 27 Gráfica 8. Comportamiento térmico en la salida del colector ........................................................... 27 Gráfica 9. Incremento de temperatura ocasionado por el calentador auxiliar. ................................. 28 Gráfica 10. Comportamiento térmico en el agua caliente de uso domestico ................................... 28 Gráfica 11. Comportamiento del flujo másico de agua en la salida del colector solar ..................... 29 Gráfica 12. Comportamiento del flujo másico de agua que sale del tanque de almacenamiento .... 30 Gráfica 13. Comportamiento en los flujos másicos del agua caliente de uso domestico. ................ 30 Gráfica 14. Valores de energía acumulados a lo largo del año. ....................................................... 31 Gráfica 15. Energía aportada por el calentador auxiliar. .................................................................. 34

Gráfica 16. Energía útil de los colectores solares. ........................................................................... 34 Gráfica 17. Tendencia en la inclinación de los colectores solares. .................................................. 36 Gráfica 18. Proyecto “Ladrillo-Tubos” ............................................................................................... 37 Gráfica 19. Proyecto “Ladrillo-Planos” .............................................................................................. 38 Gráfica 20. Proyecto “Hebel-Tubos” ................................................................................................. 38 Gráfica 21. Proyecto “Hebel-Planos” ................................................................................................ 39 Gráfica 22. Regresión lineal de los costos del tanque de almacenamiento. .................................... 41 Gráfica 23. Incremento histórico del Gas LP. ................................................................................... 42 Gráfica 24. Costo total para el proyecto “Ladrillo-Planos”. ............................................................... 44 Gráfica 25. Costo total para el proyecto “Ladrillo-Tubos”. ................................................................ 44 Gráfica 26. Costo total para el proyecto “Hebel-Planos”. ................................................................. 45 Gráfica 27. Costo total para el proyecto “Hebel-Tubos”. .................................................................. 45 Gráfica 28. Costos totales por proyecto. .......................................................................................... 47 Gráfica 29. Costo del gas en cada proyecto. .................................................................................... 47 Gráfica 30. Consumo de energía por calefacción. ........................................................................... 48 Gráfica 31. Fracción solar en cada proyecto. ................................................................................... 49 Gráfica 32. Área de colección requerida en cada proyecto. ............................................................. 49 Gráfica 33. Capacidad de almacenamiento requerida. .................................................................... 50 Gráfica 34. Comportamiento térmico del proyecto “Ladrillo-Planos”. ............................................... 50 Gráfica 35. Comportamiento térmico del proyecto “Ladrillo-Tubos”. ................................................ 51 Gráfica 36. Comportamiento térmico del proyecto “Hebel-Planos”. ................................................. 51 Gráfica 37. Comportamiento térmico del proyecto “Hebel-Tubos”. .................................................. 52 Lista de Tablas Tabla 1. Superficies de espacio habitable ........................................................................................ 12 Tabla 2. Propiedades termo físicas de los materiales en la construcción “Hebel y Ladrillo”. ........... 13 Tabla 3. Propiedades termo físicas de las ventanas en la construcción “Hebel y Ladrillo”. ............. 13 Tabla 4. Características físicas y térmicas de la tubería PEX .......................................................... 15 Tabla 6. Módulos (Types) utilizados para la simulación del proyecto en Simulation Studio. ........... 23 Tabla 7. Combinaciones de los diferentes proyectos de simulación. ............................................... 31 Tabla 8. Parámetros propuestos y resultados obtenidos. ................................................................ 32 Tabla 9. Parámetros a variar en el primer análisis ........................................................................... 33 Tabla 10. Filtro de resultados de la primer variación paramétrica. ................................................... 33 Tabla 11. Parámetros a variar en el segundo análisis. ..................................................................... 35 Tabla 12. Filtro de resultados de la segunda variación paramétrica. ............................................... 35 Tabla 13. Parámetros a variar en el tercer análisis. ......................................................................... 35 Tabla 14. Filtro de resultados de la tercer variación paramétrica ..................................................... 36 Tabla 15. Parámetros a variar en el cuarto análisis. ........................................................................ 36 Tabla 16. Costos considerados para la construcción. ...................................................................... 39 Tabla 17. Costos considerados para los colectores solares. ........................................................... 40 Tabla 18. Costos del tanque de almacenamiento. ........................................................................... 40 Tabla 19. Configuración optima para cada proyecto. ....................................................................... 46 Tabla 20. Costos de cada proyecto .................................................................................................. 46 Tabla 21. Comparación entre los diferentes proyectos. ................................................................... 53 Lista de Figuras Figura 1. Diagrama de los principales componentes involucrados en el sistema. ........................... 10 Figura 2. Planos de la vivienda ......................................................................................................... 12 Figura 3. Localización de la vivienda ................................................................................................ 14 Figura 4. Esquema simple del sistema de piso radiante. ................................................................. 15 Figura 5. Distribuidores en la vivienda .............................................................................................. 16 Figura 6. Diagrama del control utilizado para el agua caliente de uso domestico. ........................... 17 Figura 7. Diagrama de flujo para el control de la bomba. ................................................................. 18 Figura 8. Apariencia de la interfaz de TRNBuild. .............................................................................. 19 Figura 9. Hoja de trabajo en Simulation Studio al iniciar el diseño del sistema ............................... 20 Figura 10. Ultima etapa en el diseño del simulador .......................................................................... 21

Figura 11. Interfaz para la interconexión de módulos en Simulation Studio. .................................... 23 Figura 12. Interfaz de TRNEdit. ........................................................................................................ 32

I. Resumen

En este trabajo se presentan los resultados de un modelo de simulación dinámica en TRNSYS, propuesto para asistir de energía solar térmica a un sistema de calefacción por piso radiante y consumo de agua caliente sanitaria para una vivienda que está situada en la ciudad de Chihuahua. El sistema es analizado bajo las condiciones climatológicas de un año típico y es sometido a la variación del tipo, número e inclinación de los colectores solares, capacidad del tanque de almacenamiento y construcción de la vivienda. Para la construcción se utilizan dos modelos, donde uno utiliza Hebel como material térmico para la construcción de los muros, ventanas de doble vidrio y poliuretano como aislamiento en el techo, a diferencia del otro modelo que utiliza Ladrillo común para la construcción de los muros, ventanas sencillas y sin aislamiento.

Bajo el análisis de la variación paramétrica, se obtuvieron valores del consumo energético por el calentador auxiliar utilizado en el sistema. Estos valores fueron procesados en conjunto con los costos de construcción, los colectores solares y el tanque de almacenamiento para obtener la configuración del número de colectores y capacidad del tanque de almacenamiento óptimo en cada configuración propuesta.

II. Introducción

II.1. Planteamiento del problema

Debido a que en la región norte de México las condiciones climáticas en invierno llegan a ser severas, contar con una vivienda que proporcione niveles de confort térmico adecuados, sin incurrir en gastos de calefacción excesivos, es de primera importancia para cualquier familia. La pérdida de calor en una vivienda, originada por las bajas temperaturas ambientales reinantes durante la temporada invernal, esta ligada a la conductividad térmica del material utilizado en la construcción y la cantidad de aislamiento utilizado. Para comenzar las pérdidas de calor en una vivienda, es común utilizar sistemas de calefacción a gas y ocasionalmente eléctricos. Adicionalmente a los sistemas de calefacción, se utilizan sistemas de calentamiento de agua de uso doméstico que en la mayoría de los casos operan a lo largo de todo el año. El uso de los dos sistemas mencionados origina grandes consumos de energía a nivel residencial. Por tal motivo es muy deseable el contar con un sistema que pueda asistir a una vivienda de calefacción y agua caliente de uso doméstico al menor costo. Para diseñar un sistema funcional y rentable es necesario recurrir a técnicas de calculo basadas en simulación dinámica por computadora.

II.2. Justificación

Hoy en día los edificios son los más grandes consumidores de energía dado que entre el 30 y 40% de la energía a nivel mundial es consumida por iluminación, ventilación,

calefacción/refrigeración y calentamiento de agua. Gran parte de este porcentaje se da a nivel Residencial.

En el 2006, el sector residencial en México contribuyó con 20,187 millones de toneladas de CO2, lo que equivale al 5.3% de las emisiones de la categoría de energía, por lo que constituye una ventana de oportunidad en cuanto a mitigación de gases de efecto invernadero (INE & SEMARNAT, 2009).

En base a datos obtenidos de la Secretaria de Energía (SENER, 2011) se reporta que el sector residencial consume aproximadamente el 16% del total de la energía, tal como se muestra en la Gráfica 1.

Gráfica 1. Consumo final de energía por sector

De la energía utilizada en el sector residencial, se reporta que el 47% corresponde a calentamiento de agua de uso doméstico, mientras que el 1.2% corresponde a calefacción (Fernandez, 2011) Sin embargo para la parte Norte del país, el porcentaje que corresponde a calefacción es con seguridad más alto. No obstante en base a estos datos, el porcentaje de consumo de energía por calefacción y calentamiento de agua de uso doméstico corresponde casi al 50% como se muestra en el Gráfica 2.

Gráfica 2. Consumo de energía para usos finales 2002-2008

La degradación medioambiental provocada por el uso prolongado e intensivo de los combustibles fósiles, las grandes implicaciones geopolíticas que representan su control y producción, así como la dependencia excesiva de la economía mundial en los mismos ha hecho que se mire con nuevos ojos el uso de las energías renovables, especialmente la energía solar. Sin embargo, actualmente del total de la energía utilizada en el sector residencial solo un 0.4% (SENER, 2011) corresponde a energía solar. En la Gráfica 3 se muestra los diferentes tipos de energético utilizados a nivel residencial.

Gráfica 3. Consumo de energía en el sector residencial

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Consumo de energía por usos finales, 2002-2008

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La región norte de México posee un envidiable nivel de radiación solar, cuyo aprovechamiento en aplicaciones térmicas solares seria altamente redituable para el país. Tanto es así que países como Alemania en donde la localización geográfica y climatología no los favorecen, reportan un porcentaje mucho más elevado en la utilización de sistemas solares térmicos para calefacción y agua caliente de uso doméstico.

Ampliar el uso de las energías renovables en el país requiere de investigación en tecnologías aplicadas a los nichos de oportunidad como lo es el sector residencial. La implementación de sistemas solares térmicos combinados traería consigo la reducción de los gases de efecto invernadero y la creación de empleos con el desarrollo de empresas de servicio alrededor de dicho sector que impulsaría la economía de la región norte mejorando la calidad de vida de sus habitantes.

II.3. Antecedentes

El concepto de calefacción por piso radiante no es nuevo, sin embargo es ampliamente estudiado, ganando cada vez más aceptación en regiones como Europa y Estados Unidos por su gran número de ventajas por sobre los sistemas convencionales de calefacción. Existe una gran cantidad de factores que afectan (o influyen) el análisis técnico y económico para el uso de sistemas térmicos solares en calefacción por piso radiante y uso de agua caliente domestica para cada lugar específico.

(Maleh & Tine, 2011) estudiaron un sistema solar con piso radiante que fue instalado en el laboratorio de energía renovable de la universidad de Damasco. El sistema fue simulado usando TRNSYS y comparado con los resultados experimentales los cuales fueron muy cercanos entre sí, comprobando con esto la validez del estudio. Además la tasa de retorno calculada para el sistema térmico solar fue de 2.1 años.

(Leckner & Zmeureanu, 2011) simula una casa energéticamente eficiente que emplea sistemas solares combinados para calefacción y agua caliente de uso doméstico. En este estudio se analiza un caso base de una casa que cumple con el promedio de consumo energético. Esta casa utiliza calentadores eléctricos los cuales se considera intercambiar por un sistema de piso radiante asistido con colectores solares. El análisis a 40 años demuestra que debido al bajo costo de la electricidad y el alto costo de los sistemas de colección solar, aunado con el escaso recurso solar en la ciudad de Montreal, Canadá, resulta en que la inversión en un sistema solar combinado de calefacción y agua caliente de uso doméstico no es conveniente para esas condiciones.

(Wallin, Bastien, & Claesson, 2012) investigaron el comportamiento térmico solar de sistemas sujetos a varios niveles de carga térmica para calefacción y agua caliente de uso doméstico utilizando cuatro tipos diferentes de construcción en dos diferentes localidades, en Suecia y Canadá. En este estudio se utilizó TRNSYS para modelar y simular viviendas con demandas de energía diferentes. Los resultados obtenidos indican que estos sistemas generan más energía útil y por tanto son económicamente más efectivos cuando se instalan en localidades con buena disponibilidad solar y en construcciones con demandas más altas de energía.

(Ampatzi & Knight, 2012) investigaron sobre la importancia y complejidad de las demandas estacionales de energía en viviendas con tecnología solar activa. En este trabajo se utilizó TRNSYS para estudiar la influencia del clima, confort térmico, ganancias internas de energía y almacenamiento térmico cuando se utilizan sistemas solares combinados para calefacción y agua caliente de uso doméstico. Se concluye que el

potencial de contribución solar y la necesidad de almacenamiento térmico, son altamente influenciados por esas variables del sistema y que esto es más notorio en construcciones con mayor aislamiento térmico.

II.4. Hipótesis

Es técnica y económicamente factible reducir el costo anual incurrido por los conceptos de calefacción por piso radiante y calentamiento de agua de uso domestico, en viviendas unifamiliares situadas en la ciudad de Chihuahua, Chih., mediante la utilización de energía solar térmica con un sistema de respaldo alimentado con Gas LP.

II.5. Objetivos

II.5.1. Objetivo General

Determinar el diseño óptimo de un sistema térmico solar/gas utilizado para la calefacción y el agua caliente de uso domestico de una vivienda unifamiliar que esta situada en Chihuahua, Chih., utilizando el programa de simulación dinámica TRNSYS.

II.5.2. Objetivos Específicos

Modelar una vivienda que emplea calefacción por piso radiante utilizando energía solar como suministro térmico y gas como respaldo energético del sistema en:

– Construcción con Hebel, ventanas doble vidrio y techo con aislamiento.

– Construcción con Ladrillo, ventanas simples y techo sin aislamiento.

Analizar el impacto económico tanto de inversión como de operación para el numero y tipo de colectores, así como almacenamiento térmico considerando la vida útil de los equipos.

III. Materiales y Métodos

III.1. Desarrollo del simulador

III.1.1. Definición física del proyecto

Se diseño un sistema térmico solar para abastecer a una vivienda con agua caliente para el uso doméstico de sus habitantes y para uso de calefacción por piso radiante. El sistema cuenta con un conjunto de colectores solares cuya energía captada, es almacenada en un tanque de almacenamiento. La caldera auxiliar esta conectada al tanque y es utilizada como sistema de apoyo en caso de que se requiera incrementar la temperatura del flujo másico de agua en demanda. Este flujo másico cumple la demanda de uso doméstico, así como el del piso radiante de la vivienda. El flujo másico de agua utilizada para la calefacción, retorna al tanque de almacenamiento después de recorrer los serpentines del piso radiante. El diseño del sistema también considera la reposición del agua caliente de uso doméstico con agua fría de la red, la cual varía su temperatura a lo largo del año.

Para fines prácticos el sistema se divide en dos partes principales. Sistema de captación de energía solar y Sistema de calefacción y agua caliente de uso domestico.

Figura 1. Diagrama de los principales componentes involucrados en el sistema.

III.1.1.1. Sistema de captación de energía solar

III.1.1.1.1. Colectores solares

Son dispositivos que tienen como finalidad captar la energía radiada por el sol para convertirla en energía térmica. Existen varios tipos de colectores, sin embargo en este trabajo se analiza el efecto térmico de los colectores solares de placa plana así como colectores solares de tubos evacuados.

III.1.1.1.1.1. Colector solar de placa plana

El colector solar de placa plana (CSPP) es el equipo mas utilizado para la transformación de la radiación solar en energía térmica. En este colector, la radiación solar incide sobre la placa o cubierta, una fracción de esta radiación es reflejada en todas direcciones y se pierde a los alrededores, otra fracción es absorbida al interior de la cubierta, lo que lleva a un aumento de temperatura. Sin embargo la mayor parte de la radiación es transmitida a la placa de absorción. De esta forma la placa de absorción se calienta y transmite energía térmica por conducción a los canales de paso que a su vez transmiten el calor al fluido de trabajo (Kalogirou, 2009).

III.1.1.1.1.2. Colector solar de tubos evacuados

Estos colectores transfieren el calor con alta eficiencia mediante un cambio de fase liquido-vapor que ocurre en un tubo de calor (Heat pipe). Este tubo de cobre esta contenido dentro de dos tubos de cristal concéntricos y tiene adherida una aleta de alta absortividad que se encarga de captar la radiación solar. Esta radiación es transformada en calor y conducida al fluido contenido en el tubo de calor, en donde se lleva a cabo un ciclo de evaporación-condensación. En este ciclo, el calor solar hace evaporar al liquido y este viaja como vapor a la región sumidero, en donde se condensa y libera su calor latente. En este caso la región sumidero es un cabezal que hace la función de intercambiador de calor, por el cual circula el fluido de trabajo del colector (Kalogirou, 2009).

III.1.1.1.2. Tanque de almacenamiento

El uso de un tanque de almacenamiento térmico es usualmente requerido en los sistemas térmicos solares para los periodos de tiempo cuando el recurso solar no esta disponible y existe una demanda de energía. El tanque utilizado en el análisis es cilíndrico-vertical con tres niveles de estratificación térmica para lo cual se considera una altura máxima de 2.1 m. Este tanque no se encuentra presurizado y se considera lleno de agua. El agua es utilizada como medio de almacenamiento, debido a que tiene un calor especifico alto, bajo costo y no es toxico a diferencia de otras sustancias.

III.1.1.1.3. Bomba

La bomba es utilizada para mover un flujo másico de agua constante de 0.02 kg/(s m2). Este flujo proviene del tanque de almacenamiento y se hace circular por el colector solar. Después, el flujo es llevado de vuelta al tanque de almacenamiento con un aumento en su temperatura.

III.1.1.1.3.1. Control

El encendido y apagado de la bomba depende de un control de temperaturas. Este control mide la temperatura en la salida del tanque de almacenamiento y lo compara con la temperatura en la salida del colector. Al ser mayor la temperatura del fluido en la salida del colector entonces la bomba enciende, siempre y cuando el tanque no tenga una temperatura mayor a 98°C para evitar ebullición.

III.1.1.2. Sistema de calefacción y agua caliente de uso doméstico

III.1.1.2.1. Vivienda

Aun cuando la vivienda no es la parte central del proyecto, tiene un papel fundamental para el desarrollo del simulador, ya que la información detallada de la construcción ayuda a formular un sistema más preciso que a su vez lleve a la obtención de resultados más exactos y reales.

Se realizo el análisis basado en una vivienda de nivel económico medio-alto cuya información técnica y económica fue provista a cambio de los resultados de este estudio.

III.1.1.2.1.1. Distribución

La vivienda que se analiza tiene una disponibilidad de terreno de 273.6 m2. Esta vivienda consta de dos plantas. El espacio considerado como habitable de la planta baja cuenta con un área superficial de 83.31 m2 en donde se encuentra el vestíbulo, sala, comedor, cocina y un baño. Por otra parte, el espacio habitable considerado para la planta alta cuenta con un área superficial de 120 m2 en la cual se encuentra la estancia, lavandería, 3 recamaras, 2 baños y un vestidor, tal como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Planos de la vivienda

La Tabla 1 contiene la información de las áreas superficiales que delimitan el espacio de la planta baja y la planta alta.

Planta Baja Área (m2)

Planta Alta Área (m2)

Paredes Norte Paredes Oeste Paredes Sur Paredes Este Piso Techo Ventanas Norte Ventanas Sur Ventanas Este

23.38 30.63 23.13 31.63 83.31 83.31 7.18 5.85 11.28

Paredes Norte Paredes Oeste Paredes Sur Paredes Este Techo Piso Ventanas Norte Ventanas Oeste Ventanas Sur Ventanas Este

36.50 39.63 32.00 37.88 120.00 120.00 16.08 4.80 3.30 11.28

Tabla 1. Superficies de espacio habitable

III.1.1.2.1.2. Materiales de Construcción

Se analizaron 2 diferentes tipos de construcción de la vivienda que para fines prácticos en este estudio se distinguen con el nombre de “Hebel” y “Ladrillo”. La construcción “Hebel” representa una vivienda con un buen nivel de resistencia térmica ya que se constituye principalmente del material térmico llamado Hebel, que es un concreto celular ultra ligero en cuya composición existen miles de celdas de aire esféricas, homogéneas e independientes, que proporcionan ventajas como el aislamiento térmico. Además se consideró utilizar ventanas de doble vidrio, así como un aislamiento térmico en el techo de la segunda planta. Por otra parte la construcción “Ladrillo” representa una vivienda con un

bajo nivel de resistencia térmica, ya que se compone principalmente de Ladrillo común en los muros, ventanas sencillas, además de un techo sin aislamiento térmico.

Los materiales y sus propiedades termo-físicas utilizadas en el análisis se definen en la Tabla 2 y Tabla 3.

Capas "Hebel" "Ladrillo" Espesor (m)

Conductividad (kJ/h m K)

Capacidad (kJ/kg K)

Densidad (kg/m3)

Mur

os

Yeso interior ✔ ✔ 0.015 5 1 2000 Hebel ✔ 0.15 0.468 1.36 500 Ladrillo ✔ 0.14 3.2 1 1800 Yeso exterior ✔ ✔ 0.015 5 1 2000

Pis

os

Piso ✔ ✔ 0.005 0.252 1 800 Concreto C1 ✔ ✔ 0.12 7.56 0.8 2400 PEX ✔ ✔ - 1.368 2.3 951 Concreto C2 ✔ ✔ 0.12 7.56 0.8 2400 Aislamiento ✔ ✔ 0.3 0.1224 1.4 55

Tech

o Poliuretano ✔ 0.051 0.13 1.47 40 Concreto ✔ ✔ 0.24 7.56 0.8 2400 Yeso ✔ ✔ 0.015 5 1 2000

Tabla 2. Propiedades termo físicas de los materiales en la construcción “Hebel y Ladrillo”.

Capa Construcción Valor-U (W/m2 K)

Valor-G (%/100)

Área del Marco (%/100)

Valor U del Marco (kJ/h m2 K)

Absortancia del Marco

Ven

tana

s Vidrio Doble

"Hebel" 1.4 0.589 0.2 8.17 0.65

Vidrio Sencillo

"Ladrillo" 5.68 0.855 0.15 8.17 0.65

Tabla 3. Propiedades termo físicas de las ventanas en la construcción “Hebel y Ladrillo”.

III.1.1.2.1.3. Localización geográfica

La vivienda se encuentra localizada en la ciudad de Chihuahua, Chihuahua, México. Esta localización presenta una combinación de factores geográficos, como su topografía, altitud y latitud que provocan condiciones climáticas severas en el invierno con temperaturas que van desde los -17°C por la noche, hasta los 20°C durante el día. Estas condiciones se deben en gran parte a la altitud sobre el nivel del mar y a la baja humedad del aire. La humedad tiende a atrapar la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre, por lo tanto en ausencia de humedad esta radiación tiende a perderse hacia la atmósfera, enfriándose tanto la superficie como el aire del medio circundante (Martín, 2004).

En la Figura 3 se observa la localización de la vivienda dentro de el residencial “Bosques del Valle II” (latitud 28.65°, longitud -106.15°). En la orientación de la vivienda se considero una rotación de 32° del Norte hacia el Este para el análisis.

Figura 3. Localización de la vivienda

III.1.1.2.2. Calefacción

Hoy en día las viviendas comúnmente utilizan sistemas de acondicionamiento térmico que usan principalmente la convección para entregar energía calorífica a un espacio. Este tipo de equipos se encarga de calentar el volumen de aire, el cual circula en las superficies así como alrededor de sus ocupantes. Entonces un sistema de aire forzado reduce la perdida de calor por convección del cuerpo, elevando la temperatura del medio circundante. Sin embargo aunque el aire se sienta caliente, algunas de las superficies pueden permanecer frías, provocando en el cuerpo pérdida de calor por radiación.

Por otra parte, un sistema radiante transfiere calor por ondas electromagnéticas, las cuales se absorben en las superficies y no por el aire. Cuando las superficies reciben esta energía calorífica, entonces la transfieren al aire circundante por convección natural, lo cual reduce la cantidad de pérdida de energía por radiación de los ocupantes. Aunque el aire puede estar ligeramente más frio que en un espacio calentado por un sistema de aire forzado, el ocupante se siente mucho más confortable debido a la energía radiante que proviene en este caso de todas las superficies en el volumen (Watson e Chapman, 1999).

Estos sistemas traen consigo numerosos beneficios como el confort térmico, nivel de ruido imperceptible, bajo consumo de energía, pocas pérdidas de energía, no ocupa espacio visible, estratificación, además que pueden ser acoplados con sistemas térmicos como calderas o incluso sistemas de colección solar.

La vivienda analizada cuenta con un sistema de calefacción por piso radiante, el cual consiste en un conjunto de redes de tuberías que transportan un fluido térmico bajo la superficie de una zona. El fluido térmico en este caso agua, transmite calor a las paredes de las tuberías que a su vez lo conducen a la superficie del piso y lo llevan hacia la zona térmica por medio de radiación, conducción y convección.

Figura 4. Esquema simple del sistema de piso radiante.

El sistema esta constituido por tubería PEX (Polietileno reticulado) que posee resistencia a condiciones de alta temperatura, impactos, presión y flexibilidad. Las características utilizadas para el análisis se presentan el la Tabla 4. Características físicas y térmicas de la tubería PEX (Gao, et al., 2011).

Tubería Espaciamiento entre tuberías (m)

Diámetro exterior de la tubería (m)

Espesor de la pared de la tubería (m)

Conductividad térmica de la pared de la tubería (kJ/h m K)

PEX 0.4 0.025 0.0023 1.368

Tabla 4. Características físicas y térmicas de la tubería PEX

En la vivienda, el piso radiante está considerado bajo la superficie de 83.31m2 que corresponde a la planta baja, mientras que en la planta alta se considera bajo la superficie de 120m2.

Para la distribución de las redes de tuberías, se consideran dos distribuidores. Para la planta baja se considera un distribuidor de 8 salidas, así como para la planta alta se considera un distribuidor de 11 salidas.

Fuente de Calor

Bombas y control

Red de Tuberias

Zona Termica

Figura 5. Distribuidores en la vivienda

III.1.1.2.3. Agua caliente de uso doméstico

Según la Junta municipal de agua y saneamiento, la cantidad promedio de consumo de agua que se obtiene en las localidades urbanas del Estado de Chihuahua es de 310 L/habitante día, en donde el 31% corresponde al concepto de aseo personal (Baño diario). Por tanto se considera que se consumen 96.1 L de agua caliente diariamente por cada habitante. Sin embargo en el análisis de la vivienda se consideran 4 habitantes, dando como consumo total de agua caliente 384.4 L/día. Se considera que este consumo se da diariamente durante todo el año en un horario de las 6:00 a las 8:00 horas.

III.1.1.2.3.1. Control

En la vivienda se requiere tener un suministro de agua caliente para uso domestico a una temperatura no mayor a 45°C (Paula & Siegel). Sin embargo en el sistema propuesto se almacena agua a una temperatura muy superior al valor requerido. Por ello se requiere de la utilización de un sistema de mezclado con agua fría de la red para regular la temperatura del suministro con el fin de realizar un análisis térmico mas adecuado. La temperatura del agua de la red se define mediante una función sinusoidal. En esta función se considera la temperatura al inicio y final del año como 16°C, teniendo a la mitad del año una máxima temperatura de 23°C.

El control mide la temperatura que tiene la salida de la válvula mezcladora y corrige la señal de control de la válvula diversora con el fin de regular el mezclado de agua fría de la red, con el agua caliente que proviene del calentador auxiliar para así obtener 45°C constantes. En la figura mostrada se pueden observar las dos válvulas utilizadas para atemperar el flujo másico de agua caliente de uso domestico.

III.1.1.2.4. Calentador auxiliar

En el sistema propuesto es necesario contar con un equipo de respaldo el cual tenga la capacidad de elevar la temperatura del flujo másico del fluido en caso de ser necesario. El calentador auxiliar se comporta como un calentador de paso que es provisto de un flujo másico de agua que viene del tanque de almacenamiento. Dentro de este calentador el fluido recorre un serpentín que es calentado por una flama producida por la combustión de Gas LP. De esta manera se da un intercambio de calor entre el serpentín y el fluido, provocándole un aumento en su temperatura.

III.1.1.2.4.1. Control (Piso radiante)

El control de la temperatura ambiente de las zonas térmicas se da por medio del encendido y apagado de la bomba, además de la modulación de los flujos másicos de agua caliente en la válvula diversora, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Diagrama del control utilizado para el agua caliente de uso domestico.

Válvula diversora

Válvula Mezcladora

Calentador Tanque

Agua de la red

Agua caliente de uso domestico

Control

Calentador

Tanque

Control

Bomba

Válvula

Válvula

Piso radiante

III.1.1.2.4.2. Bomba

La bomba utilizada en el circuito del piso radiante mueve una cantidad fija de flujo másico. Dicha bomba es encendida o apagada en relación a las temperaturas existentes en las zonas térmicas de la vivienda. La temperatura ambiente mínima en las zonas térmicas debe ser menor de 21°C (Gao, et al., 2011) para el encendido de la bomba, sin embargo se considero que la bomba debe permanecer apagada de las 8:00 a las 15:00 h, como se muestra en el diagrama de flujo de la Figura 7.

Figura 7. Diagrama de flujo para el control de la bomba.

III.1.1.2.4.3. Válvula Diversora

La válvula es controlada a través de una señal de entrada que hace mandar mayor cantidad de flujo másico de agua caliente a la planta baja o a la planta alta en base a la diferencia de temperaturas ambiente entre las dos zonas térmicas.

III.1.2. Simulación numérica

La variabilidad natural de los parámetros que influyen en el comportamiento del sistema asistido con energía solar, tales como son la temperatura ambiente y la irradiación solar disponible, hacen necesaria la utilización de herramientas de cómputo especializadas para simular el comportamiento térmico de los sistemas sobre periodos extendidos de tiempo. La simulación numérica es una herramienta que permite predecir el comportamiento de estos fenómenos físicos que se presentan comúnmente en el área de ingeniería, sin necesidad de recurrir a la experimentación.

III.1.2.1. TRNSYS

La simulación se llevo a cabo mediante TRNSYS 16, el cual es un paquete de cómputo utilizado en la simulación dinámica de sistemas principalmente térmicos y que tiene como finalidad la obtención de datos que ayuden a optimizar la eficiencia tanto térmica como económica de diferentes sistemas. TRNSYS no es una tecnología nueva ya que fue desarrollada en los 70´s por el Laboratorio de Energía Solar en la Universidad de

Wisconsin, en Madison, Wisconsin, Estados Unidos y se utiliza comercialmente desde 1975, sin embargo día con día se desarrollan nuevos componentes que le son incorporados con el fin de extender sus alcances.

III.1.2.1.1. TRNBUILD

Se integro el modelo de la vivienda mediante TRNBuild que es una interfaz contenida en TRNSYS y que sirve para crear una descripción detallada de todas las características termo-físicas de la edificación que se va a analizar.

De esta forma se integro la información de las zonas térmicas como los materiales de construcción de los muros y ventanas, así como sus propiedades termo-físicas, áreas, orientaciones y colindancias con el exterior o con otras zonas. El archivo de este modelo se duplico para realizar la variación en el tipo de construcción de “Hebel” y “Ladrillo”.

Figura 8. Apariencia de la interfaz de TRNBuild.

III.1.2.1.1.1. Capas Activas

Para simular una calefacción por piso radiante, es necesario agregar una capa activa en la definición del piso, pared o techo en TRNBuild. La capa es llamada activa, ya que contiene tuberías llenas de fluido que agrega o remueve calor a la superficie. Se define una capa activa para el piso de la planta baja y dos más para el piso de la planta alta. Esta diferencia es debida a que el área superficial del piso de la planta alta es mayor que en la planta baja.

III.1.2.1.2. Simulation Studio

Simulation Studio es un paquete adjunto a TRNSYS que contiene módulos con interfaces gráficas las cuales pueden ser utilizadas para el diseño de un proyecto, así como su simulación dinámica. Los módulos, mejor conocidos en TRNSYS como Types, son el resultado de la integración matemática de un dispositivo o maquina al lenguaje de

programación Fortran. Con esto se han incorporado modelos matemáticos a una biblioteca contenida en Simulation Studio de dispositivos tales como bombas, válvulas, colectores solares, tanques, entre muchos otros.

III.1.2.1.2.1. Integración del sistema

En simulation studio se utiliza un tablero de trabajo para el diseño del sistema térmico en donde se visualizan los componentes involucrados. Cada uno de estos componentes es estudiado y configurado con la información técnica adecuada para su correcta integración en el sistema.

El diseño del sistema inició utilizando un proyecto de construcción multi-zona, el cual se utiliza para simular sistemas en los que se involucra una construcción con varias zonas térmicas. En la Figura 9 se observa la primera etapa del proyecto, en donde se agregan al tablero de trabajo los módulos básicos para la simulación del comportamiento térmico de una construcción.

Figura 9. Hoja de trabajo en Simulation Studio al iniciar el diseño del sistema

Como se puede observar en la Figura 10, se requirió de la integración de un gran numero de módulos al final del desarrollo del proyecto de simulación para el sistema de captación de energía solar, así como calefacción por piso radiante y agua caliente de uso domestico de la vivienda analizada.

Figura 10. Ultima etapa en el diseño del simulador

Los “Types” presentados en la Tabla 5 fueron estudiados, configurados e integrados a la hoja de trabajo para la simulación del sistema propuesto.

Type Nombre Icono Descripción

Type 71 Evacuated Tube Solar Colector

Este componente modela el comportamiento térmico de un colector solar de tubos evacuados de la marca Apricus, Modelo AP-30.

Type 1b Quadratic Efficiency Collector

Modela el comportamiento térmico de un colector solar de placa plana de la marca KIOTO, Modelo FP 7.25.0 H.

Type 4c Variable Inlets – Uniform Losses

Modela el comportamiento térmico de un tanque de almacenamiento lleno de fluido y que está sujeto a estratificación térmica.

Type 2b Differential Controller w_Hysteresis

Este componente genera una función de control que tiene un valor de 0 o 1 en base una diferencia de temperaturas.

Type 3b Single Speed Pump

Modela el comportamiento de una bomba que maneja un flujo másico en base a la señal de control que esta entre 0 y 1.

Type 6 Auxiliary Heaters

Este componente modela el comportamiento térmico de un calentador que agrega calor al flujo másico de un fluido. Su capacidad esta basado en el calentador de paso marca American Water Heaters, modelo GT-520-PIH.

Type 11f Flow Diverter

Modela el comportamiento de una válvula que divide el flujo másico de un líquido en dos partes según se le especifique.

Type 11h Tee-Piece

Modela el comportamiento de una válvula en T con dos entradas de líquido que se mezclan en un solo flujo másico.

Type 14b Water Draw

Modela el comportamiento de una función forzada para un patrón repetitivo de consumo de flujo másico de un fluido.

Type 22 Iterative Feedback Controller

Este componente calcula una señal (u) requerida para mantener controlada una variable (y) bajo un valor establecido (yset)

Type 56 Multi-Zone Building

Este componente modela el comportamiento térmico de una construcción utilizando los archivos creados por TRNBuild.

Type 109 Weather Data Reading and Processing

Este componente lee la información climatología de una base de datos, además de procesar la radiación solar para la ciudad de Chihuahua.

Type 33e Thermodynamic Properties-Psychrometrics

Este componente se utiliza como una tabla psicrométrica para la información climatológica provista en un instante.

Type 69a Sky Temperature

Este componente determina la temperatura efectiva del cielo que es usada para calcular el intercambio de radiación entre las superficies y la atmósfera.

Type 14h General Forcing Function

Este componente es utilizado para programar funciones que dependan de un patrón que se repite en el tiempo.

Type 93 Input Value Recall

Este componente almacena valores determinados dados en instantes de tiempo anteriores.

Type 24 Quantity Integrator

Este componente integra series de cantidades a lo largo de periodo de tiempo.

Type 65d Online Plotter Without File

Este componente es utilizado para mostrar variables del sistema definidas, mientras que la simulación es procesada.

- Equations

En este componente es posible programar ecuaciones que pueden estar en función de las salidas de otros componentes, valores numéricos o otras ecuaciones previamente definidas. Los resultados de las ecuaciones también pueden ser los valores de entrada en otros componentes, usados como parámetros o como valores iniciales.

Type 25c Printer – No Units

Este componente es utilizado para reportar las variables del sistema que son requeridas para un intervalo de tiempo definido.

Tabla 5. Módulos (Types) utilizados para la simulación del proyecto en Simulation Studio.

En la Figura 11 se muestra un ejemplo de la interfaz que utiliza el Simulation Studio para la interconexión de los parámetros en los módulos. En la columna izquierda están las variables de salida de un modulo y en la derecha se observan las variables de entrada del modulo con el que se va a interconectar.

Figura 11. Interfaz para la interconexión de módulos en Simulation Studio.

III.1.3. Validación

La validación del sistema se realizo durante el desarrollo del proyecto mediante la evaluación de los resultados entregados por la simulación en forma de pantallas graficas.

III.1.3.1. Climatología

En la Gráfica 4 se puede observar el comportamiento de la temperatura ambiente durante un año típico en la ciudad de Chihuahua.

Gráfica 4. Temperatura ambiente en Chihuahua para un año típico.

Así mismo, se monitorearon las variables de radiación solar en una superficie horizontal y en una superficie inclinada. En la Gráfica 5 se puede observar en color azul los valores para la radiación solar que incide sobre una superficie Horizontal, así como en color rojo para una superficie inclinada, en este caso 40° de inclinación.

Gráfica 5. Valores de radiación solar en Chihuahua para un año típico.

III.1.3.2. Vivienda

III.1.3.2.1. Comportamiento térmico de la vivienda sin climatización

En la Gráfica 6 se presenta el comportamiento térmico de la vivienda sin utilizar ningún equipo de calefacción, esto ocurre al desactivar la bomba que mueve el flujo másico para el piso radiante. Se muestra la temperatura ambiente en las 2 zonas de la construcción de Hebel, en donde se observan en color rojo y azul los valores de temperatura para la planta baja y la planta alta respectivamente.

Gráfica 6. Comportamiento térmico de la vivienda sin calefacción.

III.1.3.3. Comportamiento térmico del Sistema de captación de energía solar

Los valores mostrados en la Gráfica 7 corresponden a la temperatura de salida del tanque de almacenamiento hacia la carga térmica. Se puede observar en el rango de temperatura, que a partir de cierto periodo el requerimiento de agua caliente es muy bajo, a diferencia de la temporada de invierno en donde el rango de temperaturas que sale del tanque es más amplio.

Gráfica 7. Comportamiento en la temperatura de salida del tanque de almacenamiento.

Se valido en los colectores de tubos evacuados la temperatura de salida hacia el tanque de almacenamiento, obteniendo los valores mostrados en la Gráfica 8. Se observa una temperatura de estancamiento para cuando el tanque de almacenamiento muestra un rango corto en la temperatura de salida. Esto se debe a que la bomba de recirculación no trabaja cuando el tanque reporta una temperatura de 98°C.

Gráfica 8. Comportamiento térmico en la salida del colector

III.1.3.4. Comportamiento térmico del calentador auxiliar

En la Gráfica 9 se reporta el incremento de temperatura que sufre el flujo másico de agua al pasar por el calentador de agua. Esta variable es reportada a partir de un módulo de ecuaciones, en donde se realiza la operación de la diferencia entre la variable de temperatura del agua en la salida del tanque de almacenamiento y la temperatura del agua en la salida del calentador auxiliar.

Gráfica 9. Incremento de temperatura ocasionado por el calentador auxiliar.

III.1.3.5. Comportamiento térmico del sistema de agua caliente de uso doméstico

En la Gráfica 10 se observan los valores de temperatura para el agua proveniente de la red en color azul, así como los valores de temperatura del agua caliente de uso doméstico en color rojo, en donde se puede comprobar el funcionamiento del control de la válvula para que entregue el flujo de agua a una temperatura de 45°C.

Gráfica 10. Comportamiento térmico en el agua caliente de uso domestico

III.1.3.6. Control de flujos másicos de agua

En la Gráfica 11 se muestra el comportamiento del flujo másico de agua en la salida del colector al tanque de almacenamiento. De esta forma se observa que el sistema es más dinámico en invierno que en la temporada de verano.

Gráfica 11. Comportamiento del flujo másico de agua en la salida del colector solar

El flujo másico de agua caliente que sale del tanque de almacenamiento y provee al sistema de piso radiante así como al consumo de agua caliente de uso doméstico se muestra en la Gráfica 12. Se puede observar una cantidad de flujo másico más abundante durante el periodo invernal, este corresponde en mayor parte al piso radiante. Además se observa un patrón constante durante todo el año que corresponde al flujo másico de agua caliente de uso doméstico.

Gráfica 12. Comportamiento del flujo másico de agua que sale del tanque de almacenamiento

Para el control que se lleva a cabo en la válvula del agua caliente de uso doméstico se obtienen distintos flujos másicos en la mezcla de agua caliente y agua fría así como se muestra en la Gráfica 13.

Gráfica 13. Comportamiento en los flujos másicos del agua caliente de uso domestico.

Se reportan los valores acumulados de energía (kJ) que aporta el calentador auxiliar al flujo másico de agua, así como la cantidad de energía que aporta el sistema de colectores

solares al sistema. Por otra parte se reporta el consumo energético de las capas activas (Calefacción por piso radiante) y del agua caliente de uso doméstico.

Gráfica 14. Valores de energía acumulados a lo largo del año.

III.2. Análisis paramétrico

Generalmente la cantidad de variables que intervienen en la simulación dinámica de un sistema térmico son numerosas. Por tal motivo es imprescindible variar parámetros del sistema para poder hacer una comparación de los resultados y analizar que parámetros optimizan el funcionamiento del sistema.

Otro tipo de variación que se realizo como parte del análisis fue en el tipo de colectores y el tipo de construcción de la vivienda. Esto dio como resultado cuatro combinaciones de proyectos de simulación diferentes, cuyo análisis fue realizado independiente uno de otro.

Nombre de la Simulación Tipo de construcción Tipo de colectores solares

“Hebel-Planos” “Hebel” Placa plana

“Ladrillo-Tubos” “Ladrillo” Tubos evacuados

“Hebel-Tubos” “Hebel” Tubos evacuados

“Ladrillo-Planos” “Ladrillo” Placa plana

Tabla 6. Combinaciones de los diferentes proyectos de simulación.

III.2.1.1. TRNEdit

Es una herramienta contenida en TRNSYS, que fue utilizada para crear tablas paramétricas. Estas tablas se crean a partir de la cantidad de parámetros y el número de corridas que se van a analizar. En la Figura 12 se muestra un ejemplo de la interfaz de TRNEdit, así como de la tabla paramétrica.

Figura 12. Interfaz de TRNEdit.

III.2.1.2. Análisis del sistema mediante variación paramétrica

En la Tabla 7 se presentan los parámetros propuestos y los resultados obtenidos. Estos parámetros propuestos fueron considerados como los factores principales que intervienen en el funcionamiento del sistema. Los resultados fueron definidos por el balance global de energía anual del sistema, en donde “Aux” (Energía total aportada por el calentador auxiliar al flujo másico de agua) será el valor mas significativo para el análisis ya que representa el consumo de energía no renovable. Los resultados de una tabla paramétrica son almacenados en un archivo de texto y de ahí son exportados a Excel con el fin de ordenarlos y analizarlos con la ayuda de graficas dinámicas.

Tabla 7. Parámetros propuestos y resultados obtenidos.

Nombre de los parámetros

Numero de la corrida

Parámetros

III.2.1.2.1. Primer variación paramétrica

Se realizó una variación paramétrica en la configuración que involucra la construcción de “Ladrillo” y “Colectores de Tubos Evacuados” para el análisis de los parámetros que se muestran en la Tabla 8 los cuales dan una combinación de 900 corridas diferentes.

Valor mínimo

Valor máximo

Incremento Numero de parámetros

Colectores (Cantidad)

2 10 2 5

Inclinación (˚) 40 48 2 5 Tset (˚C) 45 75 10 4 Flujo másico (kg/h)

1600 2000 200 3

RVA (L/m2) 50 70 10 3 Numero total de combinaciones 900

Tabla 8. Parámetros a variar en el primer análisis

III.2.1.2.1.1. Análisis de la primer variación paramétrica

Filtrando el valor “Aux” en orden ascendente se tomo el valor más bajo para cada grupo de colectores. Se pudo concluir que a menor valor de Tset se presenta el menor consumo de energía en el calentador auxiliar. Además también se observan los valores de energía solar útil más altos, tal como se muestra en la Gráfica 16. Se observa también que el comportamiento en el flujo másico del piso radiante presenta los mínimos valores. Por otra parte el volumen de almacenamiento presenta los valores mas altos. En conclusión se fijo el valor Tset a 45°C y se propuso ampliar los valores de RVA, así como Flujo másico en el siguiente análisis paramétrico.


Inclinación (˚)

Tset (˚C)

Flujo másico (kg/h)

RVA (L/m2)

DHW (kJ)

RF (kJ)

Aux (kJ)

Solar (kJ)

10 48 45 1600 70 1.57E+07 1.32E+08 6.02E+07 8.95E+07 8 46 45 1600 70 1.56E+07 1.28E+08 7.04E+07 7.53E+07 6 44 45 1600 70 1.56E+07 1.25E+08 8.21E+07 6.03E+07 4 48 45 1600 70 1.55E+07 1.22E+08 9.56E+07 4.37E+07 2 48 45 1600 70 1.55E+07 1.20E+08 1.12E+08 2.57E+07

Tabla 9. Filtro de resultados de la primer variación paramétrica.

III.2.1.2.1.2. Representación gráfica de la primer variación paramétrica

Con los resultados obtenidos en el primer análisis paramétrico, se extrajeron los gráficos dinámicos a continuación.

En la Gráfica 15 se puede observar la tendencia de energía aportada por el calentador auxiliar respecto a Tset.

Gráfica 15. Energía aportada por el calentador auxiliar.

Así mismo en la Gráfica 16 se observan los valores más altos de energía solar útil, cuando la temperatura establecida en el calentador auxiliar es de 45˚C. Esto es debido a que el agua que retorna al tanque tiene una temperatura mas baja, incrementando así la eficiencia de los colectores.

Gráfica 16. Energía útil de los colectores solares.

III.2.1.2.2. Segunda variación paramétrica

En base a los resultados del análisis anterior se diseñó la Tabla 10 con los parámetros cuya combinación resultó en 120 corridas de simulación.

0.E+00 2.E+07 4.E+07 6.E+07 8.E+07 1.E+08 1.E+08 1.E+08 2.E+08 2.E+08

2 4 6 8 10 Numero de colectores solares

Aux (kJ)

45

55

65

75

Tset (˚C)

0.E+00 1.E+07 2.E+07 3.E+07 4.E+07 5.E+07 6.E+07 7.E+07 8.E+07 9.E+07 1.E+08

2 4 6 8 10 Numero de colectores solares

Solar (kJ)

45

55

65

75

Tset (˚C )

Valor mínimo

Valor máximo



4 20 4 5

Inclinación (˚) 44 56 4 4 Flujo másico (kg/h)

1400 1600 200 2


Tabla 10. Parámetros a variar en el segundo análisis.

III.2.1.2.2.1. Análisis de la segunda variación paramétrica

De las 120 corridas de simulación se tomaron los resultados y se filtro los valores de “Aux” en orden ascendente. En la Tabla 11 se puede observar que para los valores más bajos de “Aux”, los valores de RVA son los mas altos, mientras que el del flujo másico del piso radiante es el valor más bajo. Sin embargo debido a las limitantes del flujo mínimo requerido en las capas activas (3.14kg/h m2) se decidió establecer 1400 kg/h de flujo másico para el piso radiante en los siguientes análisis.


Inclinación (˚)

RVA (L/m2)

Flujo másico (kg/h)

DHW (kJ)

RF (kJ)

Aux (kJ)

Solar (kJ)

20 56 75 1400 1.58E+07 1.45E+08 2.27E+07 1.42E+08 16 56 75 1400 1.58E+07 1.39E+08 3.36E+07 1.24E+08 12 56 75 1400 1.57E+07 1.34E+08 4.89E+07 1.03E+08

8 56 75 1400 1.56E+07 1.26E+08 6.78E+07 7.58E+07 4 56 75 1400 1.56E+07 1.20E+08 9.32E+07 4.40E+07

Tabla 11. Filtro de resultados de la segunda variación paramétrica.

III.2.1.2.3. Tercer variación paramétrica

Una vez fijo el flujo másico del piso radiante, se realizó otra variación paramétrica con los valores mostrados en la Tabla 12.

Valor mínimo

Valor máximo



2 20 2 10

Inclinación (˚) 0 90 10 10 RVA (L/m2) 50 140 10 10 Numero total de combinaciones 1000

Tabla 12. Parámetros a variar en el tercer análisis.

III.2.1.2.3.1. Análisis de la tercer variación paramétrica

Esta variación paramétrica dio como resultado una serie de 1000 combinaciones cuyos resultados fueron filtrados en orden ascendente para “Aux”, obteniendo los valores mostrados en la Tabla 13. Se puede observar que la tendencia para RVA sigue creciendo como en los análisis anteriores.


Inclinación (˚)

RVA (L/m2)

DHW (kJ)

RF (kJ)

Aux (kJ)

Solar (kJ)

20 80 140 1.59E+07 1.46E+08 1.67E+07 1.46E+08 18 80 140 1.58E+07 1.42E+08 2.22E+07 1.37E+08 16 80 140 1.58E+07 1.39E+08 2.85E+07 1.27E+08 14 80 140 1.58E+07 1.35E+08 3.61E+07 1.16E+08 12 80 140 1.57E+07 1.32E+08 4.47E+07 1.04E+08 10 70 140 1.57E+07 1.29E+08 5.39E+07 9.23E+07 8 60 140 1.57E+07 1.26E+08 6.45E+07 7.85E+07 6 60 140 1.56E+07 1.23E+08 7.67E+07 6.32E+07 4 50 140 1.55E+07 1.20E+08 9.12E+07 4.59E+07 2 40 140 1.54E+07 1.18E+08 1.08E+08 2.69E+07

Tabla 13. Filtro de resultados de la tercer variación paramétrica

III.2.1.2.3.2. Representación Gráfica

Se puede observar en la Gráfica 17 que existe una tendencia decreciente en la inclinación del colector cuando se disminuye la cantidad de colectores. Se decidió fijar el parámetro de inclinación en 40˚, ya que es deseable utilizar el menor número de colectores y se utilice la menor cantidad posible de energía en el calentador auxiliar.

Gráfica 17. Tendencia en la inclinación de los colectores solares.

III.2.1.2.4. Cuarta variación paramétrica

Después de haber fijado la inclinación de los colectores, se hiso una variación en el número de colectores y la capacidad del tanque como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..

Valor mínimo

Valor máximo



4 60 2 29


0

20

40

60

80

100

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Numero de colectores solares

Grados de inclinacion de los colectores solares

Inclinacion

Tabla 14. Parámetros a variar en el cuarto análisis.

III.2.1.2.4.1. Representación gráfica

Con esta variación se obtuvieron 493 corridas de simulación para cada uno de los diferentes proyectos de la Tabla 6 las cuales fueron representadas en gráficas separadas. En estas gráficas se puede observar la tendencia en la energía aportada por el calentador auxiliar para cada relación del volumen de almacenamiento con respecto al número de colectores solares.

Gráfica 18. Proyecto “Ladrillo-Tubos”

0.E+00

2.E+07

4.E+07

6.E+07

8.E+07

1.E+08

1.E+08

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

Ener

gia

apor

tada

por

el c

alen

tado

r aux

iliar

(kJ)

Numero de colectores solares

"Ladrillo-Tubos" 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Rel

ació

n de

alm

acen

amie

nto

(L/m

2 )

Gráfica 19. Proyecto “Ladrillo-Planos”

Gráfica 20. Proyecto “Hebel-Tubos”

0.E+00

2.E+07

4.E+07

6.E+07

8.E+07

1.E+08

1.E+08

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 Ener

gia

apor

tada

por

el c

alen

tado

r aux

iliar

(kJ)


"Ladrillo-Planos" 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Relación

de almacen

amiento (L/m

2 )

0.E+00

2.E+06

4.E+06

6.E+06

8.E+06

1.E+07

1.E+07

1.E+07

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

Ener

gia

apor

tada

por

el c

alen

tado

r aux

iliar

(kJ)


"Hebel-Tubos" 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Rel

ació

n de

alm

acen

amie

nto

en (L

/m2 )

Gráfica 21. Proyecto “Hebel-Planos”

III.3. Análisis económico

Optimizar todo el sistema a partir del análisis paramétrico nos llevaría a concluir que energéticamente lo óptimo sería instalar el mayor número de colectores posibles, así como la mayor cantidad de almacenamiento térmico, sin embargo en la práctica esto no resulta ser lo más efectivo, ya que en la práctica el análisis económico representa una parte primordial en el dimensionamiento y optimización de cualquier sistema térmico.

La implementación de un sistema térmico solar generalmente es utilizado para la reducción de costos en consumo energético. Por lo tanto la rentabilidad de estos sistemas es analizado contra los costos de adquisición de los equipos, operación y vida útil.

III.3.1.1. Costos de inversión

III.3.1.1.1. Materiales de construcción

Concepto Costo Hebel ($MXN)

Costo Ladrillo ($MXN)

Material y Construcción $ 1,227,476 $ 950,304 Aislamiento $ 16,800 $ 0 Ventanas $ 132,048 $ 66,024

Tabla 15. Costos considerados para la construcción.

0.E+00

2.E+06

4.E+06

6.E+06

8.E+06

1.E+07

1.E+07

1.E+07

2.E+07

2.E+07

2.E+07

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

Ener

gia

apor

tada

por

el c

alen

tado

r aux

iliar

(kJ)


"Hebel-Planos" 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Rel

ació

n de

alm

acen

amie

nto

en (L

/m2 )

III.3.1.1.2. Colectores solares

Equipo Marca Modelo Costo ($MXN)

Colector de tubos evacuados

Apricus AP-30 $8,500

Colector de placa plana

Kioto Clear Energy

FP 7.25.0 H $4,176

Tabla 16. Costos considerados para los colectores solares.

III.3.1.1.3. Tanque de almacenamiento

La información de los costos del tanque de almacenamiento fue obtenida del departamento de energía y protección al medio ambiente de CIMAV y esta basada en la marca Swimquip a una capacidad de almacenamiento máxima de 5000L. Sin embargo, debido al tamaño de los tanques se considera utilizar hasta 3 tanques de 2500L para el análisis económico.

Capacidad (L)

Diámetro (m)

Altura (m)

Precio ($MXN)

5000 1.37 3.33 $ 81,125.00 4000 1.25 3.03 $ 68,750.00 3000 1.06 3.33 $ 61,125.00 2500 1.16 2.085 $ 51,437.50 2000 1.06 2.085 $ 40,750.00 1500 0.92 2.085 $ 36,562.50 1500 0.92 2.085 $ 29,750.00 1200 0.87 1.815 $ 29,625.00 1200 0.87 1.815 $ 25,500.00 1000 0.87 1.495 $ 27,125.00 1000 0.87 1.495 $ 22,812.50 750 0.77 1.495 $ 20,625.00 500 0.71 1.195 $ 18,125.00 350 0.61 1.195 $ 16,287.50 250 0.61 0.82 $ 15,662.50

Tabla 17. Costos del tanque de almacenamiento.

Ya que la capacidad del tanque de almacenamiento (L) se obtiene por la multiplicación del área neta de los colectores (m2) y el RVA (L/m2), el costo del tanque de almacenamiento fue obtenido a partir de una función. La función mostrada en la Gráfica 22 fue calculada utilizando una regresión lineal de tercer orden en Microsoft Excel con la información de la Tabla 17.

Gráfica 22. Regresión lineal de los costos del tanque de almacenamiento.

III.3.1.2. Costos de operación

En los costos de operación del sistema se consideró el consumo energético requerido por el calentador auxiliar, el cual utiliza Gas LP como combustible.

III.3.1.2.1. Inflación

El incremento en el precio de los bienes y servicios es un factor que debe ser considerado en el análisis económico, ya que esta relacionado con el tiempo. La tasa de inflación considerada en este análisis es del 4%.

III.3.1.2.2. Costo del gas

Se considera el precio del Gas LP como $0.2MXN por MJ

III.3.1.2.3. Aumento del precio del combustible

En base al incremento histórico del Gas LP (Martín-domínguez, et al., 2011) del 2001 al 2011 mostrado en la Gráfica 23 se considera un aumento anual en el gas LP del 9%.

y = 5E-‐07x3 -‐ 0.005x2 + 29.922x

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,000

90,000

100,000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Precio ( M

X $ )

Volumen de Tanque ( L )

Precio Total ( MX $ )

Gráfica 23. Incremento histórico del Gas LP.

III.3.1.2.4. Vida útil de los equipos

El análisis económico realizado en este estudio esta basado en una vida útil de los equipos equivalente a 25 años.

III.3.1.2.5. Costos a valor presente

Para el análisis fue necesario utilizar la función del valor presente con gradiente (GPWF – Gradient Present Worth Factor (Stoecker, 1989)) que se basa en la suposición teórica de que una cantidad, como por ejemplo el costo de la energía, aumenta uniformemente con el paso del tiempo.

El GPWF se define como:

En donde

• PC (Costo del combustible al final del año). Este costo se determino en base al resultado de la corrida de simulación.

!" = !"#!""∗!"

o Aux es la cantidad de energía aportada por el calentador auxiliar al flujo

másico de agua. o Eff es el porcentaje de eficiencia que le aplica al calentador auxiliar. o PG es el precio del gas establecido.

• n es el número de periodos a analizar

• i es la inflación • G es gradiente, el cual se calcula multiplicado el aumento anual en el precio del

combustible por el costo del combustible al final del año.

III.3.2. Costo Total

Se utilizó el valor “Aux” para obtener el costo del combustible al final del año (PC) para cada una de las corridas. Con el (PC), el número de periodos, la inflación y el gradiente obtenemos el GPWF. Para obtener el costo total se suma el GPWF más el costo de la inversión.

IV. Resultados y discusión

IV.1. Integración de los resultados del análisis económico y paramétrico

De los resultados obtenidos en el cuarto análisis paramétrico, donde se obtuvieron 493 corridas de simulación para cada proyecto, se concentraron dichos resultados en una hoja de Microsoft Excel. Ahí se retiraron las corridas en las que se involucraba un almacenamiento mayor a 7500L. Con el cálculo del costo total se elaboró una tabla dinámica la cual se utilizó para graficar los resultados.

IV.1.1. Representación gráfica de los resultados

Las siguientes Gráficas fueron obtenidas de la tabla dinámica realizada en Microsoft Excel y se puede observar la tendencia de los parámetros respecto al costo total.

Se observan líneas más cortas que otras debido a la limitante en la capacidad del tanque. Se puede distinguir en que punto está el menor costo, sin embargo esta información se observa más claramente en la Tabla 18, la cual muestra en resumen la configuración de parámetros que representa los costos mas bajos de cada proyecto.

IV.1.1.1. Proyecto “Ladrillo-Planos”

Gráfica 24. Costo total para el proyecto “Ladrillo-Planos”.

IV.1.1.2. Proyecto “Ladrillo-Tubos”

Gráfica 25. Costo total para el proyecto “Ladrillo-Tubos”.

$1,400,000

$1,450,000

$1,500,000

$1,550,000

$1,600,000

$1,650,000

$1,700,000

$1,750,000

$1,800,000

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Costo To

tal

Numero de Colectores

"Ladrillo-‐Planos" 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Relación

de almacen

amiento (L/m

2 )

$ 1,400,000

$ 1,450,000

$ 1,500,000

$ 1,550,000

$ 1,600,000

$ 1,650,000

$ 1,700,000

$ 1,750,000

$ 1,800,000

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Costo To

tal


"Ladrillo-‐Tubos" 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Relación

de almacen

amiento (L/m

2 )

IV.1.1.3. Proyecto “Hebel-Planos”

Gráfica 26. Costo total para el proyecto “Hebel-Planos”.

IV.1.1.4. Proyecto “Hebel-Tubos”

Gráfica 27. Costo total para el proyecto “Hebel-Tubos”.

$ 1,400,000

$ 1,450,000

$ 1,500,000

$ 1,550,000

$ 1,600,000

$ 1,650,000

$ 1,700,000

$ 1,750,000

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Costo To

tal


"Hebel-‐Planos" 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Relación

de almacen

amiento (L/m

2 )

$ 1,400,000

$ 1,500,000

$ 1,600,000

$ 1,700,000

$ 1,800,000

$ 1,900,000

$ 2,000,000

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Costo To

tal


"Hebel-‐Tubos" 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Relación

de almacen

amiento (L/m

2 )

IV.1.2. Tablas de Resultados

En la Tabla 18 se presenta los parámetros resultantes para los costos totales más bajos en cada proyecto. Adicionalmente se realizó el mismo análisis para los dos tipos de construcción sin utilizar ningún tipo de colectores solares, esto quiere decir que el sistema combinado de calefacción por piso radiante y agua caliente sanitaria solo es asistido por el calentador auxiliar considerando un tanque de almacenamiento de 500L.

Tipo “Ladrillo-Planos”

“Ladrillo-Tubos”

“Hebel-Planos”

“Hebel-Tubos”

“Hebel” sin colectores

“Ladrillo” sin colectores


38 22 12 8 0 0

Área Total de colectores (m2)

98 97 31 35 0 0

Tanque (L/m2) 50 50 50 40 0 0

Capacidad tanque (L)

4885 4840 1543 1408 500 500

Tanques (#) 2 2 1 1 1 1

Aux (kJ) 2.33E+07 2.21E+07 3.04E+06 3.19E+06 4.06E+07 1.35E+08

Tabla 18. Configuración optima para cada proyecto.

Costos “Ladrillo-Planos”

“Ladrillo-Tubos”

“Hebel-Planos”

“Hebel-Tubos”

“Hebel” sin colectores

“Ladrillo” sin

colectores Colectores ($) $ 158,688 $ 187,000 $ 50,112 $ 68,000 $ 0 $ 0

Almacenamiento ($) $ 101,081 $ 100,431 $ 36,095 $ 33,614 $ 13,774 $ 13,774

Construcción ($) $ 950,304 $ 950,304 $ 1,227,476 $ 1,227,476 $ 1,227,476 $ 950,304

Ventaneria ($) $ 66,024 $ 66,024 $ 132,048 $ 132,048 $ 132,048 $ 66,024

Aislamiento ($) $ 0 $ 0 $ 16,800 $ 16,800 $ 16,800 $ 0 Gas ($) $ 160,755 $ 152,835 $ 21,039 $ 22,079 $ 280,865 $ 931,477

Total ($) $ 1,436,852 $ 1,456,590 $ 1,483,570 $ 1,500,017 $ 1,670,963 $ 1,961,579

Tabla 19. Costos de cada proyecto

IV.1.3. Comparación Gráfica de los diferentes proyectos

IV.1.3.1. Costo Total por proyecto

En la Gráfica 28 se puede observar que los costos totales de los diferentes proyectos no son muy diferentes en el análisis a 25 años, sin embargo el proyecto “Ladrillo-Planos” representa el costo total más bajo.

Gráfica 28. Costos totales por proyecto.

IV.1.3.2. Costo del Gas por proyecto

En la Gráfica 29 se muestra el costo del gas para una operación de 25 años a valor presente. Se puede observar la diferencia en el costo del gas para los dos tipos de construcción, además el consumo de gas que tendrían si no hubiera un sistema de colección solar.

Gráfica 29. Costo del gas en cada proyecto.

IV.1.3.3. Energía utilizada en Calefacción

La Gráfica 30 esta basada en la cantidad de energía utilizada por el piso radiante (RF), en donde se observa una gran diferencia de carga térmica utilizada en cada tipo de construcción. La construcción “Ladrillo” equivale aproximadamente a 6 veces la energía utilizada en la casa de Hebel anualmente.

Gráfica 30. Consumo de energía por calefacción.

IV.1.3.4. Fracción Solar

De la energía total utilizada para calefacción y agua caliente de uso doméstico se presenta el porcentaje que proviene del sistema de colección solar en cada proyecto, tal como se muestra en la Gráfica 31.

Gráfica 31. Fracción solar en cada proyecto.

IV.1.3.5. Área de colección

El Gráfica 32 presenta el área de colección requerida para cada proyecto, en donde se puede observar claramente la diferencia entre un tipo de construcción y otra.

Gráfica 32. Área de colección requerida en cada proyecto.

IV.1.3.6. Capacidad de almacenamiento requerida

En la

Gráfica 33 se presenta la capacidad de almacenamiento térmico requerida para cada proyecto.

Gráfica 33. Capacidad de almacenamiento requerida.

IV.1.1. Comportamiento térmico de cada proyecto

En las Gráficas se puede observar que la temperatura ambiente de las zonas térmicas para las construcciones “Ladrillo” tiene amplias variaciones en comparación con la construcción “Hebel”. Esto se debe en gran parte a las grandes perdidas y ganancias de energía que se presentan en la construcción “Ladrillo” a través de sus muros y techo.

IV.1.1.1.1. Proyecto “Ladrillo-Planos”

Gráfica 34. Comportamiento térmico del proyecto “Ladrillo-Planos”.

IV.1.1.1.2. Proyecto “Ladrillo-Tubos”

Gráfica 35. Comportamiento térmico del proyecto “Ladrillo-Tubos”.

IV.1.1.1.3. Proyecto “Hebel-Planos”

Gráfica 36. Comportamiento térmico del proyecto “Hebel-Planos”.

IV.1.1.1.4. Proyecto “Hebel-Tubos”

Gráfica 37. Comportamiento térmico del proyecto “Hebel-Tubos”.

V. Conclusiones y recomendaciones

Fue posible utilizar TRNSYS como herramienta principal para simular y minimizar el consumo de Gas LP en los diferentes proyectos.

Aunque no es parte de los objetivos el hacer una comparación entre los diferentes proyectos, en la Tabla 20 se presenta las observaciones para cada proyecto.

Proyecto Ventajas Desventajas

Ladrillo-Planos

- Proyecto de mas bajo costo.

- La instalación de 38 colectores con seguridad representa un costo elevado.

- El área de captación requerida de casi 100 m2 puede representar un reto de instalación.

- Los colectores pueden presentar congelamiento si no se instala un sistema de drene para las bajas temperaturas.

- El comportamiento térmico de la vivienda no es tan estable.

- El almacenamiento térmico representa alrededor de 5 m3 de espacio ocupado.

- Alto consumo de gas.

Ladrillo-Tubos

- La instalación de 22 colectores con seguridad representa un costo elevado.

- El área de captación requerida de casi 100 m2 puede representar un reto de instalación.

- El comportamiento térmico de la vivienda no es tan estable.

- El almacenamiento térmico representa alrededor de 5 m3 de espacio ocupado.

- Alto consumo de gas.

Hebel- - Máximo ahorro en - Los colectores pueden presentar congelamiento si no se

Planos costo de gas.

- Comportamiento térmico estable durante el invierno.

instala un sistema de drene para las bajas temperaturas.

Hebel-Tubos

- Comportamiento térmico estable durante el invierno.

- Bajo consumo de gas.

- Es el proyecto mas costoso.

Tabla 20. Comparación entre los diferentes proyectos.

Además de que no existe una gran diferencia en los costos totales de los proyectos en 25 años de operación, la Tabla 20 puede indicar la conveniencia de construir una vivienda con un buen nivel de aislamiento térmico que utilice un sistema de captación de energía solar de tamaño moderado como es el caso de “Hebel-Planos” o “Hebel-Tubos”, en donde se reduce en gran manera el consumo de energía en el calentador auxiliar, lo que se traduce en bajo consumo de Gas y menos emisiones a la atmosfera.

El simulador desarrollado puede ser utilizado posteriormente para el dimensionamiento del sistema de captación solar y almacenamiento necesario para una vivienda con una carga térmica diferente.

El sistema desarrollado utiliza agua como fluido térmico, sin embargo es recomendable tomar en cuenta la calidad del agua existente con el fin de evitar incrustaciones en cualquier equipo utilizado. Por tal motivo se recomienda considerar la integración de intercambiadores de calor en el sistema con el fin de utilizar un fluido térmico diferente.

Sería recomendable realizar un análisis de confort térmico el cual pudiera considerarse para la elegibilidad del proyecto.

Se recomienda realizar un estudio que tenga como finalidad encontrar la relación entre la inclinación optima de los colectores solares y la variación de la carga térmica a lo largo del día y del año.

VI. Bibliografía

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