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Artículo Científico / Scientific Paper |
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pISSN: 1390-650X / eISSN: 1390-860X |
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John Calle Sigüencia1,*, Óscar Tinoco Gómez1 |
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Resumen |
Abstract |
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En este documento se encuentra
el análisis para determinar la factibilidad de implementación de calentadores
solares para obtener Agua Caliente Sanitaria (ACS) en el Ecuador, en la
provincia del Azuay, en el cantón Cuenca, con el fin de disminuir la
contaminación ambiental provocada por el uso de combustibles fósiles. El proyecto
considera la puesta en marcha de una red meteorológica y toma de datos de radiación
solar global en 16 puntos ubicados zonas pobladas del cantón durante los años
2014 y 2015, posteriormente a través de un trabajo de campo se realiza un
diagnóstico para establecer cuáles son los actuales sistemas usados para
obtener ACS, también se analizan de manera teórica y práctica las eficiencias
de dos tipos de calentadores solares de tubos de vacío para producción de
ACS; con los datos de radiación medidos se modela aplicando las ecuaciones de
transferencia de calor y se establece la factibilidad de implementación en
función de la energía solar medida; finalmente, se
realiza una comparación para determinar cuál sería la disminución de emanaciones
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This document contains
the analysis to determine the feasibility of implementing solar water heaters
to obtain Sanitary Hot Water (SHW) in Ecuador, in the province of Azuay, in
the canton of Cuenca, in order to reduce environmental pollution caused by
the use of fossil fuels. The project considers the implementation of a meteorological
network and data collection of global solar radiation in 16 points located populated areas
of the Canton during the years 2014 and 2015, later through a field work a
diagnosis is made to establish which are the systems Currently used to obtain
SHW, the efficiencies of two types of solar vacuum tube heaters for SHW
production are also analyzed theoretically and practically; with the measured
radiation data, it is modeled applying the heat transfer equations and the
feasibility of implementation is established based on the measured solar energy;
Finally, a comparison is made to determine what would be the decrease of |
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1,* Unidad de posgrados de la Facultad de
Ingeniería Industrial, Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima – Perú.
Autor para correspondencia |
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Desde
la década de los 70 la preocupación por el medioambiente ha sido especialmente
intensa, generando una serie de actuaciones, conferencias y acuerdos internacionales
[1], entre sus puntos fundamentales está la disminución de la producción de El Ecuador es un país privilegiado en lo que al recurso solar se
refiere, por su ubicación geográfica ya que el ángulo de incidencia de la
radiación solar, es casi perpendicular a la superficie durante todo el año,
situación que no ocurre en otros sitios del planeta, en donde el ángulo varía
acorde a las estaciones del año. Esta ventaja posicional se traduce en la
recepción de una mayor y constante cantidad de radiación solar (Figura 1),
misma que varía dentro del territorio nacional únicamente por condiciones
geográficas locales. La condición antes manifestada no ha sido considerada para
aprovecharla en sistemas que favorezcan la disminución de emisiones de
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Para el proyecto presentado se requiere un cálculo del
porcentaje de
2.1. Análisis de la situación actual de consumo y demanda de ACS
en el Cantón Cuenca y determinación de porcentaje de |
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de Telecomunicaciones, Agua Potable,
Alcantarillado y Saneamiento Ambiental (ETAPA) y se completa el análisis con
una encuesta en donde se identifica el consumo y demanda de ACS, además, con
la misma se identifican los métodos que se utilizan para producir agua
caliente: calentadores a gas, calentadores eléctricos, calentadores solares,
otros. Finalmente, mediante un cálculo matemático se determinará el
porcentaje de contaminación con Para la aplicación de la encuesta se realiza la proyección de la población para el año 2016 empleando el método parabólico [5], basándose en la información de los censos de los años 1990, 2001 y 2010 [6] como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Proyección de número de habitantes del cantón Cuenca para el año 2016
La población en estudio está conformada por el número de hogares en el cantón Cuenca. Se estima que
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Para la recolección de datos se aplica el cuestionario de acuerdo con el análisis realizado en los párrafos anteriores; un grupo de encuestadores visitaron los hogares y solicitaron se complete el mismo. La cantidad de energía que se requiere para cubrir la demanda, considerando los valores promedio de consumo de ACS en ducha, lavamanos y en el fregadero de cocina determinados en la encuesta, se obtiene de la ecuación (2):
Donde: DACS= Demanda de ACS (J) VACS= Volumen de consumo de ACS ( ρa= Densidad del agua 1000 kg/m3 Cp= Calor específico del agua (4187 J/(kg·ºC)) Tuso= Temperatura de consumo (ºC) Tred= Temperatura de la red (ºC)
Para calcular las
emisiones de
2.2. Monitoreo, procesamiento y análisis de los datos de radiación solar para el cantón Cuenca
Para esta segunda fase del proyecto se trabaja en la selección y emplazamiento de las estaciones meteorológicas de acuerdo con las recomendaciones realizadas por la Organización Mundial de Meteorología (OMM). Se realiza un control de calidad de datos y los ajustes correspondientes para finalmente cuantificar la energía existente en cada uno de los sectores en donde se encuentran emplazadas las estaciones meteorológicas y que están asociados a las parroquias urbanas y rurales del cantón Cuenca.
2.2.1. Emplazamiento de estaciones meteorológicas en el cantón Cuenca
En el año 2013 la Universidad Politécnica Salesiana, UPS, y el Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables, INER instalaron una red de 16 estaciones meteorológicas repartidas en puntos estratégicos del cantón Cuenca con el propósito de medir variables meteorológicas y estos datos poderlos utilizar en proyectos para implantación de sistemas energéticos fundamentados en energías renovables [8]. Para la correcta definición geográfica de los sitios de emplazamiento de las estaciones se trabajaron en seis etapas las cuales se listan a continuación [9]. |
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Para el cálculo del área de incidencia (
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del tubo receptor hacia el tubo de cubierta y las pérdidas por radiación del tubo de cubierta
hacia el ambiente
Donde: Ar representa el área del tubo receptor. Ac es el área de la cubierta o tubo exterior. hw es el coeficiente de convección en función del viento
Para el cálculo del coeficiente de
convección se utilizará la ecuación (11):
Donde: Nu es el número de Nusselt. K es el coeficiente de conductividad térmica. D es el diámetro del tubo.
El coeficiente de
transferencia de calor
Donde: ε1 es la emisividad del tubo receptor. ε2 es la emisividad del tubo de cubierta. F12 es el factor de visión. Tc es la temperatura de la cubierta. Tr es la temperatura del receptor.
Para el cálculo de pérdidas en el tanque acumulador se realiza una analogía con redes de resistencias térmicas ya que el tanque está conformado por tres materiales como se muestra en la Figura 4. |
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Realizando la suma de la resistencia total del cilindro y la de las tapas se obtiene la resistencia total que reemplazando en la ecuación (14) permite calcular las pérdidas totales de conducción en el tanque (Qp−cond). Para las pérdidas por convección en el tanque se utiliza la ecuación (18).
Donde: h es el coeficiente de transferencia de calor por convección. At es el área transversal del tanque de almacenamiento. Tt es la temperatura en la superficie exterior del tanque. Ta es la temperatura ambiente.
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor por convección se utiliza la ecuación (19):
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Para el análisis se parte de los datos de radiación solar
medidos y se calcula en función de la radiación la energía que los dos tipos
de calentadores son capaces de aportar para obtener ACS, se compara con la
demanda energética determinada en el trabajo de campo, se calcula el
porcentaje de aporte que podrían generar estos sistemas y la disminución que
se podría dar en emanaciones de |
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Con el valor calculado de la demanda de energía mensual y anual requerida
para obtener ACS para una familia de 5 miembros se procede a calcular la producción
de |
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Tabla 5. Demanda de energía mensual
y anual para producir ACS en un hogar de 5 miembros en el cantón Cuenca y producción
de
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Considerando los datos anteriores y con 114 553 hogares formados
por 5 miembros se produciría un aporte a la contaminación de 245 338 160 kg
eq de |
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Con los valores establecidos se determina que con el calentador
solar de tubos de vacío existe una cobertura promedio con energía solar del
40,92 % y para el calentador de tubos de vacío con tubo de calor el 44,23 %,
esto implica una reducción promedio en el primer caso de 100 397,17 tn |
Figura
17. Disminución de emisiones de |
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Si se realiza la implementación de sistemas híbridos con
tecnología solar se obtiene una disminución de contaminación de |