Tesis
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TESIS
QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE:
MAESTRA EN INGENIERA
PRESENTA:
CLAUDIA ANGLICA FLORES BARRIOS
ER
1 . Suplente: Dr. lvarez Watkins Pablo
DO
2 . Suplente: Dra. Moreno Coronado Tanya
TUTOR DE TESIS:
--------------------------------------------------
FIRMA
Agradecimientos
JUSTIFICACIN ................................................................................................................................. 1
OBJETIVOS ........................................................................................................................................ 1
INTRODUCCIN ............................................................................................................................... 3
CAPITULO 1.
PANORAMA DEL CALENTAMIENTO SOLAR DE AGUA EN MXICO ................................................. 6
1.1 Energa solar ............................................................................................................................ 6
1.1.1 Aplicaciones de la energa solar trmica ....................................................................... 6
1.1.2 Calentamiento de agua a baja temperatura ............................................................... 7
1.1.3 Situacin actual del calentamiento solar de agua en Mxico .................................... 8
1.1.4 Programas y acciones para incentivar el uso de la energa solar en Mxico .......... 12
1.1.5 Normas aplicables en el calentamiento solar de agua .............................................. 15
1.2 Tecnologas para el calentamiento solar de agua ........................................................... 19
1.2.1 Colectores solares ........................................................................................................... 20
1.3 Uso actual del calentamiento solar de agua en Mxico ................................................. 28
1.3.1 Potencial de aprovechamiento .................................................................................... 30
CAPITULO 2.
DESCRIPCIN Y ANLISIS DEL CASO DE ESTUDIO ........................................................................ 33
2.1 Panorama nacional del gas l.p.. ......................................................................................... 33
2.2 Descripcin del caso de estudio ........................................................................................ 37
2.3 Consumo de gas l.p del restaurante. ................................................................................. 38
2.3.1 ndice de consumo de gas lp por comensal. ............................................................... 41
2.3.2 ndice de consumo de agua por comensal. ................................................................ 41
2.4 Sistema convencional de calentamiento de agua .......................................................... 43
2.4.1 Usos del agua caliente ................................................................................................... 44
2.5 Estimacin del volumen diario de agua caliente ............................................................. 45
2.6 Sistema actual de calentamiento solar de agua ............................................................. 47
2.6.2 Imgenes con cmara termogrfica ........................................................................... 50
2.7 Ahorro de combustible con la instalacin de calentamiento solar actual. ................... 54
CAPTULO 3.
MARCO TERICO PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO SOLAR
DE AGUA ........................................................................................................................................ 59
3.1 Metodologa de un proyecto de calentamiento solar de agua ..................................... 59
3.2 Dimensionamiento bsico de instalaciones solares trmicas a baja temperatura ....... 60
3.3 Aspectos tericos en el diseo de instalaciones solares trmicas .................................. 64
3.3.1 Orientacin e inclinacin de los colectores ................................................................. 64
3.3.2 Distancia entre filas de colectores ................................................................................ 64
3.3.3 Conexin entre colectores ............................................................................................. 67
3.3.4 Conexin en serie ............................................................................................................ 68
3.3.5 Conexin en paralelo ..................................................................................................... 69
3.3.6 Conexiones para banco de captadores ...................................................................... 69
3.3.7 Tanque de almacenamiento ......................................................................................... 73
3.3.8 Sistema de control .......................................................................................................... 74
3.4 Anlisis del diseo del sistema actual de calentamiento solar de agua........................ 75
CAPITULO 4
APLICACIN DEL MTODO DE DIMENSIONAMIENTO DE UNA INSTALACIN SOLAR TRMICA
AL CASO DE ESTUDIO .................................................................................................................. 78
4.1 Descripcin de las necesidades del lugar ......................................................................... 78
4.2 Consumo de agua caliente sanitaria (ACS) ...................................................................... 78
4.3 Clculo de la demanda energtica con la metodologa de la norma ambiental del
DF ................................................................................................................................................. 80
4.4. Metodologa descrita en el Cdigo Tcnico de Edificacin (CTE) ................................ 82
4.5 Cantidad de calor requerido .............................................................................................. 84
4.6 Contribucin solar ................................................................................................................ 85
4.7 Eficiencia de un colector solar plano ................................................................................. 86
4.8 Caractersticas del colector solar plano elegido .............................................................. 88
4.9 Radiacin solar diaria .......................................................................................................... 89
4.10 rea de captacin ............................................................................................................. 90
4.11 Anlisis de la contribucin solar de los tres criterios considerados ................................ 92
4.12 Yolumen del depsito ........................................................................................................ 97
4.13 Resumen de los criterios analizados ................................................................................. 97
4.14 Mtodo de la carta-f .......................................................................................................... 98
4.14.1 Clculo del parmetro Y .............................................................................................. 99
4.14.2 Clculo del parmetro X ............................................................................................ 101
4.14.3 Fraccin f ..................................................................................................................... 102
CAPTULO 5.
DISEO DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO SOLAR DE AGUA PROPUESTO ................................ 104
5.1 Orientacin e inclinacin de los colectores .................................................................... 104
5.2 Distancia entre filas de colectores ................................................................................... 104
5.3 Conexin del campo de colectores de la propuesta .................................................... 104
5.4 Distribucin de los colectores en la azotea ..................................................................... 104
5.5 Caudal del fluido de trabajo .......................................................................................... 108
5.6 Dimensionamiento de la tubera .................................................................................... 109
5.7 Tanque de almacenamiento .......................................................................................... 113
5.8 Evaluacin de ahorros de la propuesta ........................................................................... 114
5.9 Propuesta con colectores solares heat pipe ................................................................... 118
5.9.1 Caractersticas del colector solar elegido .................................................................. 119
5.9.2 rea de captacin con colectores heat pipe........................................................... 120
5.9.3 Contribucin solar ......................................................................................................... 121
5.9.4 Volumen del depsito de acumulacin ..................................................................... 122
5.9.5 Conexin entre colectores ........................................................................................... 124
5.9.6 Evaluacin de ahorros de la propuesta con colectores heat pipe ........................... 125
5.10 Comparacin entre el sistema actual y las propuestas presentadas. ........................ 128
CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 131
APNDICE 1 .................................................................................................................................. 134
APNDICE 2 .................................................................................................................................. 136
APNDICE 3 .................................................................................................................................. 139
APNDICE 4 .................................................................................................................................. 140
APENDICE 5 .................................................................................................................................. 142
APNDICE 6 .................................................................................................................................. 149
BIBLIOGRAFA .............................................................................................................................. 150
LISTA DE TABLAS
- Beneficios econmicos. Se aprovecha la energa gratuita del sol , que significa una
disminucin en los costos de combustibles para calentar agua.
OBJETIVOS
1
Caracterizar el sistema de calentamiento solar existente en el lugar.
Ms adelante se describe el panorama del uso del gas licuado de petrleo (gas LP) y
la evolucin histrica de los precios nacionales de este energtico. Posteriormente se
presenta la descripcin del caso de estudio que es un restaurante y el anlisis de la
informacin con la que se cuenta como los consumos de gas LP. Tambin se hace la
caracterizacin del sistema de calentamiento solar que actualmente opera en el
restaurante
Dado que no se conoce con exactitud el consumo de agua caliente del restaurante
se presentan varias propuestas con diferentes consumos de agua caliente estimados.
2
INTRODUCCIN
INTRODUCCIN
Con el pasar de los siglos, el hombre conoci otras formas de aprovechar la energa
que se encontraba disponible a su alrededor como la energa elica para el transporte
martimo o el aprovechamiento hidrulico en molinos.
3
INTRODUCCIN
Renovables
13.2%
Gas natural
21.3% Nucleoenerga
5.6%
Carbon y sus
derivados
Crudo 28.1%
31.8%
Fuente. Balance Nacional de Energa 2011 a su vez de Energy Balances of OCDE countries y Energy Balances of
Non-OCDE countries, AIE, edicin 2012.
Nota: Renovables incluye energa hidrulica, elica, solar, geotrmica, biomasa y desechos.
Factores estratgicos
4
INTRODUCCIN
Factores econmicos
Factores medioambientales
Limitaciones
Las energas renovables representan una opcin como fuente de energa para
muchas aplicaciones sin embargo tienen limitaciones como:
5
CAPTULO 1
Las aplicaciones de la energa solar trmica son diversas y se pueden dividir en tres
categoras en funcin de la temperatura que alcanza el fluido de trabajo, para cada
intervalo de temperatura hay diferentes sistemas de captacin:
- Baja temperatura. Aplicaciones para temperaturas que van desde unos grados
arriba de la temperatura ambiente a menos de 100C. En esta categora podemos
encontrar el calentamiento solar de agua sanitaria, el calentamiento de aire, la
calefaccin de recintos, la refrigeracin solar, el secado solar, la destilacin solar,
entre otros. Se usan los colectores de plstico, los planos y los de tubos.
- Media temperatura. El rango de temperatura va desde 100C hasta
aproximadamente 250C. Tenemos aplicaciones en procesos industriales como
lavado, pasteurizacin, precalentamiento de agua para calderas, coccin,
secado, destilacin, esterilizado, etc., y tecnologas de colectores concentradores
como los concentradores CPC y los concentradores de canal parablico. En esta
categora tambin se encuentran otros dispositivos concentradores como las
estufas solares para coccin de alimentos.
- Alta temperatura. La temperatura que alcanza el fluido de trabajo puede ser
superior a 300C. Ejemplos son las tecnologas de concentracin y seguimiento
como la de plato parablico y sistemas de torre central para la generacin de
energa elctrica principalmente.
6
CAPTULO 1
Calefaccin de recintos
En el sector agropecuario, los sistemas solares pueden precalentar agua caliente para
una variedad de procesos como el de escaldado en rastros de ganado, escaldado de
7
CAPTULO 1
Agropecuario
3%
Industrial
29%
Transporte
48%
Residencial,
comercial y
pblico
20%
8
CAPTULO 1
Figura 3. Consumo energtico del sector residencial, comercial y pblico y su participacin porcentual
dentro de su propio sector (2011).
RESIDENCIAL COMERCIAL
768.69 PJ (82.81%)
130.44 PJ (14.05%)
Gas LP 37.17%
Gas LP 47.34%
Lea 33.58%
Electricidad 40.53%
Electricidad 24.59%
Gas natural 7.39%
Gas natural 4.06%
Solar 0.44% Diesel 3.01%
Quer 0.17% Solar 1.72%
PUBLICO
29.12 PJ
(3.14%)
Electricidad 100%
Fuente. Elaboracin propia con informacin del Balance Nacional de Energa 2011 SENER
El sector residencial est compuesto de las viviendas en zonas rurales y urbanas del
pas donde el energtico de mayor consumo a nivel nacional es el gas LP, seguido de la
lea y en tercer puesto la electricidad como se aprecia en la Figura 3. En las viviendas
los usos principales de la energa son la coccin de alimentos, el calentamiento de
9
CAPTULO 1
Figura 4. Usos de la energa en la vivienda urbana per cpita en Mxico 1996(por usos finales).
10
CAPTULO 1
- El total del consumo de gas LP, gas natural, diesel y combustleo para la industria de
aguas envasadas;
- El total del consumo de gas LP y queroseno para el sector agrcola.
Figura 5. Consumo de energa estimado para el calentamiento de fluidos a baja temperatura en Mxico
(2001 a 2011).
Petajoules (PJ)
300
250
50
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Fuente. Elaboracin propia con datos del Balance Nacional de Energa 2011.
11
CAPTULO 1
- Al cierre del 2011 se haban instalado 1.19 millones de metros cuadrados, se e stima
aproximadamente que 81% fueron instalados en construcciones nuevas y 19% en
construcciones ya existentes.
- El Dictamen Tcnico de Energa Solar Trmica en Vivienda.
- Apoyo en la creacin del programa "Hipoteca Verde
- Desarrollo y publicacin de la "Norma Tcnica de Competencia Laboral para
Instalacin del Sistema de Calentamiento Solar de Agua".
- Contribuyo en la Norma NMX-ES-003-NORMEX-2007 sobre requerimientos mnimos para
la instalacin de sistemas solares trmicos para calentamiento de agua.
12
CAPTULO 1
Desde 2004, personas morales y personas fsicas con actividad empresarial pueden
deducir el 100% en el primer ao de la inversin en maquinaria y equipo para generar
energa de fuentes renovables (Ley del Impuesto Sobre la Renta, artculo 40 fraccin XII).
Este beneficio fiscal pretende estimular al sector y como condicin, el equipo debe
mantenerse en operacin durante 5 aos.
Programa HIPOTECA VERDE del Instituto del Fondo Nacional de la Vivienda para los
Trabajadores (INFONAVIT)
13
CAPTULO 1
Este programa sirvi como referencia para que algunos municipios dieran crditos y
apoyos para la adquisicin de un calentador solar.
14
CAPTULO 1
- NMX-ES-001-NORMEX-2005
Rendimiento Trmico y Funcionalidad de Colectores Solares para Calentamiento de Agua.
Mtodos de prueba y etiquetado.
15
CAPTULO 1
Esta norma tiene como objetivo establecer los mtodos de prueba para determinar el
rendimiento trmico y las caractersticas de funcionalidad de los colectores solares que
utilizan como fluido de trabajo agua, comercializados en Mxico. Aplica a los colectores
que proporcionen nicamente agua caliente en fase lquida.
- NMX-ES-002-NORMEX-2007
Definiciones y terminologa
Con fecha de inicio de vigencia el 22 de junio de 2007, esta norma fue elaborada por
el Subcomit de Terminologa, dependiente del Comit Tcnico de Normalizacin
Nacional para Energa Solar, el NESO-13, coordinado por NORMEX y con la colaboracin
de instituciones diversas como PROCOBRE, ANES, CONUEE, CIE -UNAM (hoy Instituto de
Energas Renovables, IER), el CONCYTEG adems de diversas empresas participantes.
- NMX-ES-003-NORMEX-2007
Requerimientos mnimos para la instalacin de sistemas solares trmicos, para
calentamiento de agua.
Con fecha de inicio de vigencia a partir del 22 de septiembre de 2008, esta norma
tiene como objetivo fijar las condiciones tcnicas mnimas que deben cumplir las
instalaciones de sistemas para calentamiento solar de agua, especificando los requisitos
de durabilidad, confiabilidad y seguridad.
- NMX-ES-004-NORMEX-2010
Evaluacin trmica de sistemas solares para calentamiento de agua Mtodo de ensayo
Esta norma entr en vigor el 11 de Junio de 2010, fue elaborada por el Subcomit de
Evaluacin Energtica; del Comit Tcnico de Normalizacin Nacional para Energa
Solar, NESO-13, coordinado por NORMEX.
16
CAPTULO 1
domstico hasta una capacidad mxima de 500 litros y hasta una temperatura mxima
de 90 C como dominio de temperaturas de agua caliente.
La norma aplica a los sistemas solares domsticos para el calentamiento de agua que
funcionan mediante:
a) Circulacin natural o termosifnicos; y
b) Circulacin forzada.
Esta prueba no puede ser aplicada a los siguientes sistemas solares domsticos para el
calentamiento de agua:
a) Colectores solares con sistemas de seguimiento,
b) Sistemas que contengan ms de un tanque trmico de almacenamiento.
LABORATORIOS DE PRUEBAS
17
CAPTULO 1
- MEXOLAB
18
CAPTULO 1
(1) Un sistema de captacin formado por los colectores solares que son los encargados
de captar la radiacin del sol y transformarla en calor til.
(2) Un sistema de almacenamiento, constituido por uno o varios depsitos que
almacenan el agua caliente hasta su uso. El agua se encarga de almacenar energa
trmica en forma de calor sensible,
(3) Un sistema de intercambio, cuando se tiene dos circuitos de fluidos independientes,
el circuito de calentamiento solar y el agua de las aplicaciones entonces intercambian
calor por medio de un intercambiador.
(4) Un circuito hidrulico compuesto de tuberas, vlvulas, accesorios y bombas.
(5) Un sistema de control, necesario en instalaciones que requieran controlar
automticamente vlvulas y/o bombas, generalmente sistemas grandes.
Los sistemas pueden ser de uso domstico o de gran tamao para grandes volmenes
de abastecimiento de agua caliente. Dependiendo el tipo y tamao del sistema, puede
que no sean necesarios todos los elementos enumerados arriba, por ejemplo pueden
carecer de sistema de intercambio o de control.
De acuerdo al tipo de circulacin del agua entre el colector y el tanque se tienen dos
sistemas de calentamiento solar de agua:
Forzada son los que utilizan una bomba para el circulamiento del fluido desde los
colectores hacia el tanque y viceversa. En estos sistemas el tanque no necesita
estar en la parte superior del colector, puede ubicarse en algn otro lugar. La
bomba es controlada por un sistema de control automtico.
19
CAPTULO 1
Circuito directo, el fluido que circula por los colectores es el que se dirige hacia los
servicios.
Son colectores fabricados de plstico especial que no tienen cubierta. Algunas de sus
ventajas es que son muy ligeros y son fabricados en mdulos individuales por lo que se
pueden adaptar a las necesidades particulares de cada caso adems de que son ms
econmicos en comparacin con otras tecnologas. Tienen altas eficiencias a bajas
temperaturas que disminuye considerablemente para temperaturas del fluido mayores a
40C. Su uso principal es para el calentamiento solar de agua para albercas.
Los colectores plsticos deben ser de un material con proteccin UV para una mayor
durabilidad por estar expuesto directamente a la radiacin solar.
20
CAPTULO 1
Placa absorbedora: Esta es una placa metlica formada por aletas tpicamente de
cobre unidas a tubos de cobre.
21
CAPTULO 1
La placa absorbedora generalmente es de cobre al igual que los tubos por ser buenos
conductores del calor y resistentes. En general, las placas absorbedoras pueden estar
formadas por tubos con aletas individuales (las aletas se utilizan porque aumentan el
rea de captacin) o bien utilizando una sola placa a la cual se le integran los tubos. En
ocasiones las aletas son de aluminio. Sobre la disposicin de los tubos, sta puede ser en
forma de parrilla o de serpentn.
Un tubo se forma de dos tubos de vidrio transparente concntricos, uno dentro del
otro y unidos por el extremo abierto o boca del tubo. Figura 8a. Al espacio entre ambos
tubos se le extrae el aire para hacer vaco a fin de que reducir al mnimo las prdidas de
calor.
Se dice que son tubos sencillos o de flujo directo porque en su interior circula agua.
Dependiendo la aplicacin y tamao del sistema, la boca de los tubos se inserta
directamente en el tanque de almacenamiento (Figura 9) o bien en un cabezal para la
circulacin del agua (Figura 10). Estos calentadores solares estn diseados para
22
CAPTULO 1
Figura 8. Partes principales de un tubo al vaco. En la Figura8a se observa la parte superior del tubo y
en la Figura 8b, la parte inferior.
a) b)
1. Tubo interior.
2. Superficie absorbedora.
3. Espacio entre los tubos al vaco.
4. Tubo exterior.
5. Sujetador
Ya sea que los tubos estn insertados dentro de un tanque o en un cabezal, tienen
una inclinacin especfica dada por la estructura de soporte donde se coloquen.
En el fondo del tubo existe una zona de fluido estancado a temperatura de ebullicin
que impide que el fluido entrante llegue hasta el fondo, entonces el agua fra solo
recorre una porcin del tubo e intercambia calor con el agua en ebullicin . Al paso de
los aos, es necesario sacar los tubos del tanque y lavarlos por dentro para eliminar los
sedimentos que se acumularon en el fondo ya que reducen el rea de transferencia de
calor.
23
CAPTULO 1
Figura 10. Calentador solar de al vaco. Sistema con cabezal para grandes proyectos de abastecimiento
de agua. El tanque de almacenamiento se encuentra aparte del campo de colectores.
24
CAPTULO 1
Figura 11. Detalle de los tubos heat pipe. El de la izquierda est abierto para mostrar las partes que se
alojan en su interior.
La varilla de cobre est hueca y sellada, en su interior contiene un lquido con bajo
punto de ebullicin que se evapora al calentarse por efecto de la radiacin solar. El
vapor sube por conveccin natural hasta la punta (zona de condensacin) donde cede
calor al agua (calor latente) que circula a su alrededor y cuando el vapor se enfr a, ste
se condensa y desciende de nuevo en forma lquida para empezar de nuevo el ciclo.
25
CAPTULO 1
Figura 12. Diagrama de los tubos heat pipe cuando estn dentro de un tanque trmico.
26
CAPTULO 1
Cuando las aplicaciones son para temperaturas mayores los colectores de tubos tienen
mejor desempeo.
Cada tipo colector tiene sus desventajas y ventajas y con base en las necesidades
particulares de cada proyecto se escoger el ms adecuado para cada caso.
27
CAPTULO 1
La Asociacin Nacional de Energa Solar (ANES) es una asociacin sin fines de lucro
que tiene como finalidad la promocin de la energa solar. Entre sus tarea recaba
informacin de las ventas y proyectos de los principales fabricantes y distribuidores de
calentadores solares en Mxico.
La Tabla 1 presenta datos reportados por ANES que muestran la capacidad total
instalada en metros cuadrados de calentadores solares del ao 2001 al 2012.
28
CAPTULO 1
hipotecarios y que ha tenido una recuperacin paulatina sin llegar a los niveles
anteriores a la crisis.
Figura 15. Miles de metros cuadrados de calentadores solares instalados en Mxico desde 2001 a
2012.
2,500
2,000
miles de metros cuadrados
acumulado
1,500
1,000
500
instalados en el ao
Tabla 2. Superficie instalada de calentadores solares y su participacin porcentual por sector en Mxico
para 2006, 2008 y 2010.
29
CAPTULO 1
Figura 16. Superficie instalada en miles de metros cuadrados de calentadores solares por tipo de
aplicacin para 2006, 2008 y 2010 en Mxico.
300
250
miles de metros cuadrados
Hoteles, hospitales,
clubes y otros
200
Proceso industrial
150 Vivienda
100 Albercas
50
0
2004 2006 2008 2010
Fuente. Elaboracin propia con datos del PROCALSOL y de la Prospectiva de energas renovables 2012-2026
SENER.
30
CAPTULO 1
- Escenario de planeacin. Representa la base del anlisis con una tasa media de
crecimiento anual de la economa de 3.6% partiendo del desarrollo histrico del
mercado de calentadores solares de agua.
- Escenario alto y bajo. Se estiman con base en una tasa media de crecimiento anual
de la economa de 4.3% y 2.9% respectivamente, con siderando una correlacin directa
entre el escenario macroeconmico y la variacin del mercado de calentadores solares
de agua.
Los escenarios descritos permiten vislumbrar el rumbo que podra seguir el desarrollo
del calentamiento solar de agua en nuestro pas bajo las condiciones econmicas
propuestas. Los tres escenarios se encuentran graficados en la Figura 17. Como se puede
apreciar en la grafica, hasta el 2017 los tres escenarios son prcticamente iguales con
una baja penetracin de la tecnologa. Despus de ese ao, con un mercado mucho
ms maduro, se prev una aceleracin del crecimiento, alcanzando en 2027 una
instalacin de 2.6 millones de metros cuadrados anuales de calentadores solares de
agua en el escenario de planeacin mientras que para el escenario alto y bajo de 2.95 y
2.41 millones de metros cuadrados anuales de calentadores solares de agua
respectivamente frente a 0.31 millones de metros cuadros que se estiman en 2013.
Figura 17. Estimacin de la instalacin anual de calentadores solares de agua en millones de metros
cuadrados para 2013-2027 para los escenarios de Planeacin, Alto y Bajo.
31
CAPTULO 1
Bajo los mismos escenarios, en la Figura 18 se presenta el rea acumulada, para 2027
de acuerdo con el escenario de Planeacin la capacidad total instalada alcanzar
cerca de 19 millones de metros cuadrados, considerando que el 2013 inicia con un
estimado de 2.5 millones de metros cuadrados Los escenarios Alto y Bajo, tienen para
2027, 20 millones de metros cuadrados y 18.2 metros cuadrados, respectivamente.
Figura 18. Evolucin de la capacidad acumulada de calentamientos solar de agua 2013-2027 en Mxico
(millones de m2 de calentadores solares de agua).
32
CAPTULO 2
Oferta de gas LP
El gas LP que se distribuye en Mxico est compuesto por una mezcla aproximada de
60% propano y 40% butano. Actualmente su oferta proviene de la produccin nacional
por parte de varias subsidiarias de PEMEX (PEMEX Refinacin, PEMEX Exploracin y
Produccin, PEMEX Gas y Petroqumica bsica) y de las importaciones que en su mayora
provienen de Estados Unidos. En la Tabla 3 se muestra la oferta nacional de gas LP en
Mxico de 2000 al 2013.
Tabla 3. Oferta nacional de gas LP en Mxico de 2000 a 2013 en miles de barriles diarios.
Origen 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Produccin 228.51 233.30 236.08 246.36 254.11 247.00 241.07 225.76 208.79 208.66 211.57 209.26 204.14 188.46
en PR 24.87 27.76 31.33 33.79 28.02 30.63 25.41 26.64 25.89 27.09 25.52 21.44 25.21 22.91
en PGPB 203.64 205.54 204.75 212.08 224.93 215.39 215.32 198.88 182.35 180.55 184.18 185.42 176.04 162.50
en PEP 0.00 0.00 0.00 0.48 1.16 0.97 0.34 0.24 0.55 1.02 1.87 2.40 2.89 3.06
Importacion 120.69 99.81 101.55 85.34 84.63 72.93 75.62 82.89 88.72 80.04 79.03 82.40 85.62 68.39
TOTAL 349.20 333.11 337.63 331.69 338.74 319.93 316.69 308.65 297.51 288.71 290.60 291.65 289.76 256.86
Fuente: Elaboracin propia con informacin del SIE, Sistema de Informacin Energtica SENER
Como se puede observar en la Tabla 3, en 2013 la oferta de gas LP fue de 256.86 miles
de barriles diarios (mbd) de los cuales 188.46mdb, es decir el 73% correspondieron a la
produccin nacional y 68.39mbd, es decir el 27% a las importaciones.
La oferta de gas LP ha disminuido (en parte por el aumento en el uso del gas natural),
mientras que en 2000 era de 349.20mbd en 2013 fue de 256.86mbd, lo que equivale a
una disminucin de 2.3% promedio anual en dicho periodo, respecto a la produccin
nacional pas de 228.51mbd en 2000 a 188.46mbd en 2013 y las importaciones de
120.69mbd en 2000 a 68.39mbd en 2013.
33
CAPTULO 2
Ventas de gas LP
A nivel mundial, en 2010 Mxico ocup el segundo lugar en el consumo per cpita de
gas LP, al ubicarse aproximadamente en 65 kg por habitante . Mxico ocup el quinto
lugar mundial en trminos de consumo domstico y el primero de Latinoamrica.
Tabla 4. Ventas por sector de gas LP en Mxico de 2000 a 2011 en miles de barriles diarios.
Sector 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Residencial 214.2 209.3 209.2 208.2 210.1 200.1 198.1 196.0 191.5 183.5 188.3 186.2
Servicios 46.3 45.7 48.2 45.8 44.4 44.1 45.8 42.5 39.9 39.6 40.5 40.2
Industrial 1 31.1 28.8 29.5 27.5 28.3 28.3 29.8 29.1 27.8 27.4 28.9 27.1
Autotransporte 33.1 35.4 39.4 40.2 39.8 35.4 28.1 30.5 28.3 26.8 26.6 27.9
Agropecuario 5.5 6.1 6.3 5.7 5.5 6.2 4.2 3.3 4.6 4.4 4.4 4.3
TOTAL 330.3 325.3 332.6 327.5 328.2 314.1 306.0 301.3 292.1 281.8 288.8 285.8
1
Incluye ventas de butano, isobutano y propano como materia prima en la regin Centro.
Fuente: Prospectiva del Mercado de Gas Licuado de Petrleo 2012-2026, con datos de IMP, con base en
PEMEX y SENER.
34
CAPTULO 2
Con respecto a la demanda interna durante 2011 fue de 285.8 mbd, 1% menor con
respecto a 2010. Diversos factores han ocasionado que la demanda de gas LP se
mantenga estable aunque con ligeras disminuciones al paso de los aos, uno muy
importante ha sido la mejora en la eficiencia de los calentadores de agua y otros como
la preferencia por el uso del horno de microondas, la mejora de estufas y la introduccin
de calentadores solares que ha venido ocurriendo en los ltimos aos. Tambin ha
contribuido un incremento en el consumo del gas natural, principalmente en la regin
Noreste debido a la disponibilidad de infraestructura. Vase Figura 19.
Figura 19. Estimacin del ahorro de gas LP en el consumo residencial por mejoras tcnicas y cambio en
los patrones de consumo, 2002-2012 (Miles de barriles diarios).
En cuanto a los precios de gas LP, el pas se divide en regiones y a cada una se les
asigna un precio. En el caso de los precios al pblico se encarga la Secretara de
35
CAPTULO 2
Figura 20. Precio promedio nacional del gas LP en pesos por kilogramos (precios antes de IVA) para el
periodo de marzo de 2001 a marzo de 2014.
11
10
9
( $/kg de gas)
36
CAPTULO 2
Las coordenadas del establecimiento son 1921 latitud Norte, 9909 longitud con una
altitud de 2261 msnm. La delegacin Benito Jurez se asienta sobre terreno plano, el
clima de la zona es templado sub-hmedo con lluvias en verano de menor humedad y
de humedad media con un rango de temperatura de 12 a 18C.
En cuanto al restaurante cuenta con planta baja, planta alta, azotea y stano, el
rea total construida son 2,517.88m 2 . Las reas del restaurante se distribuyen de la
siguiente forma:
Los metros cuadrados disponibles en azotea y aptos (es decir sin sombras ni
obstculos) son aproximadamente 300m 2 .
37
CAPTULO 2
Figura 21. reas que conforman la cocina, que se ubica en la planta baja.
38
CAPTULO 2
39
CAPTULO 2
Figura 23. En la grafica se puede apreciar que en los meses de noviembre y/o diciembre
se presenta un consumo mayor que en el resto del ao.
Figura 23. Consumo promedio mensual de gas LP histrico de noviembre de 2010 a junio de 2013.
12,000
10,000
8,000
LITROS
6,000
4,000
2,000
0
f eb-11
f eb-12
f eb-13
dic-11
dic-12
dic-10
nov-10
sep-11
nov-11
sep-12
nov-12
oct-11
oct-12
ago-11
ago-12
mar-11
mar-12
mar-13
may-13
abr-11
may-11
abr-12
may-12
jul-11
jul-12
abr-13
jun-11
jun-12
jun-13
ene-11
ene-12
ene-13
Tabla 5. Valores promedio, mximos y mnimos del consumo de gas de noviembre de 2010 a mayo de
2013.
Consumo
Valor promedio lts/cliente MJ/cliente Lts/mes
(lts/dia)
Promedio 307.0 0.358 9.5 9,341.7
Mximo 398.6 0.487 13.0 12,151.1
Mnimo 249.0 0.290 7.7 7,470.9
40
CAPTULO 2
Figura 24. Litros promedio de gas LP por comensal de noviembre de 2010 a mayo de 2013.
0.60
0.50
0.40
Litros/comensal
0.30
0.20
0.10
0.00
jul-11
jul-12
may-12
may-11
may-13
mar-11
mar-12
mar-13
nov-11
sep-12
nov-12
nov-10
sep-11
ene-11
ene-12
ene-13
41
m3
10
15
20
25
30
0
5
1,000
100
200
400
500
600
700
800
900
300
0
oct-10 oct-10
dic-10 dic-10
litros/comensal-da
f eb-11 feb-11
abr-11 abr-11
jun-11 jun-11
ago-11 ago-11
oct-11 oct-11
dic-11 dic-11
f eb-12 feb-12
abr-12 abr-12
jun-12 jun-12
ago-12
ago-12
oct-12
oct-12
dic-12
dic-12
f eb-13
feb-13
abr-13
abr-13
jun-13
jun-13
3
ago-13
Figura 25. Consumo mensual total de agua potable del restaurante (m ).
ago-13
oct-13
oct-13
dic-13
Figura 26. ndice del consumo total de agua potable por comensal, valor promedio mensual.
dic-13
CAPTULO 2
42
CAPTULO 2
Figura 28. Calentador a gas LP marca comercial MASSTERCAL similar al que tienen en el restaurante.
Nota: Las kilocaloras por hora disminuyen un 4% por cada 300 metros de altura sobre el nivel del mar.
Fuente. Imagen de la izquierda de http://www.indmass.com.mx/productos
43
CAPTULO 2
- Cocina: Lavado de loza, ollas y dems trastes, bao mara y lavamanos como uso
principal.
- Regaderas: para empleados, en menor proporcin.
- Prelavado manual. Se retiran restos de comida y basura que haya en platos y vasos y
posteriormente se enjabonan y enjuagan con agua fra o tibia.
- Lavado con mquina. Se ocupa una maquina lavadora de loza marca FERCO que
utiliza productos sanitizantes que requieren que la temperatura del agua sea de
65C para la primera etapa de lavado y de 75C en una segunda etapa. El agua
que viene calentador se encuentra a 60C y para conseguir la temperatura
deseada, la lavadora de loza cuenta con su propio quemador para que el agua
alcance la temperatura requerida en cada etapa, de 65 y 75C respectivamente.
Lavado de ollas
Regaderas
44
CAPTULO 2
1) Medicin emprica del gasto volumtrico de las regaderas y llaves de los muebles del
establecimiento con un recipiente de volumen conocido y cronmetro. Una vez
conocido el gasto volumtrico se multiplica por el tiempo de uso tomando en cuenta su
frecuencia de uso y un factor de coincidencia entre equipos. Se debe considerar la
capacidad de los equipos y si cuentan con ficha tcnica que indique su consumo
promedio de agua.
Donde:
45
CAPTULO 2
Tabla 6. Valores promedio obtenidos como porcentaje de agua caliente del total del volumen y su
respectivo porcentaje de gas. LP.
% de agua
% gas LP
caliente
30.0 17.0
35.0 19.8
40.0 22.7
45.0 25.5
50.0 28.3
54.2 30.0
55.0 31.1
61.4 34.0
46
CAPTULO 2
47
CAPTULO 2
Figura 31. Imgenes del campo de colectores. Vista lateral de la primera fila.
48
CAPTULO 2
49
CAPTULO 2
50
CAPTULO 2
Figura 34. Conexin del campo de colectores y ubicacin y lectura de las temperaturas medidas con el
termopar.
51
CAPTULO 2
Figura 35. Imgenes termograficas de las fila 2, 3 y 4, las tres imgenes de la fila superior
corresponden a temperaturas fila 2, f21, f22 y f23, el siguiente rengln muestra temperaturas fila 3,
posiciones f31, f32 y f33 por ltimo la temperaturas de la fila 4 posiciones f41, f42 y f43.
52
CAPTULO 2
53
CAPTULO 2
La Figura 38 es la grafica del ndice del consumo total de gas LP por cliente. En la
seccin 2.2.2 ya se haba presentado este ndice, la diferencia es que ahora se grafican
los datos antes del sistema de calentamiento solar actual y los datos despus de la
puesta en marcha de este sistema (se tiene informacin hasta febrero de 2014).
Podemos observar que ha habido un decremento en el consumo global de gas LP por
cliente.
0.50
0.40
litros/cliente
0.20
0.10
0.00
oct-10 may-11 dic-11 jun-12 ene-13 jul-13 feb-14
54
CAPTULO 2
Tabla 7. Consumos de gas LP considerando que del agua potable un cierto porcentaje es agua
caliente.
% de agua
% gas LP
caliente
30.0 17.0
35.0 19.8
40.0 22.7
45.0 25.5
50.0 28.3
54.2 30.0
55.0 31.1
61.4 34.0
25
20
15
10
0
oct-10
oct-11
oct-12
oct-13
ago-11
ago-12
ago-13
f eb-11
f eb-12
f eb-13
f eb-14
dic-10
dic-11
dic-12
dic-13
abr-11
abr-12
abr-13
jun-11
jun-12
jun-13
55
CAPTULO 2
En las Tablas 8 y 9 se indica el valor promedio, mximo y mnimo de varios ndices (se
resaltaron con caf los que se usan para estimar el ahorro de gas LP) , antes del sistema
de calentamiento solar de agua y despus de su implementacin.
Tabla 8. Valores promedio de algunos ndices antes de la instalacin del sistema de CSA.
VALORES PROMEDIO
Periodo de noviembre de 2010 a mayo de 2013.
Tabla 9. Valores promedio de algunos ndices despus de la instalacin del sistema de CSA y variacin.
2) Como los ndices fueron calculados con el total de gas LP y con los litros totales de
agua potable, la disminucin que presentan podra ser por otras causas y no
deberse exclusivamente al sistema de calentamiento solar de agua. Algunas de las
causas podran ser:
No fue posible confirmar alguna de las opciones con el personal del restaurante por lo
que queda indeterminada la o las causas reales de la disminucin de los ndices.
56
CAPTULO 2
3) Suponiendo que el ahorro de gas LP sea del 18.10% debido al sistema de CSA, este
equivaldra a un consumo de gas LP de 1,690.85 litros al mes que corresponderan a
un consumo de agua caliente a 60C de 200,000 litros al me s, es decir 32.3% del total
del agua potable. El clculo se realiza con la ecuacin 2.2 que se vuelve a presentar
a continuacin.
donde:
Por ejemplo, si el consumo de agua caliente fuera del 50% del total mensual, de
acuerdo a la Tabla 10, el consumo de gas para calentar agua sera del 28.32% del total
57
CAPTULO 2
mensual y si fijamos la temperatura del agua en 40C y el aporte solar en 55% , el ahorro
en gas sera del 15.6% respecto al total.
Tabla 10. Ahorro de gas LP y valores asociados cosiderando fijo el porcentaje de agua y la temperatura
que alcanza el agua almacenada en el termotanque solar.
% gas LP
% agua % gas LP para
T(C) del CSA % aporte solar ahorrado con
caliente calentar agua
CSA
50 28.32 40 55 15.60
50 28.32 45 66 18.78
58
CAPTULO 3
En este captulo se presentar informacin que nos ayude a conocer como calcular el
nmero de colectores solares para satisfacer las necesidades de agua caliente de un
establecimiento y la aplicaremos al caso de estudio para despus realizar una
comparacin entre el nmero de colectores obtenido y el que ya se encuentra en el
lugar.
1) Trabajo de campo
1.3) Identificar los usos del agua caliente, entrevista con el personal del lugar para
conocer horarios y hbitos as como las expectativas del interesado en cuanto a
nivel de comodidad y economa del proyecto. Por medio de cuestionarios se
pueden clarificar las aplicaciones ejemplo si es para regaderas, cuantas personas
se duchan por da, el perfil de uso (si es en la maana, en la tarde, o al trmino
de un turno, etc.). Si es para una lavandera, cuantos kilos de ropa se lavan por
da, etc.
1.4) Medicin o toma de datos de parmetros tales como flujos de agua caliente
general y por equipo, la temperatura requerida. Se sugiere como periodo mnimo
de medicin una semana tpica completa.
59
CAPTULO 3
2) Trabajo de gabinete
1.5) Anlisis de los consumos del combustible que se usa para calentar agua .
1.6) Diseo y dimensionamiento del sistema de calentamiento solar de agua.
1.7) Realizacin del proyecto o memoria.
Una vez que se realiz el trabajo de campo, los pasos para el dimensionamiento de
una instalacin solar trmica se muestran de forma esquemtica en la Figura 40. A
continuacin se describen brevemente:
Figura 40. Consideraciones bsicas para el diseo de un sistema de calentamiento solar de agua.
60
CAPTULO 3
Temperatura requerida.
Presin de operacin.
Presin media. Comprende el intervalo de 1-3 kgf/cm 2 que puede ser proporcionado por
una bomba presurizadora o recirculadora o un sistema hidroneumtico. Se presenta en
una gran variedad de aplicaciones como son fosas de clavados, albercas medianas y
grandes, regaderas de uso domstico y en centros deportivos, uso sanitario para
procesos industriales medianos, entre otros.
El consumo de agua caliente es uno de los factores que ms influyen para el correcto
dimensionamiento de una instalacin. En muchas ocasiones, es el factor menos
conocido y es variable dependiendo el lugar de uso por el cambio de comportamiento
de los usuarios. Por ejemplo, no es el mismo consumo unitario para ducha en casa
habitacin que en un hotel, en un hospital o en un gimnasio.
61
CAPTULO 3
- Puntual. Sucede cuando la mayor parte del volumen se consume en un perodo corto y
especfico del da.
- Continuo. Sucede cuando el volumen del agua caliente se utiliza de forma constante o
aleatoria a lo largo del da.
B) SELECCIN DE TECNOLOGAS
Los datos de radiacin solar se pueden conocer ya sea por medio de clculos con
modelos matemticos, consultando datos medidos que publican centros de
investigacin como el Instituto de Geofsica de la UNAM, el Servicio Meteorolgico
Nacional o el sitio especializado de la NASA o a travs de software comercial. Lo ms
comn es emplear valores diarios representativos (medios) de cada mes. Segn el
mtodo de clculo a emplear puede ser necesario utilizar valores menos agregados
(valores diarios e incluso horarios).
Normalmente los datos reportados en diversos sitios web son para una superficie
horizontal y los colectores estn inclinados a cierto ngulo por lo que ese v alor debe
corregirse para el ngulo al cual este colocado el colector.
62
CAPTULO 3
D) MTODOS DE DIMENSIONAMIENTO
Demanda energtica
A partir de los datos de consumo de agua caliente obtenidos por mediciones (para
establecimientos existentes) o previstos en el proyecto (en construcciones nuevas), de la
temperatura requerida del agua caliente y de la temperatura inicial del agua de la red,
se calcula la cantidad de calor que se tiene que suministrar.
En este trabajo dimensionaremos una instalacin trmica con un mtodo muy comn
que consiste en calcular la cantidad de calor requerida para calentar un volumen de
agua determinado y en base a ella, obtener el nmero de colectores necesarios que la
satisfagan.
D) AHORROS
63
CAPTULO 3
64
CAPTULO 3
Para los equipos instalados en el hemisferio norte que se utilizan todo el ao, el da
ms desfavorable es el 21 de diciembre (solsticio de invierno, las sombras son ms largas
ya que es el da ms corto del ao y cuando el sol est ms bajo sobre el horizonte), ya
que en ese da la altura solar es mnima. En la Figura 42 se definen algunos ngulos
solares, entre ellos la altura solar. Para el 21 de diciembre, la altura solar mnima al
medioda solar se calcula mediante la siguiente expresin:
NOTA: En este sistema el origen est situado en la posicin del observador. El plano fundamental es el
horizontal, tangente a la superficie terrestre.
Fuente. Tomado de http://www.ujaen.es/
La frmula para calcular la distancia mnima entre filas, d2, Figura 52, se define por:
65
CAPTULO 3
B sen (3.3)
d2
tan min
2.18sen(20)
d2 0.7063m
tan (46.55)
66
CAPTULO 3
d h / tan(61 latitud)
(3.4)
Generalmente se considera que todos los colectores que componen un campo tienen
la misma eficiencia pero esto depende de que haya un flujo uniforme por cada uno de
ellos, que est directamente relacionado en cmo estn conectados.
67
CAPTULO 3
En la conexin en serie, el caudal total es igual al caudal que pasa por cada
colector; se alcanza una temperatura final ms elevada que la conexin en paralelo,
pero con un menor rendimiento en los colectores, especialmente en aquellos situados
cerca de la salida ya que al entrar el fluido a una temperatura cada vez ms alta, el
efecto de calentamiento conseguido es menor como se aprecia en la Figura 46.
Teniendo en cuenta que los ltimos colectores de una conexin en serie pueden tener
bajas eficiencias y en consecuencia desaprovecharse, el nmero ptimo de colectores
que se pueden conectar en serie est determinado por cada fabricante.
68
CAPTULO 3
El CTE indica que para una instalacin solar exclusivamente para ACS se pueden
conectar en serie hasta 10m 2 para zonas climticas en Espaa con radiacin solar
promedio de hasta 4.2kWh/m 2 , hasta 8m 2 para zonas con radiacin solar promedio de
4.2 a 4.6kWh/m 2 y de hasta 6m 2 para zonas con radiacin mayor a 4.6kWh/m 2 .
Los colectores con 2 entradas y 2 salidas en los lados se pueden conectar entre s sin
tuberas de distribucin externa (llamada tambin conexin en cascada) tienen la
ventajas de reducir costos relativos a la tubera. No obstante, este conexionado es
apropiado solo para un nmero limitado de captadores, aproximadamente de cinco a
seis por batera. Ver Figura 45 centro. Si los colectores se conectan en paralelo por
medio de tubera exterior se conoce como paralelo real o verdadero, Figura 45 extremo
derecho.
Garg H.P. cita un estudio experimental realizado por Dunkle y Dave que consisti en
conectar de diferentes modos 12 colectores con absorbedores de superficie sel ectiva y
69
CAPTULO 3
Segn el CTE, la conexin entre captadores y entre filas se realizar de manera que el
circuito resulte equilibrado hidrulicamente recomendndose el retorno inve rtido frente
a la instalacin de vlvulas de equilibrado.
70
CAPTULO 3
Otro tipo de arreglo es la conexin mixta, colectores conectados entre s en serie y las
bateras en paralelo o colectores conectados en paralelo con conexin en serie de
bateras. Ver Figura 47 (izq.).
Figura 47. Opciones de conexionado entre bancos de colectores: mixto (izq.) y en paralelo con retorno
invertido (der.)
Figura 48. Conexin mixta, paralelo entre colectores y cada banco en serie.
71
CAPTULO 3
Figura 49. Tipos de vlvulas, izquierda a derecha, vlvula eliminadora de aire, de esfera y dos tipos de
vlvula check.
72
CAPTULO 3
73
CAPTULO 3
74
CAPTULO 3
3.4 ANLISIS DEL DISEO DEL SISTEMA ACTUAL DE CALENTAMIENTO SOLAR DE AGUA.
Los colectores son equipos importados y segn la ficha tcnica cuentan con diversas
certificaciones de calidad de otros pases donde se han comercializado. No se encontr
que tengan certificacin mexicana de la norma voluntaria NMX -004-ES-NORMEX-2005.
Por la investigacin realizada para este trabajo, en la instalacin actual se pueden
encontrar aspectos positivos y otros que requieren de mejoras.
Aspectos positivos
- Tipo de conexin entre colectores. Los colectores estn conectados en serie paralelo.
Es una configuracin apropiada para obtener un ca udal regular en todos los equipos.
- Colectores orientados al sur geogrfico.
- Tubera en cobre en el campo de colectores y con retorno invertido.
75
CAPTULO 3
Figura 51. Distribucin del sistema solar actual y dimetro de las tuberas de alimentacin.
76
CAPTULO 3
Tambin se sugiere una conexin diferente en la fila 1 que tiene 9 colectores ya que
la salida de agua caliente del primer banco recorre la mayor distancia, es mejor
cambiar el orden de la conexin como se muestra en la Figura 66 para que el agua
caliente recorra la menor distancia y evitar prdidas de calor.
Las mediciones de temperatura en los tanques fueron de 30C y se estima que no llega
ms all de los 40C por el volumen adicional de almacenamiento. Un cambio
importante sera agregar cierto nmero de colectores solares para compensar este
hecho lo que llevara a un anlisis del beneficio costo para ver si es conveniente esa
opcin.
77
CAPTULO 4
Tabla 13. Extracto de la Tabla Dotacin mnima de agua potable y distribucin por tipo de
establecimiento de la NADF-008 AMBT 2005 para centros de reunin.
78
CAPTULO 4
porcentaje que marca la norma ambiental del DF. Tabla 14. El valor promedio anual
obtenido es de 6.98 litros/comida-da, 1.938 veces ms que el valor de la norma
ambiental de 3.6 litros/comida-da.
Tabla 14. Valores promedio del consumo de agua potable en litros/comensal por da y de agua caliente
como el 30% de ese valor.
Tabla 15. Extracto de la Tabla de Demanda de referencia a 60C del HE-4 del CTE espaol.
79
CAPTULO 4
La norma especifica que el clculo del CEA sea anual y se determina mediante la
siguiente frmula y con los valores de referencia dados por la norma:
Tabla 16. Parmetros de referencia para el clculo del consumo energtico anual por utilizacin de agua
caliente (CEA).
VALOR DE
PARMETRO DESCRIPCIN
REFERENCIA
80
CAPTULO 4
El clculo del CEA da como resultado que se requieren 213,614,631 kJ/ao para
elevar la temperatura del volumen de agua estimado de 15.5C a 60C . El sistema de
calentamiento de agua por medio del aprovechamiento de la energa solar par a dicho
restaurante deber proveer como mnimo el 30% del CEA, es decir:
(213,641,631 kJ/ao)x(0.30) = 64,092,489.3 kJ/ao.
El CEA se puede calcular utilizando el valor de 6.98 litros/comida -da que es el 30% del
agua potable que se ocupa en el restaurante de acuerdo a la Tabla 14 en vez de tomar
3.6 litros/comida-da como consumo unitario de agua caliente. En la Tabla 17 se
presenta una comparacin entre los resultados de estos dos clculos.
Tabla 17. Comparacin entre el CEA al 100%, al 70% y al 30% obtenido con el consumo de agua de
referencia en la norma y con el obtenido de los consumos del restaurante.
DA 12 23.25 litros/comida-da
PAC 30 30 %
r 1 1 kg/l
T1 15.5 15.5 C
T2 60 60 C
81
CAPTULO 4
La Tabla 18 presenta los tres criterios de consumo unitario de agua caliente que se
usarn para el clculo de la demanda energtica mensual . Recordemos que la NADF
considera el valor de la dotacin mnima de agua potable para un restaurante de 12
litros/comida-da y que el 30% de ese valor es para usos de agua caliente. En
Consumos se calcul el consumo de agua potable por comensal del restaurante
siendo el promedio 23.25 litros/comida-da y que el 30% de ese valor sea para usos de
agua caliente. Finalmente el CTE da un valor para el consumo de agua caliente a 60C
de 5 a 10 litros por comida por da y se us el promedio entre ambos.
Tabla 18. Tres valores de referencia del consumo de agua caliente unitario del restaurante.
NADF 3.60
Consumos 6.98
CTE 7.50
Con los valores de referencia unitarios se calculan los litros totales de agua caliente
por da de la siguiente manera:
La Tabla 19 muestra la demanda total diaria mensual de agua caliente para los tres
criterios de la Tabla 18.
Con la demanda de agua para los tres casos se calcular la cantidad de calor
requerido para elevar la temperatura del agua.
82
CAPTULO 4
Tabla 19. Comparacin entre los litros de agua caliente por da de acuerdo al criterio de la Norma
Ambiental del DF, los consumos medidos de agua y al criterio del CTE.
Figura 54. Comparacin entre la demanda de agua caliente con los tres criterios seleccionados: NADF,
30% del consumo medido de agua potable y CTE.
8,000
7,000
litros agua caliente / da
6,000
5,000
NADF
4,000
Consumo
3,000
rest.
2,000 CTE
1,000
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
83
CAPTULO 4
donde:
En la Tabla 20 presenta el calor total requerido para las tres diferentes opciones de
demanda de agua caliente de la Tabla 19 resultado de la ecuacin 4.2 (el
procedimiento de clculo de la temperatura media del agua que viene de la red
pblica se encuentra en el APNDICE 2). El valor anual de la energa requerida en el
caso de NADF y Consumos en muy similar al CEA y vara por los redondeos mensuales
y que la norma toma 4.19 kJ/KgC mientras que en este caso tomamos el valor de 4.18.
Tabla 20. Comparacin entre el calor total requerido mensualmente en kWh para las tres demandas
unitarias de agua caliente consideradas.
84
CAPTULO 4
Figura 55. Grfica de la energa requerida para elevar la temperatura del agua a 60C para los tres
criterios de demanda de agua considerados: NADF, 30% del consumo medido de agua potable y CTE
14,000
12,000
10,000
kWh /mes
8,000 NADF
6,000 Consumo
rest.
4,000
CTE
2,000
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
La norma ambiental del DF establece que el aporte solar anual mnimo debe ser del
30%. Segn el CTE, a cada regin en Espaa se le asigna una contribucin solar mnima
anual que varia del 60% al 80% y que depende de la radiacin solar en la regin y otras
consideraciones especificadas en sus reglamentos.
En estas aplicaciones, los colectores comnmente usados son los colectores de tubos
al vaco y los planos. Vamos a calcular el nmero de colectores usando ambas
tecnologas, en la prxima seccin se realizar el dimensionamiento usando colectores
planos.
85
CAPTULO 4
(4.3)
Cada colector solar tiene su curva de eficiencia caracterstica que depende de los
materiales y de su diseo propio. Estas curvas se determinan por medio de pruebas bajo
procedimientos especficos en bancos de pruebas de laboratorios certificados.
Tm Ta
FR ( ) n FR U 0 (4.4)
G
86
CAPTULO 4
donde:
87
CAPTULO 4
Dimensiones y peso
Dimetro tubos 5/8"
Largo total (m) 2.19
Ancho total (m) 1.28
Espesor (cm) 9
2
Area total (m ) 2.80
Area de apertura (m 2) 2.60
Peso vaco (kg) 41
Capacidad de fluido (lt) 4.1
Presin mxima de trabajo (bar) 10
88
CAPTULO 4
Tm Ta
0.72 4.8 (4.5)
G
Existen varias fuentes de informacin para conocer la radiacin solar sobre una
superficie. En el APNDICE 5 se presentan datos de radiacin solar de varias fuentes
como el programa RetScreen, clculo mediante el modelo Liu-Jordan tomando en
cuenta las coordenadas del restaurante y las mediciones reportadas por el Instituto de
Geofsica de la UNAM. Se eligen los datos del Instituto de Geofsica de la UNAM por
tratarse de mediciones confiables con 21 aos de datos y por ser una estacin
meteorolgica cercana a la ubicacin del restaurante
La radiacin solar promedio diaria mensual sobre una superficie horizontal en MJ/m 2 -
da se obtuvo como el promedio de las mediciones mensuales de 1984 a 2005
publicadas en la pgina web de la estacin meteorolgica del Instituto de Geofsica de
la UNAM ubicada en Ciudad Universitaria, Mxico DF con las coordenadas de 19 20' 01"
latitud Norte y 99 11' 54" longitud Oeste, a una altitud de 2268 msnm .
Tabla 24. Irradiacin global promedio diaria para una superficie horizontal y para una superficie inclinada a
20 grados.
89
CAPTULO 4
La eficiencia del captador vara a cada momento, sin embargo se puede obtener un
valor promedio mensual con la irradiancia promedio y con la temperatura ambiente
promedio de acuerdo a la ecuacin 4.5, los resultados se presentan en la Tabla 25 que
muestra la temperatura del agua que viene de la red, la temperatura ambiente media
mensual de la localidad (datos de la estacin de monitoreo del Sistema Meteorolgico
Nacional ms cercana al lugar), las horas de insolacin de la localidad (Ver APNDICE 5
para ms detalles) y la eficiencia promedio mensual obtenida . El clculo de la eficiencia
promedio anual del captador es alta, 58%. En la prctica, la eficiencia promedio de los
colectores planos se encuentra alrededor del 40%.
(4.6)
Donde el calor til Qu es la contribucin solar del 70% que queremos obtener y H T es la
irradiacin mensual promedio diaria sobre una superficie inclinada 20 grados.
Tabla 25. Eficiencia terica promedio mensual del colector solar Chromagen CR-120.
Una vez que se encuentra el rea de captacin, esta se divide entre el rea de
apertura de un captador, que en este caso es de 2.6m 2 y as obtenemos el nmero de
colectores. Los resultados se presentan en la Tabla 26 para cada uno de los casos de
volumen de agua considerados. Adicionalmente se considera un 10% adicional de rea
(porcentaje de la experiencia de instaladores profesionales) para subsanar prdidas en
tuberas, conduccin y almacenamiento.
90
CAPTULO 4
Tabla 26. rea de captacin para los tres criterios de consumo y un 10% ms que se considera
prdidas.
91
CAPTULO 4
- Criterio de la NADF
Qu A H T (4.7)
Tabla 27. Aporte solar con el criterio de demanda de la norma ambiental del DF.
92
CAPTULO 4
Figura 57. Aporte solar de 14 colectores al total de energa requerida para calentar agua.
kWh/mes
6,000
5,000
4,000
restante a
3,000
gas LP
2,000 Aporte
solar
1,000
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
100
90
80
70
Aporte solar (%)
60
50
40
30
20
10
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Anual
93
CAPTULO 4
Tabla 28. Aporte solar con el criterio de demanda de que el 30% del consumo total agua es agua
caliente.
Figura 59. Aporte solar de 28 captadores al total de la energa requerida para calentar agua.
kWh/mes
14,000
12,000
10,000
8,000 restante a
gas LP
6,000
Aporte
4,000 solar
2,000
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
94
CAPTULO 4
100
90
80
70
Aporte solar (%)
60
50
40
30
20
10
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Anual
95
CAPTULO 4
Figura 61. Aporte solar de 30 captadores solares (en azul) y la energa restante (en rojo) que
completa el total de la energa requerida de acuerdo a los datos de la Tabla 29.
kWh/mes
14,000
12,000
10,000
8,000 restante a
gas LP
6,000
Aporte solar
4,000
2,000
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
100
90
80
70
Aporte solar (%)
60
50
40
30
20
10
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Anual
96
CAPTULO 4
V
50 180
A
El clculo del volumen del tanque de agua caliente segn Zabalza se presenta en la
Tabla 30, para cada caso.
Volumen (litros)
Lmites Valor
NADF consumos CTE
Menor 50 2080 3900 4160
Mayor 100 4160 7800 8320
Promedio 75 3120 5850 6240
Volumen elegido 3000 6000 6000 6500
Normalmente no hay un tanque que d el volumen exacto calculado salvo que este
hecho a la medida, por tal razn se escogen tanques de manufactura comercial. Para
NADF se escoge un termotanque de almacenamiento de 3000 litros, para Consumos
un tanque de 6000 litros o bien dos de 3000 litros y para CTE un tanque de 6000 o 6500
litros.
97
CAPTULO 4
cuestin de prdidas por conduccin y la ltima el aporte solar de los captadores sin el
rea agregada.
Tabla 31. Resumen de los valores calculados para los tres criterios de consumo de agua.
Existe otro mtodo para calcular el aporte solar de un campo de colectores conocido
como carta f . En la prxima seccin haremos uso de ese mtodo para estimar el aporte
solar del campo de colectores de la opcin Consumos.
Qui
fi (4.8)
Qdemi
98
CAPTULO 4
El parmetro Y est relacionado con la energa solar absorbida por la placa del
captador y se define como:
Donde:
E A FR' ( ) H
abs mes
(4.11)
Y:
( ) F R'
F ( ) F R ( ) n
'
(4.12)
( ) n F R
R
A Superficie de captacin m2
( )
Modificacin del ngulo de incidencia Adimensional
( ) n
FR'
Factor de correcin del conjunto captador e intercambiador Adimensional
FR
99
CAPTULO 4
A 78 m2
FR ( ) n 0.72 Adimensional
FR'
0.95 Adimensional
FR
*Duffie y Beckmann
*Duffie y Beckmann sugieren
sugieren 0.96 0.96 para
para una una simple
cubierta cubiertay simple y 0.94 si la cubierta
es
0.94doble.
si la cubierta es doble.
** Para este parmetro Duffie y Beckmann sugieren 0.95
El factor FR ( ) n es:
'
100
CAPTULO 4
Donde:
Y:
FR'
FR' U 0 FR U 0 10-3 kW/(m2C)
FR (4.15)
0.25
volumen de acumulacio n
K1 (4.16)
2
75 m captador
K2
11.6 1.18 t ACS 3.86 t red 2.32 t a (4.17)
100 t a
A Superficie de captacin m2
101
CAPTULO 4
A 78 m2
Volumen
6,000 litros
acumulacin
K1 0.99 Adimensional
tACS 60 C
4.14.3 FRACCIN f
Qu 81,383
Cobertura solar anual 0.708 (4.18)
Qdem 114,993
102
CAPTULO 4
rea de los 30 colectores mientras que el anterior calcul de la fraccin solar se hizo con
28 colectores y la energa de los 2 restantes se consider como prdidas
(recomendacin de instaladores). El mtodo de la carta f tiene sus propias correlaciones
para calcular las prdidas motivo por el cual se uso el rea total. Finalmente se observa
que los porcentajes de fraccin solar anual calculados son muy parecidos.
Y X f % Qdem Qu
Mes
(kWh) kWh
Enero 0.85 0.18 0.699 69.9 10,335 7,222
Febrero 0.93 0.15 0.752 75.2 9,411 7,073
Marzo 1.03 0.13 0.814 81.4 9,792 7,974
Abril 0.90 0.11 0.735 73.5 9,820 7,218
Mayo 0.94 0.12 0.763 76.3 9,073 6,924
Junio 0.73 0.11 0.621 62.1 10,047 6,242
Julio 0.82 0.14 0.685 68.5 9,184 6,291
Agosto 0.86 0.14 0.706 70.6 8,889 6,272
Septiembre 0.85 0.15 0.703 70.3 8,231 5,783
Octubre 0.86 0.15 0.710 71.0 9,085 6,453
Noviembre 0.92 0.17 0.747 74.7 9,076 6,777
Diciembre 0.69 0.15 0.594 59.4 12,050 7,155
Total anual 10.39 1.70 0.708 70.8 114,993 81,383
El CTE en su documento HE-4 y tambin los lineamientos del FIRCO especifican que el
dimensionado de una instalacin, cualquiera que sea su aplicacin, deber realizarse
de modo que durante ningn mes del ao la energa producida por la instalacin supere
el 110% de la demanda de consumo y en no ms de tres meses el 100% condicin con
la cual cumple el dimensionamiento realizado. En la Tabla 36 se ve que en ningn mes el
valor del calor til llega al 100% del calor demandado, por ejemplo el mes en que mayor
calor til se genera es marzo (7,073kWh) y su fraccin solar respectiva es de 81.4%.
103
CAPTULO 5
La conexin cuenta con todas las vlvulas a las que hacen referencia las
especificaciones del FIRCO sobre instalaciones solares trmicas.
Una porcin de la azotea (264m 2 ) se selecciona para instalar los colectores solares,
vase Figura 64. Anteriormente se haba hecho un clculo rpido y se encontr que la
azotea cuenta con suficiente espacio para 30 colectores marca Chromagen CR-120.
104
CAPTULO 5
105
CAPTULO 5
106
CAPTULO 5
Figura 65. Distribucin de los colectores y tanques de almacenamientoe en la azotea del lugar.
107
CAPTULO 5
El arreglo entre colectores debe asegurar el mismo recorrido hidrulico para todos los
colectores a fin de obtener prdidas de carga y caudales similares en cada uno de ellos.
Ser necesario observar el caudal mnimo recomendado por el fabricante para evitar
las zonas sin circulacin y asegurar un flujo en rgimen turbulento. Este valor depende de
las caractersticas de cada colector y del fluido de transferencia de calor por lo que al
respetar ese valor aseguramos un buen coeficiente de transferencia de calor entre el
absorbedor y el fluido. Generalmente, el caudal especfico de diseo se encuentra entre
40 y 80 litros por hora y metro cuadrado de superficie de captacin.
A u No. de colectores por fila rea til por colector No. de filas
108
CAPTULO 5
Para el circuito primario, el CTE indica que solo se pueden usar tuberas de cobre o
acero inoxidable. Para el circuito secundario y en los puntos de consumo pueden
utilizarse tuberas de cobre, acero inoxidable o plsticas siempre que el fabricante
indique que soportan la temperatura mxima que puede manejar el circuito y sirvan
para la conduccin de agua potable en condiciones higinicas.
Segn los lineamientos del FIRCO, el dimetro de las tuberas se seleccionar de forma
que la velocidad de circulacin del fluido sea mayor a 0.3 m/s y menor a 2.0 m/s. El
dimensionado de las tuberas se realizar de forma que la prdida de carga unitaria en
tuberas nunca sea superior a 40 mm de columna de agua por metro lineal. Segn el
criterio de diseadores, recomiendan que la velocidad no exceda 1.5 m/s y de
preferencia mayor a 0.5m/s.
Vamos a ejemplificar el caso del tramo a-b. En la Figura 67, se localiza en el eje de las
abscisas la perdida de carga fijada en 20mmca y trazamos una lnea (roja) y en el eje de
las ordenada se grafica el caudal, que para el tramo en cuestin es de 4.68m3/h,
trazamos una lnea (azul). Ubicamos el punto de interseccin y obtenemos un dimetro
interno de la tubera de 32 mm, escogemos el inmediato superior que es de 35 mm. En
tablas de tubos de cobre buscamos el tubo cuya medida nominal corresponda o ms se
acerque al dimetro interior que en este caso es un tubo de cobre tipo L dimetro
nominal de 1 pulgadas y verificamos que el valor de la velocidad este entre 0.75 y
109
CAPTULO 5
1m/s. El mismo procedimiento se realiza para los otros tramos. Los resultados del dimetro
obtenido se presentan en la Tabla 37.
l
k
e
i
d
h
c
g
P-239
110
CAPTULO 5
0.354 Q
v (5.1)
D2
Donde
v: velocidad (m/s)
Q: caudal (litros/hora)
D: dimetro interior de la tubera (mm)
111
CAPTULO 5
La ecuacin 5.2 se utiliza para determinar las prdidas de carga por friccin (frmula
de Hazen-Williams) donde:
P
378 Q1.75 (5.3)
D 4.75
Donde
P: prdida de carga en el tubo (mmca/m)
Q: caudal que pasa por el tubo (litros/min)
D: dimetro interior medio del tubo (mm)
C: constante, para el tubo de cobre 150
Tabla 38. Resumen de los dimetros, velocidades y prdidas de carga para cada tramo.
112
CAPTULO 5
Una vez conocido el caudal global del circuito y la prdida de carga total de la
instalacin (y la altura que se debe vencer) se selecciona una bomba adecuada cuya
curva caracterstica este inmediatamente por encima del punto de trabajo .
Segn el CTE, en instalaciones mayores a 50m 2 de captacin solar (de acuerdo a los
criterios de la NADF, 75m 2 ) se debern instalar dos bombas de circulacin idnticas en
paralelo dejando una de reserva, tanto en el circuito primario como en el secundario
con el objeto de aumentar la disponibilidad del sistema en caso de falla de alguna. Estas
debern alternarse de manera manual o automtica.
El espacio disponible era tal que un tanque de 6,000 litros no hubiera cabido por lo
que se decidi poner 2 tanques de 3,000 litros cada uno.
113
CAPTULO 5
Propuesta 1 Descripcin
Tipo Circuito directo o abierto
Fluido de trabajo Agua
Circulacion Forzada
Acumulacion solar Centralizada
No de captadores 30
Tipo de colector Plano
Marca y modelo Chromagen CR-120
Arreglo entre colectores Paralelo
Colectores por banco 3
Banco por fila 2
Filas por campo 5
Distancia entre filas 0.75m
Caudal total de diseo 46.8 litros/min
No. de Termotanques 2
Capacidad termotanques 3,000 litros cada uno
1) Mes del ao
2) Consumo total de gas LP del restaurante en litros por mes.
3) Estimacin del volumen de agua caliente (en litros).
4) La cantidad de energa requerida (kWh/mes) para calentar el volumen de agua de la
columna 3 desde su temperatura inicial hasta 60C.
5) Consumo de gas LP equivalente a la energa requerida por el agua (columna 4) con
una eficiencia del calentador de 83% y un poder calorfico del gas LP de 26.606 MJ/lt.
Este es el consumo promedio mensual de gas LP para calentar agua antes de la puesta
en marcha del sistema solar.
6) Energa aportada por el campo solar en kWh
7) Porcentaje de la energa aportada por el campo solar con respecto a la demanda
total de energa para calentar agua.
8) Energa que seguir suministrndose por medio convencional, o sea con el calentador
de gas una vez que el campo solar este operando.
9) Equivalente en litros del consumo de gas LP con campo solar.
114
CAPTULO 5
De la Tabla 41 se destaca que el ahorro de gas LP (de la fraccin que se usa para
calentar agua) es del 71.75% anual con el campo de colectores en operacin mientras
que en relacin al consumo global representa en promedio el 12.13%.
115
CAPTULO 5
c) Termotanques
d) Sistema de bombeo
e) Sistema de automatizacin
6.- La inversin inicial se hace al inicio del periodo y en una sola exhibicin . El costo se
estim de acuerdo a la cotizacin presentada por proveedor del proyecto que
actualmente se encuentra en el restaurante.
7.- El periodo de evaluacin del proyecto es por 10 aos, que normalmente es el periodo
de garanta otorgado por el fabricante, sin embargo el tiempo de vida de los equipos es
mayor.
8.- El incremento anual en el precio del gas LP se toma del 10%, en base a los
incrementos mensuales nacionales ponderados graficados en la Figura 20.
9.- Puede existir un valor de salvamento de los equipos al final del periodo pero no se
considero en esta evaluacin.
10.- Los precios considerados son antes de IVA.
Se calcul el Valor Presente Neto (VPN) y la Tasa interna de rendimiento (TIR) para
este caso. Conforme a estos parmetros, la inversin resulta aceptable toda vez que el
VPN es mayor a cero y la TIR (22%) es mayor a la TREMA considerada, los resultados se
presentan en la Tabla 42.
116
CAPTULO 5
DATOS Unidades
Tipo de colector Plano
No captadores 30
Presion de operacin 2 kg/cm2
Area unitaria 2.60 m2
Horas diarias de op. Restaurante 17 hrs/dia
Dias de op. al ao 365 dias/ao
Consumo total gas restaurante 110,903.44 Lt/ao
% agua del total para usos agua caliente 30 %
Temp. Entrada agua 15.45 C
Temp. Salida agua 60 C
Eficiencia terica promedio colector solar 58.64 %
Eficiencia calentador gas 0.83
Energa anual requerida calentar agua 114,992.70 MWh ao
Consumo anual gas LP calentar agua 18,746.35 Lt/ao
Gasto anual gas LP calentar agua 115,548.63 $/ao
% del total de gas para calentar agua 16.9 %
Tiempo prom. operacin colectores 7 hrs/dia
Aumento anual precio gas LP 10%
Precio base gas LP 6.16 $/lt
Dias de op. Por ao 365.00 dias/ao
PCI combustible 26.61 MJ/lt
Ahorro combustible fin ao 13,450.23 lt/ao
% con relacin al gas para calentar agua 71.75 %
Ahorro combustible fin ao 82,904.42 $/ao
Tiempo de vida 10.00 aos
Inversion inicial 437,184 $
Porcentaje de Inv. Ini para op. y mantto 1.80% %
Costo anual op. Y mantto 7,869 $/ao
Ahorro anual total 75,035 $/ao
Incremento anual costo op. y mantto 4.00% %
RESULTADOS
TREMA 0.15
Valor presente del ahorro 549,669.03 $
Valor Presente Neto 112,485.53 $
Relacion beneficio costo 1.26
Periodo de recuperacion 6.53 aos
TIR 0.2250
117
CAPTULO 5
Tabla 43. Resumen de la demanda de agua caliente, energa total requerida y el 70% de la misma.
Al igual que los colectores solares planos, la orientacin ptima es hacia el sur
geogrfico, con un ngulo acimutal de cero grados, tratando de mantener, dentro de lo
posible, la alineacin con los ejes principales de la edificacin siempre y cuando esta se
encuentre orientada adecuadamente.
De acuerdo con Muhlia se debe tener en cuenta que la eficiencia de los colectores
solares es mejor en la tarde debido a que la temperatura ambiente es mayor que en la
maana, por lo que si se debe de decidir entre una orientacin S-SE contra una S-SO se
preferir la S-SO, agrega que si la inclinacin no es mayor a 50, las variaciones en la
orientacin de 50 a +50 respecto del Sur geogrfico, la disminucin en la irradiacin
global anual no va ms all del 8%. Tomando esto en consideracin, colectores
orientados dentro del rango (Sur 50), no causan disminuciones apreciables en la
irradiacin.
118
CAPTULO 5
El colector solar de tubos heat pipe seleccionado es del fabricante Changzhou He Jia
Solar Energy Co., Ltd. Modelo HCA-58/30. En el APNDICE 4 se puede encontrar la ficha
tcnica de este colector solar. En la Tabla 44 y 45 se presentan algunos datos de este
calentador solar:
Tm Ta T Ta
0 a1 a2 m (5.4)
G G
119
CAPTULO 5
0 0.656 %
a1 1.40 W/m2 K
a2 0.0123 W/m2 K2
La obtencin del rea de captacin se llev a cabo por el mismo procedimiento que
para los colectores planos utilizando los mismos datos de radiacin solar sobre una
superficie inclinada a 20 grados.
(5.5)
Donde Qu es la contribucin solar del 70% que queremos obtener (Tabla 43) y H T es la
irradiacin mensual promedio diaria sobre una superficie inclinada 20 grados y la
eficiencia promedio del colector (Tabla 46).
El rea que se calcula por medio de la ecuacin 5.5 se divide entre el rea de
apertura del colector y de esta forma se obtiene el nmero de colectores. Siguiendo el
mismo criterio que para el caso de los colectores planos, adicionamos un 10% de rea
considerando prdidas trmicas por almacenamiento y cond uccin en tuberas de
acuerdo al criterio de instaladores. Los resultados se presentan en la Tabla 47.
120
CAPTULO 5
121
CAPTULO 5
Tabla 48. Aporte solar correspondiente a 23 colectores heat pipe en kWh/mes y en porcentaje.
Tabla 49. Volumen del termotanque para el caso de colectores heat pipe.
Menor 50 3543
Mayor 100 7085
Promedio 75 5314
Volumen elegido 5500
122
CAPTULO 5
Figura 68. Aporte solar en kWh/mes para la propuesta con tubos heat pipe
kWh/mes
14,000
12,000
10,000
8,000 restante a
gas LP
6,000
Aporte
4,000 solar
2,000
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Figura 69. Aporte solar (%) para la propuesta con tubos heat pipe
100
90
80
70
Aporte solar (%)
60
50
40
30
20
10
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Anual
123
CAPTULO 5
Los colectores solares estaran dispuestos en 5 filas de 5 colectores cada una, con una
conexin en paralelo entre filas de colectores, como se muestra en la Figura 70.
Al igual que un campo de colectores solares planos, se deben instalar todos los
elementos de seguridad en colectores y tanques como son las vlvulas para el buen
funcionamiento del campo solar.
124
CAPTULO 5
Propuesta 2 Descripcin
Tipo Circuito directo o abierto
Fluido de trabajo Agua
Circulacion Forzada
Acumulacion solar Centralizada
No de captadores 25
Tipo de colector Tubular heat pipe
Marca y modelo HeJia HCA/58/30
Arreglo entre colectores Mixto
Colectores por banco 5
Banco por fila 1
Filas por campo 5
Distancia entre filas 0.65m
No. de Termotanques 2
Capacidad termotanques 2,250
Con esta propuesta la cobertura solar de la demanda de energa para calentar agua
es de 66.84% promedio anual y con respecto al consumo global de gas LP representa en
promedio 11.3%. Ver Tabla 51.
125
CAPTULO 5
Figura 71. Consumo total de gas LP con sistema de calentamiento solar y sin sistema de calentamiento
solar.
litros/mes
12,000
10,000
8,000
Sin CSA
6,000
conCSA
4,000
2,000
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
126
CAPTULO 5
DATOS Unidades
Tipo de colector Tubular heat pipe
No captadores 25
Presion de operacin 2 kg/cm2
Area unitaria 2.83 m2
Horas diarias de op. Restaurante 17 hrs/dia
Dias de op. al ao 365 dias/ao
Consumo total gas restaurante 110,903.44 Lt/ao
% agua del total para usos agua caliente 30 %
Temp. Entrada agua 15.45 C
Temp. Salida agua 60 C
Eficiencia terica promedio colector 0.61
Eficiencia calentador gas 0.83
Energa anual requerida 114,992.70 MWh ao
Consumo anual gas LP calentar agua 18,746.35 Lt/ao
Gasto anual gas LP calentar agua 115,548.63 $/ao
% del total de gas para calentar agua 16.90 %
Tiempo de operacin por dia 7 hrs/dia
Aumento anual costo combustible 10%
Precio base gas LP 6.16 $/lt
Dias de op. Por ao 365.00 dias/ao
PCI combustible 26.61 MJ/lt
Ahorro combustible fin ao 12,530.18 lt/ao
% con relacin al gas para calentar agua 66.84 %
Ahorro combustible fin ao 77,233.45 $/ao
Tiempo de vida 10.00 aos
Inversion inicial 437,327 $
Porcentaje de Inv. Ini para op. y mantto 1.80%
Costo anual op. Y mantto 7,872 $/ao
Ahorro anual total 69,362 $/ao
Incremento anual costo op. y mantto 4.00% %
RESULTADOS
TREMA 0.15
Valor presente del ahorro 508,951.67 $
Valor Presente Neto 71,624.36 $
Relacion beneficio costo 1.16
Periodo de recuperacion 7.45 aos
TIR 0.2065
127
CAPTULO 5
Tabla 53. Comparacin entre las propuestas presentas y el sistema de calentamiento solar actualmente
funcionando.
Si se compara la propuesta 1 con el sistema actual, dado que ambas tienen el mismo
colector solar, las principales diferencias son:
128
CAPTULO 5
Tabla 54. Comparacin entre las demandas de agua caliente al 30% y al 50% del consumo total del
restaurante, con 10litros/comida-da.
129
CAPTULO 5
14,000
12,000
litros agua caliente / da
8,000
CTE 10litros
6,000 por comida
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
130
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
131
CONCLUSIONES
Se tena la informacin del agua potable que consume el restaurante y se opt por
crear un criterio ms, del consumo unitario de agua potable , se tom el porcentaje del
30% del total para usos de agua caliente, el mismo porcentaje que la norma ambiental
del DF y en promedio se obtuvo 6.98 litros de agua caliente por comensal por da.
El anlisis del sistema actual de CSA del restaurante mostr que es un sistema
sobredimensionado en el almacenamiento de agua (9,000 litros de agua) por el volumen
de acumulacin mayor al recomendado y que no se sabe con exactitud cunto de ese
volumen se consume en realidad ya que la instalacin no tiene un caudal metro adems
carece de vlvulas de drenado y alivio as como la distancia entre filas es menor a la
calculada por las metodologas consultadas en 11cm, la tubera de alimentacin se
encuentra desnuda lo que provoca prdidas importantes de calor, las filas entre
colectores no tiene el mismo nmero de colectores y la conexin entre los tanques es en
paralelo, en la que se alcanzan menores temperaturas. Normalmente las estimaciones
de agua caliente en proyectos de la Ciudad de Mxico deben estar acorde con el
criterio que da la norma ambiental del DF, as que el sistema instalado en el restaurante
queda muy por arriba de ese criterio. El ahorro de gas LP no se pudo determinar con
precisin sin embargo usando ciertos ndices, especficamente el ndice de gas LP por
comida se pudo estimar como menor al 18.10%.
Se present una segunda propuesta que considera la misma demanda de agua que
la propuesta 1 pero con colectores heat pipe y se concluy que es una propuesta que
requiere mayor inversin lo que implica mayor tiempo de recuperacin sin embargo
estos colectores alcanzan mayores temperaturas que los planos, son ms eficientes y
ms verstiles.
132
CONCLUSIONES
Hay que considerar que los clculos de la TIR y el VPN de ambas propuestas estn
sujetos a las consideraciones dadas y que al variar estas condiciones los resultados
evidentemente sern diferentes:
- Todos los colectores tienen la misma eficiencia y es la calculada tericamente.
- La temperatura que alcanza el agua es de 60C
- El aumento anual en el precio del gas LP es de 10%
- La tasa de descuento es del 15%.
TRABAJO A FUTURO.
Sera pertinente la medicin del consumo de gas LP que se usa exclusivamente para
calentar agua.
Sera conveniente recabar mayor informacin sobre el funcionamiento del los equipos
consumidores de agua del restaurante, como impactan los hbitos de uso del
personal, etc. y tener una retroalimentacin sobre los cambios en los consumos de
agua que pudieran darse por otras causas.
133
APNDICE 1
APNDICE 1
VALORES DE CONSUMOS UNITARIOS DE LA NORMA AMBIENTAL DEL DF Y DEL
CTE.
Tabla A1.1. DOTACIN MNIMA DE AGUA POTABLE Y DISTRIBUCIN POR TIPO DE
ESTABLECIMIENTO (tomada del anexo 1 de la Norma Ambiental NADF-008-AMBT-2005).
Dotacion de agua
Tipo Unidades
potable
COMERCIAL
2
Comercios 6 l/m da
Mercados pblicos y tianguis 100 l/puesto da
SERVICIOS
Oficinas de cualquier tipo 50 l/persona da
Servicios automotrices 100 l/trabajador da
SERVICIOS DIVERSOS
Baos pblicos 300 l/baista da
Servicios sanitarios pblicos 300 l/mueble da
Limpieza 40 l/kg ropa seca
Otros servicios 100 l/trabajador da
SERVICIOS DE SALUD Y ASISTENCIA
Atencin mdica a ususarios externos; salas de espera 12 l/sitio paciente
Servicios de salud a usuarios internos; cuartos de camas 800 l/cama da
Orfanatorios y asilos; empleados 300 l/huesped da
EDUCACION, CIENCIA Y CULTURA
Educacin preescolar 20 l/alumno turno
Bsica y media 25 l/alumno turno
Media superior y superior 25 l/alumno turno
Institutos de investigacin 50 l/persona da
Museos y centros de informacin 10 l/asistente da
CENTROS DE REUNIN
Servicios de alimentos y bebidas 12 l/comida da
Espectculos y reuniones 10 l/asistente da
Reuniones y recreacin social 25 l/asistente da
Prcticas deportivas con baos y vestidores 150 l/asistente da
Espectculos deportivos 10 l/asiento da
Lugares de culto, templo, iglesias sinagogas 10 l/asistente da
SERVICIOS TURSTICOS
Hoteles, moteles, albergues y casas de huspedes 300 l/huesped da
Campamentos para remolques 200 l/persona da
SERVICIOS FUNERARIOS
Agencias funerarias 10 l/sitio visitante
Cementerios, crematorios, mausoleos 100 l/trabajador da
Visitantes a cementerios, crematorios y mausoleos 10 l/sitio visitante
COMUNICACIONES Y TRANSPORTES
Estacionamientos 8 l/cajn da
Sitios, paraderos y estaciones de transferencia 100 l/trabajador da
Estaciones de transporte y terminales de autobuses forneos 10 l/pasajero da
Estaciones del sistema de transporte colectivo 2 l/m 2 da
134
APNDICE 1
(1)
Tabla A1.2. DEMANDA DE REFERENCIA A 60 PARA DIVERSOS ESTABLECIMIENTOS
COMERCIALES DE ACUERDO AL CDIGO TCNICO DE EDIFICACIN DE ESPAA.
Extrada del Documento Bsico HE Ahorro de Energa de su Seccin HE-4, Tabla 3.1.
(antes de la modificacin del septiembre de 2013).
(1)
Los litros de ACS/da a 60C de la tabla se han calculado a partir de la tabla 1
(Consumo unitario diario medio) de la norma UNE 94002:2005 Instalaciones solares
trmicas para produccin de agua caliente sanitaria: clculo de la demanda energtica.
135
APNDICE 2
APNDICE 2
La temperatura del agua proveniente del sistema de aguas pblico se relaciona con el
flujo de calor en el suelo ya que las tuberas de distribucin se encuentran enterradas. A
continuacin se presenta el modelo descrito por la metodologa del RETScreen para el
clculo de la temperatura del agua.
T 2T
2
t z (A2.1)
T (0,t ) T0 eit
(A2.2)
T ( z ,t ) T0 e (1 i ) z/ eit
(A2.3)
2
(A2.4)
As, la amplitud de la fluctuacin en temperatura (la mitad de la diferencia entre
mxima y mnima) T que se da a una profundidad z con una amplitud
T ( z ) T e z/ y con t z / . El modelo anterior fue modificado en vista de la
136
APNDICE 2
e z/ e 2 / 2.2847 0.4167
Y
T (19.20 13.30) / 2 2.95
Considerando que para Mxico DF, delegacin Benito Jurez (datos tomados del
Sistema Meteorolgico Nacional para la estacin Coyoacn)la temperatura promedio
mxima anual es de 19.21C y la mnima es de 13.30C.
137
APNDICE 2
Tabla A2.1 Valores de la temperatura ambiente tomados de la estacin Coyoacn del SMN
y valores calculados de la temperatura del agua.
138
APNDICE 3
APNDICE 3
FICHA TCNICA DEL COLECTOR SOLAR PLANO MARCA CHROMAGEN MODELO CR-120
tomada del Manual tcnico y catlogo Chromagen.
139
APNDICE 4
APNDICE 4
FICHA TCNICA DEL COLECTOR SOLAR DE TUBOS HEAT PIPE MARCA HEJIA MODELO
HCA 58/30 tomada de la ficha de evaluacin del Instituto SPF.
140
APNDICE 4
141
APNDICE 5
APENDICE 5
360
23.45sin (284 N)
365 (A5.1)
Donde:
142
APNDICE 5
Tabla A5.1. Da promedio del mes y valores de declinacin solar y del ngulo hora al ocaso para el da
promedio.
H
KT
H0 (A5.3)
Donde:
H =insolacin total terrestre promedio mensual sobre una superficie horizontal (MJ/m 2 -d).
H 0 =insolacin extraterrestre mensual promedio diario sobre una superficie horizontal
(MJ/m 2 ).
24 3600Gsc 360N h
H0 1 0.033cos cos ( L) cos( ) sin (hss ) ss sin ( L) sin ( )
365 180 (A5.4)
Donde
L es la latitud del lugar
es la declinacin
hss es el ngulo hora para el ocaso
143
APNDICE 5
Gsc es la radiacin solar fuera de la atmsfera conocida como constante solar que tiene
un valor de 1,366 W/m .
2
La mayor parte de los datos medidos estn dados como radiacin global sobre una
superficie horizontal y normalmente es necesario conocer la radiacin sobre una
superficie con una cierta inclinacin. Un mtodo emprico para estimar la radiacin
global incidente promedio diario mensual sobre una superficie horizontal fue
desarrollado por Liu y Jordan (1979), ellos proponen una correlacin como la relacin
entre la radiacin difusa entre la radiacin total sobre una superficie horizontal
expresada en trminos del ndice de claridad, K T , por medio de la siguiente expresin:
HD 2 3
1.390 4.027K T 5.531K T 3.108K T
H (A5.5)
Collares-Pereira y Rabl (1979) expresan el mismo parmetro considerando el ngulo hora
al ocaso:
HD 2 3
1.391 3.560K T 4.189K T 2.137K T
H (A5.7)
HD 2 3
1.311 3.022K T 3.427K T 1.821K T
H (A5.8)
HB H HD (A5.9)
144
APNDICE 5
Ht HD H D 1 cos ( ) 1 cos ( )
R 1 R B rG
H H H 2 2 (A5.10)
Donde
H t = radiacin global diaria promedio mensual sobre una superficie inclinada.
R B = factor de inclinacin de radiacin directa promedio.
r G = reflectividad del suelo.
) ( / 180) hss
cos(L ) cos( ) sin(hss sin( L ) sin( )
RB
cos(L ) cos( ) sin( hss ) ( / 180) hss sin( L) sin( ) (A5.11)
Donde
hss es el ngulo hora del ocaso en superficies inclinadas (en grados) dado por:
1) Calculo del parmetro Ho por medio de la frmula A5.4 con los datos de la Tabla A5.1
2) Obtencin del ndice de claridad KT con la expresin A5.3
3) Con el ndice de claridad conocido, aplicamos la correlacin de Liu y Jordan, dada
por la ecuacin A5.5 para el clculo de HD/H correspondiente a los datos de la Tabla
A5.3
4) Se calcula el ngulo hora para el ocaso para superficies inclinadas dado por la
ecuacin A5.12 como el valor mnimo entre el ngulo hora para el ocaso en superficies
horizontales y el valor propuesto.
5) Se calcula el ndice R y RB con las ecuaciones A5.10 y A5.11 respectivamente.
6) Finalmente, el factor R se multiplica por la radiacin global conocida sobre superficie
horizontal H, y se obtiene la radiacin global sobre superficie a una inclinacin dada, HT.
145
APNDICE 5
H H0
Mes 2 2 KT
(MJ/m -da) (MJ/m -da)
1 16.426 27.275 0.602
2 19.260 31.251 0.616
3 21.694 35.714 0.607
4 21.222 39.474 0.538
5 20.994 41.406 0.507
6 18.855 41.991 0.449
7 18.676 41.733 0.448
8 18.057 40.417 0.447
9 16.275 37.358 0.436
10 16.345 32.782 0.499
11 16.550 28.331 0.584
12 15.265 26.160 0.584
Tabla A5.3 Radiacin sobre una superficie inclinada usando la correlacin de Liu y Jordan para el clculo
de HD/H.
hss' Hincl
Mes HD/H RB R
Grados (MJ/m2-da)
1 0.29 82.28 1.324 1.227 20.151
2 0.28 85.36 1.210 1.149 22.121
3 0.29 89.15 1.086 1.058 22.960
4 0.34 89.89 0.967 0.974 20.666
5 0.36 89.78 0.882 0.920 19.312
6 0.42 89.73 0.844 0.902 17.013
7 0.42 89.75 0.861 0.912 17.036
8 0.42 89.85 0.929 0.952 17.196
9 0.43 89.98 1.037 1.014 16.507
10 0.37 86.59 1.168 1.100 17.985
11 0.31 83.08 1.293 1.201 19.869
12 0.31 81.40 1.359 1.246 19.021
146
APNDICE 5
Tabla A5.4 Radiacin sobre una superficie inclinada usando la correlacin de Erbs para el clculo de
HD/H
hss' Hincl
Mes HD/H RB R
Grados (MJ/m2-da)
1 0.29 82.28 1.324 1.211 19.894
2 0.28 85.36 1.210 1.138 21.924
3 0.29 89.15 1.086 1.053 22.851
4 0.34 89.89 0.967 0.974 20.669
5 0.36 89.78 0.882 0.925 19.419
6 0.42 89.73 0.844 0.910 17.166
7 0.42 89.75 0.861 0.919 17.168
8 0.42 89.85 0.929 0.955 17.244
9 0.43 89.98 1.037 1.010 16.435
10 0.37 86.59 1.168 1.089 17.795
11 0.31 83.08 1.293 1.185 19.619
12 0.31 81.40 1.359 1.242 18.965
Tabla A5.5 Radiacin sobre una superficie inclinada usando para el clculo del cociente HD/H el valor
de la radiacin difusa sobre superficie plana HD reportada por el Instituto de Geofsica de la UNAM para
el periodo 1984-2005.
HD Hincl
Mes 2
HD /H R
(MJ/m -da) (MJ/m2-da)
1 4.86 0.30 1.225 20.128
2 5.54 0.29 1.147 22.094
3 6.23 0.29 1.058 22.963
4 7.76 0.37 0.974 20.668
5 8.40 0.40 0.923 19.378
6 9.07 0.48 0.911 17.168
7 9.06 0.49 0.920 17.176
8 8.97 0.50 0.956 17.254
9 8.41 0.52 1.008 16.410
10 6.97 0.43 1.090 17.808
11 5.28 0.32 1.196 19.795
12 4.86 0.32 1.241 18.949
147
APNDICE 5
Tabla A5.6 Comparacin de los valores de radiacin sobre una superficie inclinada 20 obtenidos por
diferentes medios.
Hincl (MJ/m2-da)
Mes
HD conocida Liu Jordan Erbs RETScreen
1 20.13 20.15 19.89 19.50
2 22.09 22.12 21.92 21.65
3 22.96 22.96 22.85 22.75
4 20.67 20.67 20.67 20.68
5 19.38 19.31 19.42 18.90
6 17.17 17.01 17.17 18.06
7 17.18 17.04 17.17 16.93
8 17.25 17.20 17.24 17.32
9 16.41 16.51 16.43 16.52
10 17.81 17.98 17.80 18.04
11 19.80 19.87 19.62 18.90
12 18.95 19.02 18.97 18.47
148
APNDICE 6
APNDICE 6
VALORES DE TEMPERATURA MEDIA PARA LA DELEGACIN BENITO JUREZ
CORRESPONDIENTES A LA ESTACIN METEOROLGICA CAMPO EXP. COYOACN DEL
SISTEMA METEOROLGICO NACIONAL.
149
BIBLIOGRAFA
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