Estudio de viabilidad de instalación de refrigeración solar con máquina de absorción

de doble efecto alimentada por colectores cilindro parabólicos

Proyecto fin de MásterAutor: L. Carlos Hernández IglesiasTutor: Manuel Macías MirandaSeptiembre 2009

INDICE:

1.- ¿Por qué refrigeración solar?

2.- CCP y doble efecto

3.- Descripción del edificio

4.- Demanda del edificio

5.- Dimensionado

6.- Análisis de resultados obtenidos

7.- Comparativa con tubos de vacío

8.- Conclusiones

¿ Por qué Refrigeración Solar ?

• El consumo eléctrico en la refrigeración de los edificios su poneel 12% del total y equivale a la producción de 3 nucleares

• El 98% de este consumo corresponde al sector terciario

• La potencia instalada está en torno a los 9.000 MW

• Este hecho acentúa mucho la curva de demanda y obliga atener una potencia eléctrica instalada muy grande

• Estas puntas suponen el 20% de la potencia eléctrica instala da

• Solo en 1 hora se pueden llegar a emitir 3.000 Tn de CO 2

1.-¿ Por qué Refrigeración Solar ?

¿ Por qué Refrigeración Solar ?

Ventajas de esta tecnología:

Reduce los gastos de la factura energética, tanto por contra taciónde potencia eléctrica, como por tener menor consumo

Utiliza equipos libres de agentes refrigerantes nocivos

Posibilidad de hibridarlo con biomasa o gas

Apoyo de las administraciones a la tecnologías solares

Adecuación de la demanda al recurso solar

Posibilidad de almacenamiento

Suaviza la curva de demanda y reduce la dependencia energéti cadel exterior

¿ Por qué Refrigeración Solar ?

La curva de radiación solar seadapta bastante bien a la curva de demanda de climatización

CCP y absorción de doble efecto

• Tubos de vacío• Concentradores lineales Fresnel• Colectores cilindro parabólicos

CCP y absorción de doble efecto

Ventajas

Se pueden alcanzar altas temperaturas ( hasta 400 ºC)

Se pueden asociar a máquinas de absorción de dobleefecto que alcanzan COP de hasta 1,35

Retorno de la inversión menor que con tubos de vací o

Posibilidad de usar agua como fluido caloportador

La maquina de absorción es un equipo silencioso

Áreasde

mejora

Tamaño de los colectores, para que se puedan usar e n un rango mas pequeño de superficies

Mayor nº de fabricantes

Sistemas de almacenamiento mas eficaces

CCP y doble efecto. Esquema de funcionamiento

Descripción del edificio

Palacio de Justicia de Murcia

- 2 sótanos y 4 plantas- 36.220 m2 construidos- forma de T , dividido en

5 módulos y vestíbulo- uso administrativo

Descripción del edificio

Demanda energética del edificio

Con el programa CL WIN calculamos tanto la carga frigorífica máximadel edificio, como la demanda energética para de esta forma p oderdimensionar el campo solar y la potencia de la máquina de abso rción

Demanda energética del edificio

Dimensionado. Condicionantes básicos

• El uso al que va destinado el campo solar determina la orienta ción,a su vez la disponibilidad de espacio condiciona esta orient ación

Norte- Sur

Hasta 4 veces mas energía en Verano

que en Invierno

Ideal para edificios con mucha mas

demanda de refrigeración que de

calefacción

Este - Oeste

Diferencias menos acusadas entre

Verano e Invierno

Ideal para climas mas de interior

donde la demanda de calefacción es

mas alta

Dimensionado. Condicionantes básicos

En función de lo anterior y de las necesidades energéticas de l edificio,tendremos que afrontar posiblemente la mayor dificultad de este tipode proyecto, que no son otros que los arquitectónicos.

Longitud de la fila en la orientación adecuada para darnos el salto de tª, que requiere la potencia de diseño de la instalación

Disponibilidad de espacio para poder meter la filas suficientes, guardando la distancia para evitar que se hagan sombras entre ellas (min 2,8 veces el ancho de apertura)

Disponibilidad de espacio para poner los equipos de la instalación y una estructura del edificio que aguante el peso de los equipos y permita su fácil acceso

Dimensionado. Proceso

Datos meteorológicos:Radiación directa 5 minutalTª ambiente 5 minutal

Datos de consumo y cargafrigorífica horaria

DIMENSIONADO INICIAL :Campo de colectores:orientación, longitud filas, nº de filasPotencia m. de absorción / torre

Producción energética diaria,mensual y anualDiferencias en cobertura

Dimensionado Depósito de acumulación

Análisis económico:coste inicialcoste mantenimientosubvencionesfinanciación

Dimensionado .Colector IST PT-1

EmpresaIST

Modelo PT1

País Estados Unidos

Fuente IST, 2008

Temperatura de operación (ºC) 288

Área de apertura (m 2) 14,03

Ancho de apertura (m) 2,3

Longitud (m) 6,1

Distancia focal (m) 0,80

Diámetro exterior receptor (m) 0,051

Diámetro exterior cubierta (m) 0,075

Ángulo apertura (º) 72

Ángulo aceptancia (º) 2,40

Razón de concentración 14,41

Eficiencia óptica 0,7625

Reflectividad 0,89

Transmisividad 0,95-0,96

Absortividad 0,96-0,98

Emisividad (a la temp. (ºC)) 0,15-0,25 (80)

Dimensionado campo de colectores

Datos de

Partida

• fluido : aceite therminol VP-1• tª entrada colector : 293 ºC• tª salida colector : 393º C• tª media fluido : 343º C• presión de trabajo : 30 bar• día diseño : 21 de junio• tª ambiente : 27 º C• radiación directa : 850 w/m 2

• latitud : 40,25º N• longitud : 6,25 O • rendimiento del colector• modificador del ángulo incidencia• orientación ( Norte- Sur )• área de apertura del colector (545 m 2 )• nº de módulos que tiene el colector ( 8)• diámetro interior tubo absorbedor(0,065 )• valores de densidad • valores de calor especifico • valores de viscosidad dinámica

Dimensionado del campo de colectores: incremento tª en la fila

Cálculo ángulo incidencia

Densidad y calor específico f(t)en forma poli nómica, datos delPrograma “ Monsanto”ρ (Kg/m 3) = 1131 – 1,065 tCp ( kj /kg .K ) = 1,479 + 0,0028 t

Adoptamos nº Reynolds 7 .10 5

Caudal másico de diseño de la fila

M= 6,52 Kg/sCalor del sol al colector

-Pérdidas térmicas

Calor del colector al fluido276,72 Kw

M. ∆H =

6,52(1,479*(TOUT-Tm)+1/2*0,0028 *(TOUT2-Tm

2)

TOUT=360,21º ∆tª = 17,21º C

Dimensionado del campo de colectores: nº de colecto res en serie y nº de filas en paralelo

• Sabiendo que el salto que hemos diseñado es de 18º, tendremos queponer 2 colectores en serie y por tanto la potencia de cada fil a será:

58, 9 * 2 = 105,8 Kw

• Con datos 5 minutales de tª y radiación, integramos la energí a que nosda la fila para el día de diseño y obtenemos 1246 Kwh .Como necesitamos una potencia frigorífica de 434 Kw y nuestr amáquina de absorción tiene un COP de 1,25, la potencia térmic a quedebe suministrar el campo para 10 horas, será:

437/1,25= 347,2 Kw * 10 horas de funcionamiento= 3.472 Kwh

• Luego el nº de filas en paralelo será:

3472/1246=2,8 , es decir 3 filas

Dimensionado. Disponibilidad de espacio

Dimensionado. Energía anual de campo

Debemos calcular la energía de un día típico claro de cada mes y a continuaciónhacer una estimación de los días claros que tendrá cada mes , p ara elloutilizaremos la siguiente regla:

Nº días claros del mes: días claros + 0,4 * días nublados

Dimensionado. Porcentaje de cobertura

Dimensionado de acumulación

Se dimensiona la instalaciónpara almacenar los excedentes de 2 días del mes de diseño.

20.000 LITROS

Análisis de viabilidad económica .Presupuesto estim ado

Costes de mantenimiento: 0,5 % inversión ( 2.138 €/ año)

Análisis de viabilidad económica . Ahorros

subvención 30% 139.064

recursos propios 162.242

Préstamo ( 4 % ) 162.242

463.548

TIR_ Proyecto 9.77%VAN_Proyecto 201.528

Retorno Inversión: 11,5 años

Comparativa con tubos de vacio

Si pensáramos en una instalación con tubos de vacio , asociada a una máquina de absorción de simple efecto ( COP 0,65) que nos t uviera que proporcionar la misma energía frigorífica y seleccionando un pa nel de una marca de reconocido prestigio como el VITOSOL 200 T, habrí a que instalar:

RESULTADOSNúmero de colectores 328 colectoresSuperficie Instalada 1006.96 m2

REFRIGERACIÓNEnergía demandada: 675.304 kWh/añoEnergia sustituida: 534.765 kWh/añoEnergia sustituida: 79.2 %

CALEFACCIÓNEnergía demandada: 62085.4 kWh/añoEnergia sustituida: 62085.4 kWh/añoEnergia sustituida: 100.0 %

TOTALEnergía demandada: 737389.4 kWh/añoEnergia sustituida: 596850.0 kWh/añoEnergia sustituida: 80.9 %

Comparativa con tubos de vacio. Energía captada

Superficie m2 Energía captada KWh/mes

Enero 1006.96 61.903

Febrero 1006.96 77.797

Marzo 1006.96 88.975

Abril 1006.96 97.794

Mayo 1006.96 111.940

Junio 1006.96 109.698

Julio 1006.96 124.288

Agosto 1006.96 115.374

Septiembre 1006.96 97.615

Octubre 1006.96 82.891

Noviembre 1006.96 59.374

Diciembre 1006.96 50.380

Total 1.078.029

La energía captada es mayor, pero el % de energía para Refrigeración es del 82 %, frente al 90% de los ccp

Comparativa tubos de vacío. Presupuesto estimado

Precio de los colectores de vacío: PVP( 2.833 €) – 40 % dto = 1.700 €Costes de mantenimiento: 0,5 % inversión ( 3.996 €/ año)

Comparativa tubos de vacío. Análisis de viabilidad económica

subvención 30% 239.796

recursos propios 279.763

Préstamo ( 4 % ) 279.762

799.321

TIR_ Proyecto 6,97%VAN_Proyecto 146.179

Retorno inversión: 14,5 años

Emisiones evitadas por la instalación

Refrigeración

Calefacción

Conclusiones

Económicamente es rentable, puesto que la inversión se recupera en 12 años, y en un futuro escenario de fiscalidad ambiental también sería muy rentable al evitar tener que pagar menos en concepto de emisiones.

Medioambientalmente se evitan emitir 104, 6 Tn de CO2, sin embargo hay que pedir a los fabricantes un esfuerzo para que los equipos consuman menos agua.

Instalaciones especialmente indicadas para zonas de clima suave, y en edificios donde pese mucho más la demanda de refrigeración que la de calefacción, además es imprescindible el almacenamiento térmico para su correcta explotación y en este sentido investigar con los materiales de cambio de fase.

Se hace necesario contar con colectores más pequeños que nos permitan adaptarnos mejor a las distintas configuraciones de la cubiertas, para poder dar siempre la orientación que mas nos convenga

Aumenta la competitividad de las empresas y del país en general al disminuir los costes energéticos , reduce nuestra dependencia del exterior y como toda energía distribuida evita la implantación de nuevas y costosas líneas eléctricas

Muchas gracias

lchiglesias@gmail.com