Energía solar térmica para refrigeración Ing. Juan Andrés Míguez

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1 Fundamentos de energía solar térmica, IFFI, UdelaR. Noviembre 2010 Energía solar térmica para refrigeración Ing. Juan Andrés Míguez La idea de utilizar la energía térmica recibida del sol para refrigerar se recibe casi siempre con entusiasmo pues en general la demanda de refrigeración crece con la temperatura ambiente, y ésta a su vez crece con la irradiación, o sea con la energía disponible. Dicho de otra forma, en verano se precisa refrigerar más y es precisamente cuando hay más energía solar disponible. La implementación consiste en utilizar colectores solares en conjunto con refrigeradores de absorción. A pesar del entusiasmo la aplicación no está muy difundida, en parte debido al costo de instalación del sistema, en particular el refrigerador. En nuestro país el costo inicial de las inversiones suele ser decisivo y así es que hasta ahora no se ha utilizado, aunque aparentemente hay una empresa con intenciones de importar los equipos necesarios. En este trabajo se estudia un caso de pequeñas dimensiones, la climatización de una vivienda, utilizando colectores de tubos evacuados y tomando datos reales de fabricantes y de meteorología. Se expande el planteo inicial de refrigeración a uno de climatización en verano e invierno para analizar la conveniencia del sistema. Finalmente se comentan resultados de casos de mayor porte y otras consideraciones a tener en cuenta. Sistema genérico de refrigeración solar Para cualquier caso de refrigeración, se debe dimensionar primero el equipo enfriador a partir de los datos de masa que se desea enfriar, temperatura ambiente, temperatura deseada, ganancias de calor, pérdidas, etc. Este dimensionamiento está fuera del alcance de este trabajo, suponemos que ese estudio se ha realizado y a partir de los resultados se ha seleccionado o diseñado un equipo de enfriamiento. La idea es el diseño del campo de colectores para aportar el calor necesario al equipo seleccionado. El esquema de un sistema que utiliza un refrigerador de absorción es siempre el mismo, lo describimos para el caso más simple. El refrigerador (2) está al centro, a la izquierda el circuito de aporte de calor (1), en este caso los colectores solares. A la derecha el circuito de refrigeración o distribución de frío (3), que a través de un intercambiador de calor enfría el fluido deseado (por ejemplo, el aire acondicionado de la vivienda). Por debajo, el circuito de disipación (4) en que el exceso de calor se rechada a través de otro intercambiador de calor Fig 1. Sistema de refrigeración solar.

2 Según la fiabilidad que se pretenda obtener del sistema, se podrá utilizar como único paso de enfriamiento o con un respaldo. Para una vivienda familiar puede ser suficiente este único paso, pero cuando se desea mantener una temperatura estrictamente controlada no es posible asegurarlo con un sistema de este tipo sin sobredimensionarlo. Si se tiene como respaldo una segunda fuente de calor, por ejemplo quemando gas, es muy probable que precise un segundo refrigerador de absorción con su intercambiador de calor independiente, pues el refrigerador trabajará a temperaturas más altas, y el líquido de enfriamiento estará a temperaturas más bajas (7-12 C). En este caso la refrigeración solar cumplirá la función de pre-enfriamiento, que podrá o no ser suficiente, en forma análoga al pre-calentamiento cuando la energía solar se utiliza para calefacción. Para el caso de refrigeración en verano, que en invierno no sea necesaria, el campo de colectores junto con circuito de distribución se pueden utilizar en invierno para la calefacción. Si el sistema efectivamente se utiliza de esta forma en invierno, sin pasar por el refrigerador, es interesante tener en cuenta que la eficiencia será bastante distinta. Por un lado no está el calor perdido por el proceso de enfriamiento, que según el refrigerador es del orden del 30-50%, y por otro lado no es necesario trabajar a temperaturas tanto más altas que la del ambiente como C o más, sino que es mejor trabajar a 40 C. Esto también mejora la eficiencia de los colectores, y por tanto es muy probable que logre tener una mayor potencia de calefacción en invierno que de enfriamiento en verano. En el caso de la climatización combinada se analizan dos casos de este tipo. Si el sistema se utiliza para refrigeración todo el año la inclinación no necesariamente será tan baja pero en general no será tan pronunciada como para calefacción pues la mayor demanda seguirá siendo en verano. La energía de los colectores puede utilizarse también para otros usos como la calefacción de agua sanitaria, y el calor rechazado en el circuito de disipación también puede aprovecharse. Es posible también incluir en el sistema tanques de almacenamiento de calor o frío, esto es, tanques de agua más fría o más caliente que la ambiente. Si bien estas opciones pueden aumentar la eficiencia, se debe tener en cuenta que van complicando el sistema, agregando en general intercambiadores de calor, bombas de circulación, válvulas de seguridad, sensores de temperatura y procesadores para el control automático, etc. Climatización de la vivienda hipótesis de trabajo Para el análisis se toma la refrigeración de una edificación pequeña como ser una vivienda familiar. El acondicionamiento de aire se logra con ventilación, enfriando el aire en el intercambiador de calor, y no se analiza explícitamente el circuito de disipación, que podría ser desde una piscina (si existiera), hasta una torre de enfriamiento, que parece exagerada para un caso pequeño. Datos del refrigerador El refrigerador es el ClimateWell CW10 Solar Chiller, de origen sueco. Es un refrigerador pensado para el uso con colectores y de una potencia relativamente baja, en este caso 10kW. Un punto importante de los refrigeradores de absorción es que a menudo trabajan con temperaturas del orden de los C. No resulta práctico lograr estas temperaturas con colectores sin concentradores, sólo se puede llegar a ellas con los colectores de tubos evacuados en una situación cercana a la de estancamiento, pero no en un régimen de entrega de calor. El refrigerador seleccionado es uno diseñado para el uso de colectores estándar, y trabaja con temperaturas de agua caliente en el rango C. Por otro lado, las temperaturas de agua fría están en el rango C, por lo que son buenas para la climatización pero no son suficientemente frías para otras aplicaciones como ser la refrigeración de alimentos. Es un refrigerador con proceso de triple estado con un COP nominal de 0,68 (COP: coeficiente de performance: energía de enfriamiento / energía térmica recibida). El COP depende de la instalación y el fabricante explica que en la práctica estrá entre 0,52 y 0,57.

3 Circuito de aporte de calor (solar) Rango de potencias 15-20kW Presión de trabajo 3 bar (máxima 6 bar) Temperaturas de trabajo Caudal l/min entrada C (máxima 120 C) salida C Circuito de aporte de distribución (refrigeración) Rango de potencias hasta 10kW (ver curva) Caída de presión 30kPa a 25 l/min Temperaturas de trabajo Caudal l/min Circuito de disipación entrada C Caída de presión 45kPa a 25 l/min salida C Rango de potencias 20-30kW Presión de trabajo 3 bar (máxima 6 bar) Temperaturas de trabajo Caudal l/min entrada <30 C (usual 20 C) Caída de presión 38kPa a 50 l/min salida C Líquido caloportador recomendado Capacidad de almacenamiento (frío) 56kWh Propilenglicol 1,2 L 15 % de concentración. Es el mismo en los tres circuitos: aporte de calor, refrigeración y disipación. Internamente aloja 74,5 l de este líquido Solución salina utilizada LiCl. Tabla de datos y curvas de potencia del refrigerador CW10.

4 Colector solar El colector de tubos evacuados seleccionado tiene los siguientes datos: Área de apertura: 3,57m2. Caudal: 360 l/h nominal, mínimo 240 l/h, máximo 480 l/h. Se debe realizar una instalación mediante retorno invertido, para asegurar la misma caída de presión en cada batería de colectores, independientemente del caudal. Líquido caloportador Se supone que tal como recomendado, el líquido caloportador es una solución de propilenglicol en agua de concentración 15% masa/masa. El propilenglicol tiene un calor específico de 177 J/mol K y un peso molecular de 76,09, por lo que el calor específico mes de 2,33 kj/kg K = 0,556 kcal/kg K. Con esta concentración el calor específico de la mezcla es de 0,93 kcal/kg K. La densidad del propilenglicol es de 1036 kg/m3, y la mezcla entonces tiene una densidad de 1005 kg/m3. Climatización de la vivienda - Diseño del campo de colectores 1) Inclinación Como el propósito de esta refrigeración es enfriar aire en los meses cálidos, se supone inicialmente que en invierno no será necesaria y se utilizará eventualmente para la calefacción de aire frío. Se prioriza entonces la recepción en verano, y la inclinación de los colectores será de 21. 2) Cantidad de ramales en paralelo.

5 Intentaré que el caudal por los colectores sea similar al nominal de 360 l/h, y el total que llega al refrigerador sea similar al nominal de 25 l/min, o sea 1500 l/h. Para esto podría tomar 4 ramales por los que pasen 325 l/h en cada uno, con una bomba a caudal constante de 1500 l/h. 3) Cantidad de colectores El rango de potencias que acepta el refrigerador es de 15 a 20kW. El máximo para estos colectores es de 1,5kW en un día promedio de enero, 2kW para un día extremo. Esto sugiere colocar 20/1,5=13 colectores; un número más adecuado sería 12, de forma de distribuirlo en ramales de 3, 4 o 6 colectores. teniendo en cuenta que son 4 ramales, la opción sería colocar 3 colectores en serie en cada ramal. Por otro lado, el fabricante sugiere que las baterías de colectores deben diseñarse para que la diferencia de temperatura (delta T), sea de C, y bajo la máxima radiación a caudal nominal, no debe superar los 20ºC. Este último límite se vincula a la máxima temperatura de trabajo del circuito de 120 C, y la máxima temperatura del retorno a los colectores, de 100 C. Con la inclinación elegida la irradiación máxima será de 870W/m2 en un día promedio de enero, pero el caso límite no es un día promedio sino un día claro en que puedo esperar un índice de claridad de 0,8. En tal caso puedo esperar hasta 1090 W/m2 sobre el plano inclinado del colector. En estos casos llegaría a subir casi 4 C por colector, colocando los 3 por ramal que se sugirió en el punto anterior está lejos de los 20 C. El inconveniente de esta configuración es que a veces los tres colectores no llegarán a aumentar la temperatura 10 C, que es lo recomendado. Podría ser preferible que el caudal fuese menor y la diferencia de temperaturas mayor. Lecuona (2009) [2] menciona que no está clara la dependencia del rendimiento del refrigerador con respecto al caudal, pero se estima que baja al bajar del caudal nominal. Sin embargo el propio fabricante en ejemplos de aplicación sugiere caudales de 900 l/h (15 l/min), lo que puede ser conveniente. De todas formas se optó el caudal mayor en este trabajo. Climatización de una vivienda - Problema refrigeración / calefacción combinado. El intercambio de calor de la casa en general se puede modelar como a.i+b.(tamb-tinterior)+c El primer término refiere a las ganancias directas por incidencia del sol en la vivienda, el segundo refiere al intercambio de calor por convección, y el tercero a las ganancias internas (por equipos y personas). Cuanto mejor aislada esté la edificación el término de las ganancias será menor, y menor incidencia tendrá cuanto menor el área irradiada en relación al volumen total, por ejemplo en edificios de varios pisos. A partir de ejemplos de la bibliografía modelamos entonces para esta vivienda una carga térmica de este tipo, que totaliza unos 10kW en los peores casos. Intercambio de calor de la casa = I.1,5m2 + (Tamb-Tinterior). 0,9 kw/ C + 2,35kW con I [kw/m2] Se desea mantener una Tinterior de 23 C en verano, y los datos son que I llega a 0,9 kw/m2 y la Tamb a 30. De esta forma el peor caso sería de 10kW. Para el invierno, la Tinterior deseada es de 20 C, la idea de todas formas es acumular en un tanque el agua caliente para circularla también durante la noche en las horas más frías. En invierno entonces a lo largo de las 24hs, tomando una Tamb media de 12 C, el calor que se debe aportar a lo largo de todo el día es igual al perdido, de 2,9+(-8).0,9.24+2,35.24=-113,4 kwh (para este cálculo se tomó que la integral de I a lo largo del día en julio era 1,9kWh/m2). Para el verano se desea tener 10kW a la salida del refrigerador, teniendo en cuenta que el COP está habitualmente en 0,55, se precisan 18kW. Con una diferencia de de aporte tan clara hay que priorizar la calefacción en invierno, si la ciudad es Montevideo (Lat 35 S), se tomará una inclinación de 45. Cada colector aportaría 6,6kWh diarios en julio, y 12kWh en enero (a 1,2 kw promedio en las 10 horas del día en que se precisa

6 refrigeración). Se desprende que si se desea cubrir la demanda de calefacción en invierno se precisan 17 colectores (calculado en base a la energía diaria), y si se desea cubrir la refrigeración en verano se precisan 15 colectores (calculado a partir de la potencia de 18kW que queremos lograr). Con estos resultados la elección sería probablemente instalar 16 colectores, en 4 ramales de 4 colectores en serie cada uno. Evidentemente el sistema es más conveniente cuando las temperaturas son más altas y es más necesaria la refrigeración. Si tomamos por ejemplo un caso en Salto (Lat 31 S), con temperaturas máximas de 34 C en verano y medias de 14 C en invierno, y la I en verano a 1,0 kw/m2. Si el modelo para el intercambio de calor de la casa es el mismo, el peor caso en verano sería de 1,5+11.0,9+2,35=13,75 kw. Suponiendo que tenemos un refrigerador del mismo tipo pero algo más grande con una potencia máxima de 13,75kW, debemos llegar a aportar 25kW con los colectores. En invierno, realizando un cálculo análogo resulta que el calor perdido es de 3,3+(-6).0,9.24+2,35.24=-69,9kWh (tomando la integral de I diaria como 2,2kWh/m2). Priorizando la refrigeración con una inclinación de 21, la potencia diaria será de 14,1kW (promedio de 1,2 kw en las 12 horas del día en que se precisa refrigeración)- Para aportar 25kW debería utilizar 21 colectores, probablemente optara por colocar 20. En invierno, la energía diaria aportada sería de 4,6kWh; los 20 colectores cubrirían la demanda diaria de 69,9kWh Evolución de temperaturas en un día promedio en enero. Comentarios sobre este tipo de sistemas Si el propósito es climatizar una vivienda, se aplican los mismos criterios que cuando se utiliza la energía solar térmica directamente en los muros acumuladores, y más que enfriar el aire que circula puede convenir enfriar los suelos y techos haciendo que éstos provean la inercia térmica adecuada por ejemplo para la noche. Esto significa usar losa radiante en invierno y los fría en verano. Puesto que el aire más frío baja, si el principal interés es refrigerar se suele circular el fluido por los techos, por ejemplo en las llamadas vigas frías. Hay que tener cuidado de no enfriar demasiado para evitar condensaciones, por ello las Disipadores Si bien la torre de enfriamiento es a menudo el sistema más efectivo para la disipación, puede ser problemática porque se evapora agua que hay que reponer, y se pueden formar bacterias. Otras son piscinas, ACS, pre-calentamiento de alguna otra cosa, ventilación, huecos subterráneos, y como calor latente en un material con cambio de fase para luego aprovecharlo en invierno. Diferencias de rendimiento con la temperatura

7 En Ali (2008) [1] se menciona una planta de enfriado de 35kW que también funciona con colectores de tubos evacuados en un rango similar. El refrigerador logra un COP mayor que llega a 0,8, pero de todas formas el rendimiento es similar. En [] se describe una planta en Sevilla trabaja a mayores temperaturas (alrededor de 170 C) con un colector concentrador con espejos fresnel lineales. A estas temperaturas se usa un refrigerador que tiene un COP entre 1.1 y Se logran mejores eficiencias, aunque precisan los cuidados habituales de los espejos: el rendimiento baja con espejos sucios y se precisa cierto seguimiento del sol. Si bien no forma parte de este estudio, el costo de estos sistemas es alto. La aplicación más directa de este tipo de sistemas en nuestro país sería pre-calentar el fluido que se utilice en refrigeradores ya existentes. Referencias [1] Performance assessment of an integrated free cooling and solar powered single-effect lithium bromide-water absorption chiller ; Ahmed Hamza H. Ali, Peter Noeres, Clemens Pollerberg, Solar energy 82 (2008) [2] Optimum hot water temperature for absorption solar cooling ; A. Lecuona, R. Ventas, M. Venegas, A. Zacarías, R. Salgado, Solar Energy 83 (2009)

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