Diseño conceptual y básico de un
sistema de calentamiento solar para
climatizar el agua de la piscina de la
Universidad EAFIT
Guillermo Durango Benítez
Ricardo Valencia Naranjo
Asesor
Jaime Escobar
Grupo de investigación DDP
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
• Aunque las piscinas son de uso generalizado,
las piscinas climatizadas son los mas
recomendadas por los especialistas para
evitar problemas de salud
• Los deportistas manifiestan su inconformidad
con la temperatura del agua porque sus
entrenamientos no están sujetos a
condiciones climáticas
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
• Los más indicado para elegir una fuente de
energía para climatizar la piscina es que sea
renovable debido a que las no renovables
presentan problemas como:
--Agotables
--Contribuyen al calentamiento global
PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN
• ¿Cuáles son las restricciones que tienen los
sistemas de calentamiento solar?
• ¿Qué alternativa de diseño es la más
recomendable para aplicar en la climatización de
la piscina?
• ¿Cuáles son los materiales mas adecuados en la
construcción de los colectores solares?
• ¿Cuál es el costo de un sistema de
calentamiento con energía solar respecto a la
utilización de otra fuente de energía?
OBJETIVOS
Objetivo general
Realizar el diseño conceptual y básico de un
sistema de calentamiento solar, mediante el
análisis de alternativas de diseño para climatizar
el agua de la piscina de Universidad EAFIT.
Objetivos específicos
• Definir las especificaciones del proyecto, los criterios y
restricciones del diseño
• Elaborar el diseño conceptual aplicando heurística
y diferentes algoritmos
• Realizar el diseño básico utilizando datos técnicos para
el sistema de calefacción.
• Evaluar la factibilidad económica del proyecto para
compararla con otras alternativas
METODOLOGÍA
• Revisión Bibliográfica
• Especificaciones y Restricciones del Proyecto
• Diseño Conceptual
• Optimización
• Análisis de alternativas
• Análisis general y Conclusiones
• Recomendaciones
Consideraciones teóricas
Colector solar de placa plana
[www.alsolar.pt/solarthermie]
Superficie capaz de absorber la mayor cantidad
de radiación solar, y transmitir esta en forma de
calor hacia el fluido.
Calentamiento de piscinas
La intervención de la energía solar consiste en
conservar la temperatura del agua de la piscina,
reintegrando con la fuente solar la energía dispersa por
el agua. Una piscina requiere un calentamiento de baja
temperatura.
Temperatura (ºC) del agua de las piscinas
Recreo
27
Enseñanza
25
Entrenamiento
26
Competición
24
Privado
25/26
[www.tinet.org/~ftarraco/edificacio9solartermcolectivas]
PROJECT DESIGN SPECIFICATION
Datos climáticos de la Ciudad de Medellín
Parámetro
Promedio
(mes)
Temperatura media (ºC)
22.75
Humedad relativa media (%)
64.02
Velocidad media del viento (Km/h)
5.80
Radiación Horizontal (W/ m2)
200
Temperatura de confort en la piscina (ºC)
26
[www.tutiempo.net/clima/Medellin_Olaya_Herrera/12-2006/801100.htm]
PROJECT DESIGN SPECIFICATION
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA
Diagrama general de la piscina
Datos relacionados a la piscina
Área Superficial (m2)
Volumen (m3)
Temperatura del suelo alrededor de la piscina (°C)
Número promedio diario de usuarios
Área superficial del cuerpo de una persona (m2)
317.5
444.5
25.5
30
1.7
PROJECT DESIGN SPECIFICATION
Restricciones para el layout
Área disponible
para la ubicación de los
colectores solares
4_m
20_m
E-8
E-9
Piscina
PROJECT DESIGN SPECIFICATION
Restricciones para el colector solar
Orientación del colector: Estos se deberán orientar hacia el
sur para obtener una mayor eficiencia
Inclinación del colector: Para el funcionamiento optimo la
inclinación debe ser igual a la latitud del lugar donde se
realizará el proyecto para este diseño debe ser de 6º11’.
Material de construcción: Se escoge polipropileno y cobre
por razones de disponibilidad y precio. La máxima longitud
de tubería de cobre de 1” y ½” disponible en el mercado
es de 6 m.
DISEÑO CONCEPTUAL
Diagrama general de entradas y salidas
Colectores
Agua de
reposición EPM
Radiación Pérdidas
solar de energía
Piscina
Agua de
drenaje
Bañistas
Superficie
Lámina
Reciclo de agua
DISEÑO CONCEPTUAL
Diagrama de bloques de proceso BFD
COLECTOR SOLAR
12.64 Kg/s
12.64 Kg/s
Agua de
reposición
EPM
0.0442 Kg/s
PURIFICACIÓN Y
BOMBEO
PISCINA
12.67 Kg/s
Agua de
drenaje
0.0308 Kg/s
0.0134 Kg/s
Evaporación
DISEÑO CONCEPTUAL
Diagrama de flujo de proceso PFD
S-101
Piscina
P-101
Bomba
de reciclo
F-101
Filtro de
arena
E-101
Colector
solar
E-101
Pérdidas
8
V-104
TI-2
V-107
5
Agua de
drenaje
V-105
Agua de
reposición
EPM
7
4
F-101
V-102
2
1
6
PLC
3
V-101
S-101
V-103
P-101
V-106
TI-1
Numero
Corriente
Temperatura
(ºC)
Presion
(KPa)
Flujo
(m 3 /hr)
1
2
3
4
5
6
7
22.5
24
24
24
24
24
26
101.3
-15.52
0
215.7
158.7
125.2
12.22
0.16
45.42
0
45.42
1.11
44.31
44.31
SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN POR ENERGÍA SOLAR
Aprobado por:
Jaime Escobar A
Proyecto de Grado
TAMAÑO
ESCALA
Realizado por:
Ricardo Valencia Naranjo
Guillermo Durango Benitez
Nº DE FAX
Nº DIBUJO
REV.
1
2
HOJA
DISEÑO CONCEPTUAL
SELECCIÓN DE TIPO DE EQUIPOS
• Selección del tipo de colector solar
Colector de placa
plana no vidriado
Colector solar de
placa plana vidriado
Colector solar
de tubo evacuado
DISEÑO CONCEPTUAL
Selección del tipo de colector
Parámetros de
selección
Costo
Placa plana Placa plana
no vidriado
vidriado
Tubo
evacuado
Factor
prioridad
Bajo
Medio
alto
10
0.82 - 0.97
0.66 - 0.83
0.62 - 0.84
9
Factor de pérdidas
térmicas (W/m2)
10 - 30
2.9 - 5.3
0.7 - 2
8
Rango de temperatura
(ºC)
20 - 40
20 - 90
50 - 120
7
71.75
66.88
66.25
Eficiencia de
conversión
Puntuación total
DISEÑO CONCEPTUAL
Selección del material de la tubería para los
colectores
Cobre
Polipropileno
Factor de
prioridad
288,640
276,089
10
Conductividad térmica
(W/mK)
401
0.22
Expansión térmica (10E-6/K)
17
100 -180
8
Dureza knoop mín (Rockwell)
49
R80 -100
7
T máxima de operación (ºC)
1000
90 -120
7
Resistencia a la tensión a T
ambiente (Mpa)
245
31
6
Calor específico (J/KgºK)
385
1700 - 1900
5
65.29
58
Parámetros de selección
Precio $/m2
Puntuación
9
DISEÑO CONCEPTUAL
Balance de masa en la piscina
Agua de reposición
EPM (mi)
Agua de
drenaje (md)
Piscina (mp)
Evaporación
(mev)
dM
m i  m d  m ev 
mi 
0 .5 * V p
100
dt
dM
m ev  Heuristica
m ev  0 . 0134
m d  0 . 0308
p
dt
Kg
s
Kg
s
p
 0
DISEÑO CONCEPTUAL
Balance de energía en la piscina
Radiación solar
Colectores
Bomba
Piscina (Ep)
Drenaje
Evaporación
Convección
Radiación emitida
Conducción
Agua de
reposición
Q re  Q col  Q b  Q d  Q ev  Q c  Q rs  Q k  Q i 
dE
dt
p
DISEÑO CONCEPTUAL
Balance de energía en la piscina
Energía Saliente
en Kw.
Energía entrante
en Kw.
47.81
Qre
Qb
161.44
0
Qc
4.88
Qcol
X
Qrs
138.38
dE
0
Qk
0
Qi
4.18
Qd
3.37
Qev
Ecuaciones Heurísticas
[Glaria, 2000]
p
dt
Q col  37 . 183 KW
DISEÑO CONCEPTUAL
Parámetros de diseño
#
T1
f
L
T2
D
DISEÑO CONCEPTUAL
DISEÑO DE LOS COLECTORES
SOLARES
Ejecutar algoritmo de Excel
Medidas evaluadas para el diseño de colectores
Variable
Rango de
variación
1 - 15
Unidades
Distancia entre tubos
6 - 19
cm
Numero de tubos
6 - 19
Unidades
ΔT
ºC
DISEÑO CONCEPTUAL
Efecto del ΔT en los colectores sobre eficiencia
térmica para tubos con f de ½ y 1 in
Eficiencia
Eficiencia vs Cambio de Temperatura
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
2
4
6
8
10
Cambio de Temperatur ºC
1/2 in
1 in
12
14
16
DISEÑO CONCEPTUAL
Efecto del ΔT en el costo total de los colectores para
tubos con f de ½ y 1 in
Co sto $
M illo n es
C o sto vs C a m b io d e T e m p e ra tu ra
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
10
C a m b io d e T e m p e ra tu ra º C
1/2 in
1 in
12
14
16
DISEÑO CONCEPTUAL
Efecto de la distancia entre tubos en el costo y la
eficiencia de los colectores
60
0.40
55
0.35
50
0.30
45
40
0.25
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
D i sta n c i a e n tre tu b o s
Cos to
In e fic ie n c ia
16
17
18
19
In eficien c ia
Co sto s $
M illo n es
D i sta n c i a ó p ti m a e n tre tu b o s
DISEÑO CONCEPTUAL
Co sto $
Efecto del
número de
Tubos en el
costo total de
los colectores
M illo n es
C o sto vs N ro d e T u b o s
46. 92
46. 90
46. 88
46. 86
46. 84
46. 82
5
7
9
11
13
15
17
19
21
19
21
N ro d e T u b o s
1/ 2 in
0.698
0.697
0.697
E ficien cia
Efecto del
número de
Tubos en la
Eficiencia de los
colectores
Eficie n cia vs N ro d e T u b o s
0.697
0.697
0.697
0.696
0.696
0.696
5
7
9
11
13
N ro d e T u b o s
1 /2 in
15
17
DISEÑO CONCEPTUAL
Resultados de parámetros de diseño mas
adecuados para el colector solar
Diámetro de los tubos (pulg)
1/2
Longitud de los tubos (m)
6
Numero tubos
13
Espesor de la placa (mm)
1
Distancia entre tubos (cm)
10
OPTIMIZACIÓN
Análisis topológico y paramétrico
Configuración de tubos
abajo en un colector
Configuración de tubos
hacia arriba en un colector
OPTIMIZACIÓN
Resultados colector optimizado
Eficiencia (%)
71
ΔT (ºC)
2
Flujo (m3/hr)
1.8
Área (m2)
10,5
Número de colectores
29
Calor útil (KW)
30
Cálculo de la red hidráulica
• Los simuladores: PIPE-FLO y PIPE-FLOW que aplican las ecuaciones de Darcy-Weisbach,
Kirchoff permitieron simular la red hidráulica para equilibrar las cargas en el sistema
26.5 m
3m
P-1685
Succión, Ø 4"
4m
Aspiradora, Ø 2"
1.5 m
17_m
2m
Retorno, Ø 3"
3m
12.7 m
5.7 m
5m
Piscina
3.6 m
6.5 m
PLANO ARQUITECTÓNICO DE LA DISTRIBUCIÓN DE LOS COLECTORES SOLARES PARA
EL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN
Realizado por:
Ricardo Valencia Naranjo
Guillermo Durango Benitez
Aprobado por:
Jaime Escobar A
Proyecto de Grado
TAMAÑO
ESCALA
Nº DE FAX
25 m
Nº DIBUJO
REV.
2
1
HOJA
5m
1.6
5.8 m
4.2 m
3m
2.6 m
SIMULACIÓN EN PIPE-FLO
6.7 m
IP
f 3"
f 3"
f 2.5"
0.1 m
f 3"
V-115
Colector 2
Colector 1
0.5 m
V-116
V-117
Colector 4
Colector 7
Colector 8
1.2 m
f 2"
f 3"
3.2 m
Colector 3
0.5 m
f 3"
Colector 5
Colector 6
f 1"
f 1"
f 2.5"
f 2"
4
Colector 9
Colector 10
Colector 11
f 1.25"
0.15 m
Colector 12
f 1.5"
f 2.5"
f 2"
Colector 13
Colector 14
Colector 15
f 1.5"
Colector 16
f 2"
f 2.5"
f 1.5"
Colector 17
Colector 18
Colector 19
f 2"
Colector 20
f 2"
f 2.5"
f 1"
Colector 21
Colector 22
Colector 23
Colector 24
f 2.5"
f 2"
f 2.5"
Colector 25
V-118
V-119
6 m
V-120
5
f 3"
f 2.5"
f 3"
f 3"
IP
3 m
f 2.5"
Colector 26
f 2"
f 2.5"
Colector 27
f 1.5"
f 2.5"
Colector 28
f 2.5"
f 1.25"
Colector 29
f 3"
f 3"
f 1"
V-121
f ½”
f 2"
0.1
Plano del sistema de colectores
Especificaciones bomba Necesaria
P-101
Caudal (m3/h)
Rpm
45.42
3600
Potencia requerida (KW)
7.55
Potencia de freno (KW)
NPSHr (m)
Eficiencia (%)
HB (m)
Diámetro impulsor (mm)
10
3.14
70.3
24
120
Especificaciones bomba Necesaria
• Para que la bomba que actualmente tiene la piscina,
(SIHI Monoblock) cumpla con los parámetros
mencionados en la tabla anterior es necesario
cambiar el impulsor por uno con mayor diámetro (de
110 mm a 120 mm).
Animación gráfica del sistema de colectores
Análisis de alternativas
Para determinar cual es la fuente de energía
más factible para la climatización de piscinas se
analizaron : Gas natural, Bomba de calor
N: 10 años
TIO: 25% efectiva anual i: 10% e.a
Fuente
Solar
Bomba de calor
Calderin de gas
VPN($ millones)
126
60.3
68.9
TIR (%)
37
70
30
CONCLUSIONES
1.El factor de mayor relevancia en cuanto a las
perdidas energéticas de la piscina, es la
velocidad del viento Para el caso de la piscina de
la universidad EAFIT la velocidad promedio del
viento es de 0.3 m/s (velocidad Baja)
2.Después de correr la optimización se encuentra
que los costos operacionales se minimizan
cuando el flujo es de 37.95 m3/hr
CONCLUSIONES
3.Los colectores configurados con los tubos arriba
presentaron un mejor comportamiento que los
configurados con los tubos hacia abajo (área
efectiva por colector 7.8 m2 ) debido a que
presentan una mayor área de transferencia
(área efectiva por colector con los tubos arriba
10.45 m2)
4.El área disponible que actualmente existe para la
ubicación de los colectores solares es menor que
el área necesaria. Por tal motivo se requiere una
ampliación de 210.5 m2 adicionales
CONCLUSIONES
5.Es de gran importancia utilizar herramientas
como el Pipe-FLO y Pipe-Flow para garantizar el
mismo flujo en cada colector (1.8 m3/hr)
6.Para la climatización de la piscina no fue
necesario
cambiar totalmente la bomba
hidráulica solo se debe aumentar el diámetro
del impeler de 110 mm a 120 mm.
7.El estudio económico arrojo que la mejor
inversión es el proyecto con energía solar en
lugar de calentamiento con bomba de calor o
calderin de gas
CONCLUSIONES
8. El ángulo de inclinación óptima no es un factor
critico en el diseño de colectores
9.Según el diseño hidráulico no hay que cambiar el
sistema de tuberías que existe actualmente
para la purificación de la piscina.
RECOMENDACIONES
• Se propone colocar una cortina de agua en la
parte norte de la piscina con el fin de disminuir
las pérdidas de calor de la piscina por efectos de
vaporización.
• Se recomienda evaluar la posibilidad de un
sistema hibrido entre energía solar y una bomba
de calor para garantizar la climatización de la
piscina sin importar las condiciones climáticas.
RECOMENDACIONES
• Se recomienda realizar una ampliación del
cuarto de bombas para facilitar su
mantenimiento y evitar posibles accidentes de
los operarios debido a la dificultad de acceso.
• Se recomienda construir el prototipo de un
colector con el fin de evaluar los resultados
experimentales con las predicciones teóricas
• Debajo de la nueva área techada se recomienda
la posibilidad de instalar un gimnasio con
equipos especializados para el fortalecimiento de
los deportistas.
GRACIAS POR SU ACOMPAÑAMIENTO
DURANTE NUESTRO PROCESO DE
APRENDIZAJE
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Calefacción de piscinas