Análisis de Factibilidad Técnico-Económico de colectores solares planos en viviendas tipo

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1 Análisis de Factibilidad Técnico-Económico de colectores solares planos en viviendas tipo Fundamentos de Energía Solar Térmica Maestría en Ingeniería de la Energía Universidad de la República Juan Pablo Saltre Noviembre, 2010 Revisión 1

2 Índice Índice Resumen Objetivos Introducción Datos asumidos... 7 A. De la vivienda... 7 B. De la demanda (consumo de ACS)... 7 C. Datos del recurso... 9 Aspectos técnicos Elección de la configuración Modelo para el cálculo energético Resultados de los modelos A. Colector Plano marca Termicol (origen España) B. Heat Pipe H 2 SOL Análisis Económico A. Colector Plano marca TERMICOL (origen España) B. Heat Pipe H 2 SOL Conclusiones... 50

3 Índice de Tablas Tabla 1 Consumo de ACS para diferentes aplicaciones según CTE Tabla 2 - Resumen valore de consumo de ACS por persona... 9 Tabla 3 Promedios mensuales de irradiación en Montevideo sobre PH Tabla 4 Factores de conversión mensual de PH a PI en Montevideo para distintos ángulos β Tabla 5 - Promedios de conversión de PH a PI Tabla 6 Promedios mensuales de irradiación en Montevideo sobre PI (β = 45º) Tabla 7 - Demanda de ACS por mes Tabla 8 - Relación entre Hora Civil y Hora Solar mensual Tabla 9 - Radiación horaria promedio en W/m Tabla 10 - Distribución horaria de temperatura ambiente Tabla 11 - Resumen 1 colector plano Tabla 12 - Resultados colector plano A p = 2,4m Tabla 13 - Resumen 2 colectores planos Tabla 14 Resultados colector plano A p = 4,8m Tabla 15 - Resumen 3 colectores planos Tabla 16 Resultados colector plano A p = 7,2m Tabla 17 - Resumen 4 colectores planos Tabla 18 - Resultados colector plano A p = 9,6m Tabla 19 - Resumen % de cobertura solar con colectores planos Tabla 20 Resumen de eficiencias para colectores planos Tabla 21 - Resumen 1 heat pipe Tabla 22 - Resultados heat pipe A p = 1,92m Tabla 23 - Resumen 2 heat pipes Tabla 24 - Resultados heat pipe A p = 3,84m Tabla 25 - Resumen 3 heat pipes... 42

4 Tabla 26 - Resultados heat pipe A p = 5,76m Tabla 27 - Resumen de % de cobertura solar para heat pipes Tabla 28 - Resumen de eficiencias para heat pipes Tabla 29 - Resultados económicos para colectores planos Tabla 30 - Resultados económicos para heat pipes Tabla 31 - Energía generada mensual por m2 de colector planos y heat pipe Tabla 32 - Comparativo de eficiencias Índice de Gráficos Gráfico 1 Promedios mensuales de irradiación en Montevideo sobre PH Gráfico 2 Factores de conversión de irradiación PH / PI mensuales en Montevideo Gráfico 3 - Promedios de conversión de PH a PI según ángulo de inclinación, β Gráfico 4 Promedios mensuales de irradiación en Montevideo sobre PI (β = 45º) Gráfico 5 Curvas de irradiación promedio PH y PI Gráfico 6 Consumo vs irradiación PH vs irradiación PI Gráfico 7 - Distribución diaria de temperatura ambiente y radiación para el mes de enero 20 Gráfico 8 - Curva de eficiencia de colector plano Termicol T25SR Gráfico 9 - Energía generada mensual, 1 colector plano Gráfico 10 - Energía generada mensual, 2 colectores planos Gráfico 11 - Energía generada mensual, 3 colectores planos Gráfico 12 - Energía generada mensual, 4 colectores Gráfico 13 - Energía generada mensual para colectores planos Gráfico 14 - % de cobertura solar mensuales para colectores planos Gráfico 15 - % de cobertura solar para colectores planos Gráfico 16 - Eficiencia mensual para colectores planos Gráfico 17 - Eficiencia para colectores planos... 36

5 Gráfico 18 - Curva de Eficiencia para heat pipes presurizados Gráfico 19 - Energía generada mensual, 1 heat pipe Gráfico 20 - Energía generada mensual, 2 heat pipes Gráfico 21 - Energía generada mensual, 3 heat pipes Gráfico 22 - Energía generada mensual para heat pipes Gráfico 23 - % de cobertura solar mensual para heat pipes Gráfico 24 - % de cobertura solar para heat pipes Gráfico 25 - Eficiencia mensual para heat pipes Gráfico 26 - Eficiencia para heat pipes Gráfico 27 - VAN y TIR para colectores planos Gráfico 28 - VAN y TIR para heat pipes Gráfico 29 - Comparativo eficiencias heat pipes y colectores planos... 51

6 1. Resumen En este informe se presentan los resultados obtenidos de un estudio genérico de factibilidad técnico-económico para la instalación de colectores solares para generación de agua caliente sanitaria (ACS) en viviendas unifamiliares tipo, situadas en el departamento de Montevideo. En la primera sección se describen las características del consumo a satisfacer, un estudio detallado del recurso solar disponible y aspectos técnicos generales. En la segunda sección se analizan las posibles configuraciones del sistema y se describe la seleccionada para su estudio posterior. En la tercera sección se presentan los resultados energéticos de cada sistema utilizando como base el recurso solar disponible en Montevideo. Finalmente, se realiza una evaluación económica y estudio de sensibilidad del proyecto y se analizan los resultados. 2. Objetivos Dimensionar una instalación solar térmica de agua caliente sanitaria estándar para una vivienda tipo. Diseñar una instalación solar térmica de agua caliente sanitaria estándar para una vivienda tipo. Realizar un estudio económico de la instalación y análisis de sensibilidad del mismo. 6

7 3. Introducción La energía solar, proveniente de una fuente inagotable y renovable como el Sol, puede ayudarnos a rebajar la factura energética doméstica, en particular en el caso de Uruguay la factura de energía eléctrica. Se debe tener en cuenta que, al tratarse de una energía que no emite gases de efecto invernadero, contribuye a mitigar el cambio climático. Tampoco emite gases nocivos (NOx) ni genera residuos que pudieran ser dañinos para la naturaleza o los seres humanos. Se busca estudiar el diseño de la instalación solar térmica para ACS, incluyendo el cálculo técnico de los principales elementos del circuito primario, una estimación de la inversión inicial y del ahorro tanto energético como económico que supone la utilización de colectores solares. Para poder realizar este estudio asumimos las siguientes suposiciones como datos de partida: Ciudad: Montevideo Vivienda unifamiliar (cuatro personas) con consumos de ACS típicos. Colectores a instalar: se estudiarán dos tipos de captadores: planos y heat pipes. Inclinación seleccionada para los colectores: 45º Orientación de los colectores: Norte Temperatura de acumulación solar: 50º. Información del recurso: Mapa Solar del Uruguay, serie de medidas de: Melilla (10/ /2009) y Archi ( ). 4. Datos asumidos A. De la vivienda La vivienda para este estudio se considera situada en la ciudad de Montevideo (34º53 S, 56º10 O), con una ocupación de cuatro personas en régimen continuo durante los doce meses del año. No se consideran posibles sombreamientos de los colectores solares debido a obstáculos. B. De la demanda (consumo de ACS) Para realizar un buen proyecto de producción de ACS con energía solar térmica es imprescindible que se ajuste a la realidad el consumo de ACS con la demanda estimada a la hora de dimensionar la instalación. Para ello es conveniente disponer de datos reales de consumo de ACS de la edificación en la que se va a realizar la instalación. Como es difícil disponer de datos reales de consumo (tanto para viviendas a construir como retrofits de existentes) se utilizarán datos generales típicos 7

8 Debido a que las curvas de demanda y de disponibilidad de recurso van contrapuestas, un sobredimensionamiento puede llevar (además de a invertir más de lo necesario) a problemas de sobrecalentamiento y sobrepresiones, mientras que una baja estimación de la demanda hará que no se aproveche al máximo el recurso solar, disminuyendo el retorno a la inversión. A continuación se presentan valores típicos de consumo: Criterio de la demanda Litros de ACS/día (60ºC) Viviendas unifamiliares 30 Por persona Viviendas multifamiliares 22 Por persona Hospitales y clínicas 55 Por cama Hoteles **** 70 Por cama Hoteles *** 55 Por cama Hoteles/Hostales ** 40 Por cama Camping 40 Por emplazamiento Hostales/Pensiones * 35 Por cama Residencias 55 Por cama Vestuarios/Duchas colectivas 15 Por servicio Escuelas 3 Por alumno Cuarteles 20 Por persona Fábricas y talleres 15 Por persona Administrativos 3 Por persona Gimnasios Por usuario Lavanderías 3 5 Por kg de ropa Restaurantes 5 10 Por comida Cafeterías 1 Por almuerzo Tabla 1 Consumo de ACS para diferentes aplicaciones según CTE 1. De otra bibliografía surge que un valor de 50 l/día por persona a 50ºC ha dado buenos resultados en la práctica. 2 1 Códigos Técnicos para le Edificación, Ministerio de Vivienda, España. 2 Energía Solar de Nestor Pedro Quadri 8

9 Para poder comparar los distintos valores de volúmenes diarios encontrados debemos compararlos a la misma temperatura de almacenamiento, en este caso 50ºC. Para esto utilizaremos la fórmula siguiente: Donde: demanda de ACS a temperatura T. demanda de ACS a ºC. temperatura del agua de la red. Con lo que obtenemos: litros/día 50ºC D 1 60ºC) 30 37,5 D 2 50ºC) Tabla 2 - Resumen valore de consumo de ACS por persona De la información disponible utilizamos el valor más conservador, que resulta en 50 litros por día por persona a 50ºC. C. Datos del recurso Como se indicó anteriormente para este estudio se tomarán en cuenta los siguientes datos disponibles: 1. Mapa Solar del Uruguay 3 2. Serie de datos de estación Melilla Serie de datos Archi Se utilizaron los datos desde el 01/08/97 al 31/12/ Se utilizaron los datos desde el 01/01/80 al 31/12/84. 9

10 kwh/m2.día Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic Promedio Mapa Solar 6,4 5,6 4,4 3,3 2,4 1,9 2,2 2,7 3,7 4,8 6,0 6,3 4,1 Melilla 5,6 4,3 3,9 2,4 2,0 1,7 1,9 2,5 3,5 4,7 4,9 5,2 3,6 Archi 6,6 5,6 4,7 3,2 2,2 1,6 2,0 2,8 4,0 5,0 5,6 6,8 4,2 Tabla 3 Promedios mensuales de irradiación en Montevideo sobre PH kwh/m 2.día Mapa Solar Serie Melilla Serie Archi Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 1 Promedios mensuales de irradiación en Montevideo sobre PH Las tres series muestran una buena correlación, destacándose la serie Archi con los resultados del Mapa Solar. Teniendo en cuenta la metodología utilizada para la elaboración del Mapa Solar y que se utilizaron múltiples series para su cálculo optamos por tomar estos valores mensuales como válidos. Para cálculos horarios usaremos los resultados promedio de la serie Archi por no poseer datos diarios del Mapa Solar. Como se puede observar en la gráfica, la curva de disponibilidad del recurso es más alta en los meses de verano, coincidiendo con los meses que, en teoría, habría menos demanda. La inclinación seleccionada para los colectores (45ºC orientado al Norte) se adoptó para maximizar la radiación en los meses de invierno, cuando el recurso es más escaso. 10

11 Plano inclinado Se debe tener en cuenta que estos datos son de irradiancia sobre una superficie horizontal. Considerando que nuestros colectores van a estar inclinados presentamos a continuación los coeficientes de conversión de PH a PI para distintos ángulos β: 8 Inclinación Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic 90º 0,420 0,508 0,649 0,842 1,024 1,032 1,090 0,947 0,720 0,550 0,470 0,403 75º 0,564 0,658 0,803 0,981 1,152 1,151 1,216 1,084 0,866 0,698 0,608 0,543 65º 0,659 0,749 0,889 1,051 1,210 1,205 1,270 1,149 0,946 0,787 0,697 0,638 55º 0,747 0,830 0,960 1,103 1,244 1,237 1,298 1,192 1,009 0,865 0,779 0,727 45º 0,826 0,899 1,013 1,133 1,254 1,244 1,301 1,211 1,053 0,928 0,852 0,807 35º 0,892 0,952 1,046 1,142 1,238 1,229 1,276 1,205 1,078 0,976 0,911 0,876 25º 0,943 0,988 1,059 1,128 1,198 1,190 1,226 1,175 1,081 1,006 0,956 0,931 15º 0,979 1,007 1,051 1,092 1,135 1,129 1,152 1,121 1,064 1,017 0,986 0,971 0º 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 Tabla 4 Factores de conversión mensual de PH a PI en Montevideo para distintos ángulos β 1,400 1,200 90º 1,000 75º H T / H 0,800 0,600 0,400 65º 55º 45º 35º 25º 15º 0º 0,200 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic Gráfico 2 Factores de conversión de irradiación PH / PI mensuales en Montevideo 8 Para el cálculo de la fracción difusa se utilizó el modelo de Erbs et al. 11

12 Si bien el ángulo de inclinación que maximiza la radiación durante todo el año es igual a la latitud (en nuestro caso 35º), buscamos maximizar la radiación durante los meses de invierno para llegar a una curva de recurso más suavizada y compatibilizada con la curva de demanda, que en los meses más fríos es mayor. A continuación se muestra este fenómeno: Inclinación (º) Anual Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov 90 0,721 0,444 0,839 1,023 0, ,860 0,588 0,978 1,150 0, ,938 0,682 1,050 1,208 0, ,999 0,768 1,102 1,242 0, ,043 0,844 1,133 1,252 0, ,068 0,907 1,142 1,237 0, ,073 0,954 1,128 1,197 1, ,059 0,985 1,092 1,134 1, ,000 1,000 1,000 1,000 1,000 Tabla 5 - Promedios de conversión de PH a PI 1,400 1,200 1,000 H T / H 0,800 0,600 0,400 0,200 Anual Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov 0, Ángulo de inclinación, b Gráfico 3 - Promedios de conversión de PH a PI según ángulo de inclinación, β 12

13 Al inclinar los paneles 10 grados sobre la latitud del lugar (para hemisferio sur), se consigue optimizar la captación para los meses de invierno, y por lo tanto, hacer que la curva del recurso sea más plana, acercándose así más a la de demanda. A continuación se presenta los valores de radiación mensual en PI con β = 45º. Si bien se presentan los valores de las tres series de datos tratadas hasta el momento de aquí en más manejaremos los promedios mensuales resultantes del Mapa Solar kwh/m2 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Promedio Mapa Solar 5,3 4,6 3,6 2,7 2,0 1,6 1,8 2,2 3,1 4,0 5,0 5,2 3,4 Melilla 4,6 3,6 3,2 2,0 1,7 1,4 1,6 2,1 2,9 3,9 4,0 4,3 2,9 Archi 5,4 4,6 3,9 2,6 1,8 1,3 1,6 2,3 3,3 4,1 4,6 5,6 3,4 R 0,826 0,899 1,013 1,133 1,254 1,244 1,301 1,211 1,053 0,928 0,852 0,807 1,0 N max 14,1 13,3 12,2 11,1 10,2 9,7 9,9 10,7 11,8 12,9 13,9 14,3 12,0 I prom (W/m2) ,6 Tabla 6 Promedios mensuales de irradiación en Montevideo sobre PI (β = 45º) En la tabla anterior también se indica la cantidad de horas máximas por día promedio de cada mes (N max ) y a partir de estas se calcula la radiación promedio. Como es sabe la radiación varía con la altura solar, por lo que este valor solo tiene un sentido indicativo. Más adelante se presenta la distribución de la radiación horaria. 6,0 5,0 kwh/m 2.día 4,0 3,0 2,0 1,0 Mapa Solar Melilla Archi 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 4 Promedios mensuales de irradiación en Montevideo sobre PI (β = 45º) 13

14 7,00 6,00 5,00 kwh/m 2.día 4,00 3,00 2,00 PH PI 1,00 0,00 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 5 Curvas de irradiación promedio PH y PI Como se observa Gráfico 5 Curvas de irradiación promedio PH y PI mediante la inclinación de los colectores se logra maximizar la radiación en los meses de invierno perdiendo energía en los meses de verano, suavizando así la curva del recurso. Haciendo esta corrección no solo se logra un menor tamaño de instalación para satisfacer la misma demanda en los meses de invierno, cuando la disponibilidad del recurso es menor. Además es una forma de evitar que se sobrecaliente en los meses veraniegos, en los que la energía que llega al colector es mucho mayor, y en los que la demanda de ACS puede ser menor. A continuación, en la Tabla 7 - Demanda de ACS por mes, se calcula la demanda de energía para el ACS mensual, teniendo en cuenta los día por mes, la temperatura de agua de la red 9 y la demanda anteriormente indicada de 50 litros por día por persona a 50ºC. 9 De la información relevada se concluye que la temperatura del agua de red en Uruguay varía a lo largo del año entre los 10 y 15ºC. Se utilizo una curva de variación mensual entre esos valores que acompaña la curva de variación de la temperatura ambiente. 14

15 Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic # días T amb (ºC) 10 22,7 22,3 20,5 17,2 13, ,7 11,5 13,2 15,7 18,3 21,1 T red (ºC) 15,0 14,9 14,2 12,8 11,4 10,2 10,1 10,4 11,1 12,2 13,2 14,4 Demanda 50ºC) ΔT 35,0 35,1 35,8 37,2 38,6 39,8 39,9 39,6 38,9 37,8 36,8 35,6 Energía (MJ/mes) 907,9 821,6 929,0 933,6 1000,3 998,4 1034,9 1026,3 975,4 980,9 922,1 922,6 Energía (kwh/mes) 252,2 228,2 258,1 259,3 277,9 277,3 287,5 285,1 270,9 272,5 256,1 256,3 Energía (kwh/día) 8,1 8,2 8,3 8,6 9,0 9,2 9,3 9,2 9,0 8,8 8,5 8,3 Tabla 7 - Demanda de ACS por mes Finalmente, en el Gráfico 6 Consumo vs irradiación PH vs irradiación PI se muestra como la inclinación de los captadores ayuda a compatibilizar la curva del recurso solar con la demanda, aunque el déficit en los meses de invierno se mantiene. 350,0 7,0 300,0 6,0 250,0 5,0 kwh/mes 200,0 150,0 100,0 4,0 3,0 2,0 kwh/m 2.día Consumo Mapa Solar PI Mapa Solar PH 50,0 1,0 0,0 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic 0,0 Gráfico 6 Consumo vs irradiación PH vs irradiación PI 10 Dirección Nacional de Meteorología. 15

16 Fracción horaria mensual En una primera instancia se calcula para el día promedio de cada mes la relación entre la hora civil y la hora solar ω. Se obtiene: Hora Solar ω [rad] Hora Civil Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic 0 3,11 3,14 3,12 3,08 3,06 3,07 3,10 3,10 3,06 3,01 3,01 3,04 1 2,85 2,88 2,85 2,81 2,80 2,81 2,84 2,83 2,79 2,75 2,75 2,78 2 2,59 2,61 2,59 2,55 2,53 2,55 2,58 2,57 2,53 2,49 2,48 2,52 3 2,33 2,35 2,33 2,29 2,27 2,29 2,32 2,31 2,27 2,23 2,22 2,26 4 2,07 2,09 2,07 2,03 2,01 2,02 2,05 2,05 2,01 1,97 1,96 2,00 5 1,80 1,83 1,81 1,77 1,75 1,76 1,79 1,79 1,75 1,70 1,70 1,74 6 1,54 1,57 1,55 1,51 1,49 1,50 1,53 1,52 1,48 1,44 1,44 1,47 7 1,28 1,30 1,28 1,24 1,23 1,24 1,27 1,26 1,22 1,18 1,18 1,21 8 1,02 1,04 1,02 0,98 0,96 0,98 1,01 1,00 0,96 0,92 0,91 0,95 9 0,76 0,78 0,76 0,72 0,70 0,72 0,75 0,74 0,70 0,66 0,65 0, ,50 0,52 0,50 0,46 0,44 0,45 0,48 0,48 0,44 0,39 0,39 0, ,23 0,26 0,24 0,20 0,18 0,19 0,22 0,22 0,18 0,13 0,13 0, ,03 0,00 0,03 0,07 0,08 0,07 0,04 0,05 0,09 0,13 0,13 0, ,29 0,27 0,29 0,33 0,35 0,33 0,30 0,31 0,35 0,39 0,39 0, ,55 0,53 0,55 0,59 0,61 0,59 0,56 0,57 0,61 0,65 0,66 0, ,81 0,79 0,81 0,85 0,87 0,86 0,83 0,83 0,87 0,91 0,92 0, ,08 1,05 1,07 1,11 1,13 1,12 1,09 1,09 1,13 1,18 1,18 1, ,34 1,31 1,33 1,37 1,39 1,38 1,35 1,35 1,40 1,44 1,44 1, ,60 1,57 1,60 1,64 1,65 1,64 1,61 1,62 1,66 1,70 1,70 1, ,86 1,84 1,86 1,90 1,92 1,90 1,87 1,88 1,92 1,96 1,97 1, ,12 2,10 2,12 2,16 2,18 2,16 2,13 2,14 2,18 2,22 2,23 2, ,38 2,36 2,38 2,42 2,44 2,43 2,40 2,40 2,44 2,49 2,49 2, ,65 2,62 2,64 2,68 2,70 2,69 2,66 2,66 2,70 2,75 2,75 2, ,91 2,88 2,91 2,95 2,96 2,95 2,92 2,93 2,97 3,01 3,01 2,98 Tabla 8 - Relación entre Hora Civil y Hora Solar mensual 16

17 Calculando para cada mes el ω s y conocida la radiación media mensual obtenemos la radiación horaria mensual para las 24 horas del día promedio de cada mes: Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Tabla 9 - Radiación horaria promedio en W/m 2 17

18 Evolución diaria de la temperatura ambiente Dado que los cálculos de la estimación de la energía aprovechada por los captadores se hace hora a hora, y que solo disponemos de datos de temperatura ambiente media, media máxima y media mínima, es necesario estimar la temperatura ambiente para cada una de las horas del día, para cada uno de los meses. Un modelo sencillo, pero que se ajusta bien a observaciones experimentales, se logra considerando que la temperatura ambiente evoluciona de forma parecida a como lo hace la radiación solar, aunque con un retraso de dos horas. Un conjunto de ecuaciones acorde con estos supuestos, que permite calcular la temperatura ambiente T amb para cualquier hora solar del día ω, en función de la T min y la T max es: para -π < ω <ω s T T T T 2 1 cos aω b donde: 6 2 para ω s < ω < π/6 T T T T 2 1 cos aω b donde: 6 6 para π/6 < ω < π T T T T 2 1 cos aω b donde:

19 De esta manera resulta: Hora T [ºC] Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic T max [ºC] 27, ,7 18, ,6 20,3 22,8 26,1 T min [ºC] 17,8 17,8 16,1 12,6 9,6 7,0 6,8 7,3 8,7 11,2 13,5 16,5 0 20,2 20,3 18,7 15,4 12,5 9,8 9,7 10,2 11,2 13,4 15,5 18,5 1 19,4 19,5 18,0 14,7 11,8 9,1 9,0 9,4 10,5 12,6 14,7 17,7 2 18,7 18,8 17,3 14,0 11,1 8,5 8,4 8,8 9,9 12,0 14,1 17,1 3 18,2 18,3 16,8 13,4 10,6 8,0 7,8 8,2 9,3 11,6 13,7 16,7 4 17,9 18,0 16,4 13,0 10,1 7,5 7,4 7,8 9,0 11,3 13,5 16,5 5 17,8 17,8 16,2 12,7 9,8 7,2 7,0 7,5 8,8 11,2 13,6 16,6 6 18,2 17,9 16,1 12,6 9,6 7,1 6,9 7,3 8,7 11,5 14,1 17,1 7 19,1 18,6 16,6 12,9 9,7 7,0 6,8 7,4 9,2 12,3 15,1 18,2 8 20,5 19,8 17,6 13,8 10,4 7,5 7,3 8,2 10,3 13,7 16,5 19,6 9 22,2 21,3 19,1 15,4 11,9 8,7 8,5 9,6 11,9 15,3 18,1 21, ,9 22,9 20,8 17,2 13,8 10,4 10,2 11,4 13,6 17,0 19,7 22, ,6 24,5 22,5 19,0 15,7 12,2 12,0 13,2 15,3 18,5 21,1 24, ,8 25,8 23,8 20,5 17,3 13,8 13,7 14,7 16,7 19,6 22,2 25, ,7 26,7 24,7 21,5 18,3 14,8 14,7 15,7 17,4 20,2 22,7 26, ,9 27,0 25,0 21,7 18,5 15,0 15,0 16,0 17,6 20,3 22,8 26, ,8 26,9 24,9 21,6 18,4 14,9 14,9 15,9 17,5 20,1 22,6 25, ,4 26,6 24,6 21,3 18,1 14,7 14,7 15,6 17,1 19,7 22,2 25, ,9 26,2 24,2 20,9 17,7 14,3 14,3 15,2 16,7 19,2 21,6 24, ,1 25,5 23,6 20,3 17,1 13,8 13,9 14,7 16,1 18,5 20,9 24, ,3 24,8 22,9 19,6 16,5 13,3 13,3 14,1 15,4 17,8 20,1 23, ,3 23,9 22,1 18,8 15,8 12,6 12,6 13,4 14,6 16,9 19,1 22, ,2 23,0 21,3 18,0 15,0 12,0 11,9 12,6 13,8 16,0 18,2 21, ,2 22,1 20,4 17,1 14,2 11,2 11,2 11,8 12,9 15,1 17,2 20, ,2 21,2 19,5 16,3 13,3 10,5 10,4 11,0 12,1 14,2 16,3 19,4 Tabla 10 - Distribución horaria de temperatura ambiente 19

20 Enero 30,0 700,0 25,0 600,0 20,0 500,0 T [ºC] ºC 15,0 400,0 300,0 W/m 2 Radiación [W/m2] 10,0 200,0 5,0 100,0 0, Hora 0,0 Gráfico 7 - Distribución diaria de temperatura ambiente y radiación para el mes de enero 20

21 Aspectos técnicos Se puede definir una instalación solar térmica como aquella constituida por un conjunto de componentes encargados de realizar las funciones de captar la radiación solar, transformarla directamente en energía térmica cediéndola a un fluido de trabajo y por último almacenar dicha energía térmica de forma eficiente, ya sea en el mismo fluido de trabajo de los captadores como en otro fluido para poder utilizarla en los puntos de consumo. Los sistemas que conforman una instalación solar térmica son los siguientes: Sistema de captación, formado por los colectores con la función de transformar la radiación solar incidente en energía térmica de forma que se calienta el fluido de trabajo que circula por ellos. Sistema de acumulación, constituido por uno o varios depósitos donde se almacena el fluido caliente para su uso. Circuito hidráulico, formado por tuberías, bombas (no aplica a el caso de estudio), válvulas, etc. Sistema de intercambio que realiza la transferencia de energía del fluido de los colectores al otro fluido (caso de instalación solar térmica cerrada formada por un circuito primario asociado al conjunto de colectores y un circuito secundario por el cual circula el fluido, en este caso agua para satisfacer necesidades de ACS) Sistema de regulación y control, el cual busca maximizar el aporte solar y por otro lado actúa como protección frente a sobrecalentamientos. Sistema de apoyo o auxiliar, se trata de un equipo alimentado con una fuente de energía tradicional y con capacidad para suministrar energía para el 100% de las necesidades con la finalidad de complementar el aporte solar hasta alcanzar la demanda en momentos de poca disponibilidad El objetivo básico de la instalación es optimizar el ahorro energético global teniendo en cuenta la inversión a realizar, garantizar durabilidad y calidad suficientes y seguridad en el uso. 21

22 5. Elección de la configuración Configuración 1: Sistema directo Consiste en que la misma agua que circula por el colector se utilice para el consumo. Es el sistema más sencillo y económico y se debería construir el colector y demás elementos con materiales adecuados para no afectar el agua de consumo. Configuración 2: Sistema indirecto. En estos sistemas el agua del colector circula separada del agua de consumo del sistema. El agua de consumo domiciliario se calienta en forma indirecta por transmisión de calor del agua que circula por el circuito del colector solar en un tanque intermedio, que al mismo tiempo actúa como almacenamiento. A esta agua se le pueden agregar soluciones para evitar el congelamiento (no sería el caso de Uruguay) y/o la corrosión. En estos sistemas debe tomarse previsiones para las altas temperaturas que puede alcanzar el fluido dentro del colector debido al poco volumen de agua que contienen, principalmente en verano. Para evitar esto se debe instalar un tanque de expansión que absorba la expansión del agua y una válvula de seguridad que alivie vapor eventualmente generado o presiones excesivas. Configuración seleccionada para el proyecto Para este estudio se selecciona un sistema indirecto con un tanque intermedio acumulador. La salida del acumulador (será del tipo adosado a la parte superior del colector) se conectará a la entrada del calefón de la vivienda (que se asume existente). De esta manera se aportará la energía necesaria en los momentos deficitarios, asegurando la disponibilidad del sistema en todo momento. La circulación del fluido caloportador en el circuito cerrado será realizada por efecto termosifón, evitándose la instalación de una bomba. Se deberá instalar un tanque de expansión y una válvula de sobrepresión para proteger el sistema. En este estudio se analizarán colectores de las dos familias: colectores de placas planas y heat pipes comparando los retornos de la inversión de cada uno. 22

23 6. Modelo para el cálculo energético Debido a que las dos tecnologías estudiadas (colectores planos y heat pipe) presentan comportamientos físicos distintos fue necesario desarrollar dos modelos de cálculos distintos. Estos modelos fueron implementados en planillas Excel con la función de cálculo iterativo habilitado. Con estos modelos se simula el comportamiento del sistema hora a hora para los días promedio de cada mes del año. En ambos casos se realizan las siguientes suposiciones: i. Consumo de ACS constante de 12,5 litros/ hora en un período de 16 horas (200litros / 16 horas). ii. La temperatura del agua de red varía a lo largo del año con un mínimo de 10ºC y un máximo de 15ºC, copiando la curva de la temperatura ambiente promedio mensual. iii. No se tienen en cuenta los transitorios debido al calentamiento de los componentes del sistema. iv. Resistencia eléctrica en tanque acumulador de 2.0kW. v. Tanque acumulador cilíndrico de 200 litros con las siguientes dimensiones: a. Diámetro: 660mm b. Largo: 1262mm vi. Aislación del tanque acumulador: poliuretano inyectado de 80mm de espesor. vii. La energía complementaria es eléctrica, mediante resistencia. De los resultados se observa que al segundo día de operación el sistema entra en régimen y que la energía generada de fuente solar para los distintos equipos analizados es la siguiente: Nota modelo colectores planos: En el caso del modelo para colectores planos se debió realizar una suposición adicional consistente en el caudal de circulación del fluido caloportador (circuito primario). Una vez implementado el modelo se verifico que diferencias importantes en este valor no afectan el resultado del estudio, por lo que concluimos que es una variable muy poco sensible y por ende el error que la misma pueda tener no compromete los resultados obtenidos. Sin importar esto, se podría realizar una mejora al modelo incorporando la ecuación de variación de densidad debido a los cambios de temperatura (efecto termosifón). Como es imposible conocer en detalle los circuitos hidráulicos primarios se debiera obtener un valor de referencia para un punto de trabajo mediante un ensayo al colector. 23

24 7. Resultados de los modelos A continuación se presentan los resultados de las simulaciones de los dos tipos de colectores estudiados. A. Colector Plano marca Termicol (origen España) El colector seleccionado para el estudio (marca Termicol, modelo T25SR, superficie ultraselectiva) presenta la siguiente curva de eficiencia: 0,769 3,946 Curvas de Eficiencia 0,017 η 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 Colector Plano Heat Pipe Gráfico 8 - Curva de eficiencia de colector plano Termicol T25SR El sistema incluye: captadores (desde 1 hasta 4), tanque acumulador, tanque de expansión, válvula de sobrepresión, estructura soporte y otros accesorios. Cada colector tiene un área de apertura de 2,4m 2 y se estudian sistemas con 1, 2, 3 y 4 colectores manteniendo el resto de la instalación igual. 24

25 Se obtienen los siguientes resultados: 1 Colector Captadores: 1 T setpoint [ºC] 50 V acum [l]: 200 A apertura [m 2 ] 2,4 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Colectores Día 1 Día 2 Con 9,24 2,87 2,87 Sin 14,63 8,26 8,26 Con 9,71 3,36 3,36 Sin 14,64 8,28 8,28 Con 10,54 3,83 3,83 Sin 15,19 8,49 8,49 Con 13,20 5,77 5,77 Sin 16,29 8,86 8,86 Con 15,49 7,41 7,41 Sin 17,30 9,23 9,23 Con 17,48 8,80 8,80 Sin 18,24 9,56 9,56 Con 16,88 8,18 8,18 Sin 18,29 9,59 9,59 Con 15,57 6,97 6,97 Sin 18,10 9,50 9,50 Con 14,20 5,83 5,83 Sin 17,68 9,31 9,31 Con 11,92 4,02 4,02 Sin 16,92 9,03 9,03 Con 11,79 4,36 4,36 Sin 16,17 8,74 8,74 Con 9,85 3,09 3,09 Sin 15,17 8,41 8,41 TOTAL 1299 Día 3 Días Ahorro Tabla 11 - Resumen 1 colector plano 25

26 Mes # días Radiación [kwh/m2] Ahorro [kwh/día] Ahorro 1 colector, A apertura = 2,4 m2 Consumo % cobertura solar Energía solar disponible Eficiencia Enero ,8 5,4 167,1 252,2 66% 393,2 42% Febrero ,9 4,9 137,9 228,2 60% 338,2 41% Marzo ,1 4,7 144,3 258,1 56% 331,5 44% Abril ,2 3,1 92,8 259,3 36% 269,3 34% Mayo 31 93,3 1,8 56,3 277,9 20% 223,9 25% Junio 30 70,9 0,8 22,8 277,3 8% 170,2 13% Julio 31 88,7 1,4 43,7 287,5 15% 212,9 21% Agosto ,4 2,5 78,4 285,1 27% 243,3 32% Septiembre ,9 3,5 104,4 270,9 39% 280,6 37% Octubre ,1 5,0 155,1 272,5 57% 331,5 47% Noviembre ,3 4,4 131,5 256,1 51% 367,9 36% Diciembre ,7 5,3 165,0 256,3 64% 378,4 44% Tabla 12 - Resultados colector plano A p = 2,4m 2 180,0 160,0 140,0 120,0 kwh/mes 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 1 Colector Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 9 - Energía generada mensual, 1 colector plano 26

27 2 Colectores Captadores: 2 T setpoint [ºC] 50 V acum [l]: 200 A apertura [m 2 ] 2,4 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Colectores Día 1 Día 2 Con 7,29 0,80 0,80 Sin 14,63 8,26 8,26 Con 7,65 1,24 1,24 Sin 14,64 8,28 8,28 Con 8,41 1,69 1,69 Sin 15,19 8,49 8,49 Con 11,34 3,91 3,91 Sin 16,29 8,86 8,86 Con 14,04 5,97 5,97 Sin 17,30 9,23 9,23 Con 16,83 8,14 8,14 Sin 18,24 9,56 9,56 Con 15,68 6,98 6,98 Sin 18,29 9,59 9,59 Con 13,83 5,23 5,23 Sin 18,10 9,50 9,50 Con 12,21 3,85 3,85 Sin 17,68 9,31 9,31 Con 9,70 1,75 1,75 Sin 16,92 9,03 9,03 Con 9,78 2,35 2,35 Sin 16,17 8,74 8,74 Con 7,90 1,10 1,10 Sin 15,17 8,41 8,41 TOTAL 1953 Día 3 Días Ahorro Tabla 13 - Resumen 2 colectores planos 27

28 Mes # días Radiación [kwh/m2] Ahorro [kwh/día] Ahorro 2 colectores, A apertura = 4,8 m2 Consumo % cobertura Energía solar disponible Eficiencia Enero ,8 7,5 231,2 252,2 92% 786,3 29% Febrero ,9 7,0 197,1 228,2 86% 676,5 29% Marzo ,1 6,8 210,7 258,1 82% 663,1 32% Abril ,2 5,0 148,6 259,3 57% 538,5 28% Mayo 31 93,3 3,3 101,1 277,9 36% 447,8 23% Junio 30 70,9 1,4 42,5 277,3 15% 340,5 12% Julio 31 88,7 2,6 81,0 287,5 28% 425,8 19% Agosto ,4 4,3 132,5 285,1 46% 486,5 27% Septiembre ,9 5,5 164,0 270,9 61% 561,2 29% Octubre ,1 7,3 225,6 272,5 83% 662,9 34% Noviembre ,3 6,4 191,6 256,1 75% 735,7 26% Diciembre ,7 7,3 226,9 256,3 89% 756,8 30% Tabla 14 Resultados colector plano A p = 4,8m 2 250,0 200,0 kwh/mes 150,0 100,0 50,0 2 Colectores 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 10 - Energía generada mensual, 2 colectores planos 28

29 3 Colectores Captadores: 3 T setpoint [ºC] 50 V acum [l]: 200 A apertura [m 2 ] 2,4 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Colectores Día 1 Día 2 Con 7,04 0,00 0,00 Sin 14,63 8,26 8,26 Con 7,06 0,15 0,15 Sin 14,64 8,28 8,28 Con 7,51 0,58 0,58 Sin 15,19 8,49 8,49 Con 10,32 2,88 2,88 Sin 16,29 8,86 8,86 Con 13,17 5,10 5,10 Sin 17,30 9,23 9,23 Con 16,26 7,57 7,57 Sin 18,24 9,56 9,56 Con 14,85 6,15 6,15 Sin 18,29 9,59 9,59 Con 12,79 4,19 4,19 Sin 18,10 9,50 9,50 Con 11,09 2,72 2,72 Sin 17,68 9,31 9,31 Con 9,00 0,58 0,58 Sin 16,92 9,03 9,03 Con 8,81 1,35 1,35 Sin 16,17 8,74 8,74 Con 7,44 0,06 0,06 Sin 15,17 8,41 8,41 TOTAL 2307 Día 3 Días Ahorro Tabla 15 - Resumen 3 colectores planos 29

30 Mes # días Radiación [kwh/m2] Ahorro [kwh/día] Ahorro 3 colectores, A apertura = 7,2 m2 Consumo % cobertura Energía solar disponible Eficiencia Enero ,8 8,3 256,0 252,2 100% 1179,5 22% Febrero ,9 8,1 227,8 228,2 100% 1014,7 22% Marzo ,1 7,9 245,0 258,1 95% 994,6 25% Abril ,2 6,0 179,4 259,3 69% 807,8 22% Mayo 31 93,3 4,1 128,1 277,9 46% 671,6 19% Junio 30 70,9 2,0 59,6 277,3 21% 510,7 12% Julio 31 88,7 3,4 106,8 287,5 37% 638,6 17% Agosto ,4 5,3 164,5 285,1 58% 729,8 23% Septiembre ,9 6,6 197,7 270,9 73% 841,8 23% Octubre ,1 8,4 261,9 272,5 96% 994,4 26% Noviembre ,3 7,4 221,7 256,1 87% 1103,6 20% Diciembre ,7 8,4 258,9 256,3 100% 1135,2 23% Tabla 16 Resultados colector plano A p = 7,2m 2 300,0 250,0 200,0 kwh/mes 150,0 100,0 3 Colectores 50,0 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 11 - Energía generada mensual, 3 colectores planos 30

31 4 Colectores Captadores: 4 T setpoint [ºC] 50 V acum [l]: 200 A apertura [m 2 ] 2,4 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Colectores Día 1 Día 2 Con 7,04 0,00 0,00 Sin 14,63 8,26 8,26 Con 7,06 0,00 0,00 Sin 14,64 8,28 8,28 Con 7,43 0,00 0,00 Sin 15,19 8,49 8,49 Con 9,66 2,22 2,22 Sin 16,29 8,86 8,86 Con 12,51 4,43 4,43 Sin 17,30 9,23 9,23 Con 15,79 7,10 7,10 Sin 18,24 9,56 9,56 Con 14,28 5,57 5,57 Sin 18,29 9,59 9,59 Con 12,18 3,57 3,57 Sin 18,10 9,50 9,50 Con 10,41 2,03 2,03 Sin 17,68 9,31 9,31 Con 8,91 0,00 0,00 Sin 16,92 9,03 9,03 Con 8,30 0,71 0,71 Sin 16,17 8,74 8,74 Con 7,44 0,00 0,00 Sin 15,17 8,41 8,41 TOTAL 2481 Día 3 Días Ahorro Tabla 17 - Resumen 4 colectores planos 31

32 Mes # días Radiación [kwh/m2] Ahorro [kwh/día] Ahorro 4 colectores, A apertura = 9,6 m2 Consumo % cobertura Energía solar disponible Eficiencia Enero ,8 8,3 256,0 252,2 100% 1572,7 16% Febrero ,9 8,3 231,9 228,2 100% 1353,0 17% Marzo ,1 8,5 263,1 258,1 100% 1326,2 20% Abril ,2 6,6 199,4 259,3 77% 1077,0 19% Mayo 31 93,3 4,8 148,6 277,9 53% 895,5 17% Junio 30 70,9 2,5 73,7 277,3 27% 681,0 11% Julio 31 88,7 4,0 124,5 287,5 43% 851,5 15% Agosto ,4 5,9 183,7 285,1 64% 973,1 19% Septiembre ,9 7,3 218,4 270,9 81% 1122,4 19% Octubre ,1 9,0 279,9 272,5 100% 1325,8 21% Noviembre ,3 8,0 240,8 256,1 94% 1471,5 16% Diciembre ,7 8,4 260,9 256,3 100% 1513,5 17% Tabla 18 - Resultados colector plano A p = 9,6m 2 300,0 250,0 200,0 kwh/mes 150,0 100,0 4 Colectores 50,0 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 12 - Energía generada mensual, 4 colectores 32

33 Resumen Energía Generada A continuación presentamos un resumen de los resultados obtenidos a partir de los cuatro escenarios estudiados: 300,0 250,0 200,0 kwh/mes 150,0 100,0 50,0 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 1 Colector 2 Colectores 3 Colectores 4 Colectores Gráfico 13 - Energía generada mensual para colectores planos Se observa en el Error! No se encuentra el origen de la referencia. un aumento interesante de la energía generada mensualmente al pasar de 1 solo captador a 2 captadores en el sistema. Como es de suponer sucesivos captadores adicionales provocan efectos cada vez menores. Este efecto es más notorio en los meses de verano, donde por ejemplo al pasar de 3 a 4 captadores no hay cambio alguno, ya que con 3 captadores ya se generaba el 100% de lo requerido. 33

34 Porcentaje de cobertura solar Si definimos la el porcentaje de cobertura solar del sistema como: í í obtenemos los siguientes resultados: 120% 100% % cobertura 80% 60% 40% 20% 1 Colector 2 Colectores 3 Colectores 4 Colectores 0% Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 14 - % de cobertura solar mensuales para colectores planos Los resultados son similares a los observados en la página anterior obtenidos del gráfico de energía generada. Como era de esperar, en los meses donde pasar de 3 a 4 captadores no aumentaba la energía generada el porcentaje de cobertura solar es 100%. Porcentaje de cobertura solar 1 colector 41,73% 2 colectores 62,50% 3 colectores 73,50% 4 colectores 78,28% Tabla 19 - Resumen % de cobertura solar con colectores planos 34

35 100,00% 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% % cobertura 50,00% 40,00% 30,00% 1 colector 2 colectores 3 colectores 4 colectores Gráfico 15 - % de cobertura solar para colectores planos Eficiencia del Sistema 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 1 colector 2 colectores 3 colectores 4 colectores Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 16 - Eficiencia mensual para colectores planos Al estudiar la eficiencia mensual para distintas cantidades de captadores se obtienen resultados interesantes. Como se aprecia en el Gráfico 16 - Eficiencia mensual para colectores planos existe una amplia dispersión en las eficiencias de las distintas configuraciones en los meses de verano y muy poca en los meses de invierno, siendo prácticamente constante en el mes de junio. Esto se produce debido a las temperaturas medias en los captadores que se obtiene. Por ejemplo, en enero la temperatura máxima de 35

36 salida de los captadores llega a 59,5ºC con un captador y a 92,6ºC con 4 captadores, mientras que en junio para un captador se logra una temperatura máxima de salida del mismo de 49,8ºC y para cuatro captadores de 54,6ºC. Eficiencia del sistema 1 colector 34,66% 2 colectores 26,54% 3 colectores 21,14% 4 colectores 17,24% Tabla 20 Resumen de eficiencias para colectores planos 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% Eficiencia 20,00% 10,00% 0,00% 1 colector 2 colectores 3 colectores 4 colectores Gráfico 17 - Eficiencia para colectores planos 36

37 B. Heat Pipe H 2 SOL El heat pipe seleccionado para el estudio (ofrecido por H 2 SOL, tipo presurizado) presenta la siguiente curva de eficiencia: 0,533 1,3 Curvas de Eficiencia 0,0125 η 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 Colector Plano Heat Pipe Gráfico 18 - Curva de Eficiencia para heat pipes presurizados El sistema incluye: heat pipes, tanque acumulador, tanque de expansión, válvula de sobrepresión, estructura soporte y otros accesorios. Cada captador tiene un área de apertura de 1,92m 2 y se estudian sistemas con 1, 2 y 3 captadores manteniendo el resto de la instalación igual. 37

38 Se obtienen los siguientes resultados: 1 Heat Pipe Captadores: 1 T setpoint [ºC] 50 V acum [l]: 200 A apertura [m 2 ] 1,92 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Heat Pipe Día 1 Día 2 Con 10,41 4,04 4,04 Sin 14,63 8,25 8,25 Con 10,80 4,44 4,44 Sin 14,64 8,28 8,28 Con 11,56 4,85 4,85 Sin 15,18 8,48 8,48 Con 13,81 6,38 6,38 Sin 16,29 8,86 8,86 Con 15,66 7,59 7,59 Sin 17,31 9,23 9,23 Con 17,28 8,59 8,59 Sin 18,24 9,56 9,56 Con 16,85 8,14 8,14 Sin 18,29 9,58 9,58 Con 15,94 7,34 7,34 Sin 18,10 9,50 9,50 Con 14,87 6,51 6,51 Sin 17,68 9,32 9,32 Con 13,65 5,76 5,76 Sin 16,92 9,02 9,02 Con 12,74 5,30 5,30 Sin 16,18 8,75 8,75 Con 10,97 4,22 4,22 Sin 15,18 8,42 8,42 TOTAL 1036 Día 3 Días Ahorro Tabla 21 - Resumen 1 heat pipe 38

39 Mes # días Radiación [kwh/m2] Ahorro [kwh/día] Ahorro 1 heat pipe, A apertura = 1,92 m2 Consumo % cobertura Energía solar disponible Eficiencia Enero ,8 4,2 131,5 252,2 52% 314,5 42% Febrero ,9 3,9 108,3 228,2 47% 270,6 40% Marzo ,1 3,7 113,3 258,1 44% 265,2 43% Abril ,2 2,5 75,3 259,3 29% 215,4 35% Mayo 31 93,3 1,7 52,1 277,9 19% 179,1 29% Junio 30 70,9 1,0 29,8 277,3 11% 136,2 22% Julio 31 88,7 1,5 45,6 287,5 16% 170,3 27% Agosto ,4 2,2 68,2 285,1 24% 194,6 35% Septiembre ,9 2,8 85,5 270,9 32% 224,5 38% Octubre ,1 3,3 102,1 272,5 37% 265,2 39% Noviembre ,3 3,5 104,3 256,1 41% 294,3 35% Diciembre ,7 4,2 131,3 256,3 51% 302,7 43% Tabla 22 - Resultados heat pipe A p = 1,92m 2 140,0 120,0 100,0 kwh/mes 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 1 Colector Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 19 - Energía generada mensual, 1 heat pipe 39

40 2 Heat Pipes Captadores: 2 T setpoint [ºC] 50 V acum [l]: 200 A apertura [m 2 ] 1,92 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Heat Pipe Día 1 Día 2 Con 7,93 1,55 1,55 Sin 14,63 8,25 8,25 Con 8,27 1,92 1,92 Sin 14,64 8,28 8,28 Con 9,09 2,38 2,38 Sin 15,18 8,48 8,48 Con 11,70 4,27 4,27 Sin 16,29 8,86 8,86 Con 14,08 6,00 6,00 Sin 17,31 9,23 9,23 Con 16,34 7,65 7,65 Sin 18,24 9,56 9,56 Con 15,44 6,74 6,74 Sin 18,29 9,58 9,58 Con 13,97 5,37 5,37 Sin 18,10 9,50 9,50 Con 12,55 4,18 4,18 Sin 17,68 9,32 9,32 Con 11,16 3,29 3,29 Sin 16,92 9,02 9,02 Con 10,28 2,86 2,86 Sin 16,18 8,75 8,75 Con 8,51 1,75 1,75 Sin 15,18 8,42 8,42 TOTAL 1802 Día 3 Días Ahorro Tabla 23 - Resumen 2 heat pipes 40

41 Mes # días Radiación [kwh/m2] Ahorro [kwh/día] Ahorro 2 heat pipe, A apertura = 3,84 m2 Consumo % cobertura Energía solar disponible Eficiencia Enero ,8 6,9 214,8 252,2 85% 629,1 34% Febrero ,9 6,5 181,3 228,2 79% 541,2 34% Marzo ,1 6,2 190,8 258,1 74% 530,5 36% Abril ,2 4,6 139,3 259,3 54% 430,8 32% Mayo 31 93,3 3,3 102,1 277,9 37% 358,2 28% Junio 30 70,9 2,0 58,8 277,3 21% 272,4 22% Julio 31 88,7 2,9 89,8 287,5 31% 340,6 26% Agosto ,4 4,2 129,9 285,1 46% 389,2 33% Septiembre ,9 5,2 156,2 270,9 58% 449,0 35% Octubre ,1 5,8 180,7 272,5 66% 530,3 34% Noviembre ,3 6,1 182,4 256,1 71% 588,6 31% Diciembre ,7 7,0 216,0 256,3 84% 605,4 36% Tabla 24 - Resultados heat pipe A p = 3,84m 2 250,0 200,0 kwh/mes 150,0 100,0 50,0 2 Colectores 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 20 - Energía generada mensual, 2 heat pipes 41

42 3 Heat Pipes Captadores: 3 T setpoint [ºC] 50 V acum [l]: 200 A apertura [m 2 ] 1,92 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Heat Pipe Día 1 Día 2 Con 7,03 0,00 0,00 Sin 14,63 8,25 8,25 Con 7,02 0,43 0,43 Sin 14,64 8,28 8,28 Con 7,66 0,85 0,85 Sin 15,18 8,48 8,48 Con 10,29 2,86 2,86 Sin 16,29 8,86 8,86 Con 12,86 4,79 4,79 Sin 17,31 9,23 9,23 Con 15,43 6,74 6,74 Sin 18,24 9,56 9,56 Con 14,27 5,57 5,57 Sin 18,29 9,58 9,58 Con 12,60 4,00 4,00 Sin 18,10 9,50 9,50 Con 11,04 2,67 2,67 Sin 17,68 9,32 9,32 Con 9,72 1,83 1,83 Sin 16,92 9,02 9,02 Con 8,89 1,44 1,44 Sin 16,18 8,75 8,75 Con 7,39 0,24 0,23 Sin 15,18 8,42 8,42 TOTAL 2305 Día 3 Días Ahorro Tabla 25 - Resumen 3 heat pipes 42

43 Mes # días Radiación [kwh/m2] Ahorro [kwh/día] Ahorro 3 heat pipe, A apertura = 5,76 m2 Consumo % cobertura Energía solar disponible Eficiencia Enero ,8 8,3 255,8 252,2 100% 943,6 27% Febrero ,9 8,1 227,5 228,2 100% 811,8 28% Marzo ,1 7,8 241,5 258,1 94% 795,7 30% Abril ,2 6,1 182,2 259,3 70% 646,2 28% Mayo 31 93,3 4,5 140,3 277,9 50% 537,3 26% Junio 30 70,9 2,9 86,7 277,3 31% 408,6 21% Julio 31 88,7 4,1 126,3 287,5 44% 510,9 25% Agosto ,4 5,6 173,0 285,1 61% 583,8 30% Septiembre ,9 6,8 202,6 270,9 75% 673,4 30% Octubre ,1 7,4 230,8 272,5 85% 795,5 29% Noviembre ,3 7,7 230,4 256,1 90% 882,9 26% Diciembre ,7 8,4 260,9 256,3 100% 908,1 29% Tabla 26 - Resultados heat pipe A p = 5,76m 2 300,0 250,0 200,0 kwh/mes 150,0 100,0 3 Colectores 50,0 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 21 - Energía generada mensual, 3 heat pipes 43

44 Resumen Energía Generada A continuación presentamos un resumen de los resultados obtenidos a partir de los tres escenarios estudiados: 300,0 250,0 kwh/mes 200,0 150,0 100,0 50,0 1 Colector 2 Colectores 3 Colectores 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 22 - Energía generada mensual para heat pipes Del Gráfico 22 - Energía generada mensual para heat pipes se observa para la energía generada mensual en kwh un comportamiento y tendencias muy similares a los obtenidos para colectores planos (Gráfico 13 - Energía generada mensual para colectores planos). 44

45 Porcentaje de cobertura solar Si definimos la el porcentaje de cobertura solar del sistema como: í í obtenemos los siguientes resultados: 120% 100% % cobertura solar 80% 60% 40% 20% 1 Colector 2 Colectores 3 Colectores 0% Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 23 - % de cobertura solar mensual para heat pipes Porcentaje de cobertura solar 1 heat pipe 33,57% 2 heat pipes 58,87% 3 heat pipes 74,95% Tabla 27 - Resumen de % de cobertura solar para heat pipes 45

46 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% % cobertura solar 20,00% 10,00% 0,00% 1 heat pipe 2 heat pipes 3 heat pipes Gráfico 24 - % de cobertura solar para heat pipes Eficiencia del Sistema 50% 45% 40% Eficiencia 35% 30% 25% 20% 15% 10% 1 heat pipe 2 heat pipe 3 heat pipe Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Gráfico 25 - Eficiencia mensual para heat pipes 46

47 Eficiencia del sistema 1 heat pipe 35,64% 2 heat pipes 31,77% 3 heat pipes 27,44% Tabla 28 - Resumen de eficiencias para heat pipes 38,00% 36,00% 34,00% 32,00% 30,00% 28,00% Eficiencia 26,00% 24,00% 22,00% 20,00% 1 heat pipe 2 heat pipes 3 heat pipes Gráfico 26 - Eficiencia para heat pipes 47

48 8. Análisis Económico En esta sección se analizan los costos de cada sistema instalado, y junto con los ahorros anuales generados obtenidos en la sección anterior se calculan la VAN y la TIR de la inversión en cada caso. A. Colector Plano marca TERMICOL (origen España) A partir del cálculo de los ahorros anuales obtenidos con las distintas configuraciones y con los costos asociados se calculan los siguientes índices económicos: 1 Colector 2 Colectores 3 Colectores 4 Colectores Inversión [U$S] Ingreso [U$S/año] PRS [años] 7,1 7,0 7,8 9,1 TIR 10 años [%] 6,7% 7,1% 4,7% 1,9% VAN [U$S] $U 724,86 $U 1.134,66 $U 968,56 $U 453,00 Tabla 29 - Resultados económicos para colectores planos 8,0% $U 1.200,00 7,0% 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% $U 1.000,00 $U 800,00 $U 600,00 $U 400,00 $U 200,00 TIR VAN 1,0% 1 Colector 2 Colectores 3 Colectores 4 Colectores $U 0,00 Gráfico 27 - VAN y TIR para colectores planos Lo primero que se observa es que para ningún caso se obtienen tasas de retorno negativas. Al mismo tiempo para la configuración óptima se obtiene una tasa de retorno relativamente interesante de 7,1%. Como los ingresos anuales no son muy grandes (del orden de los U$S) sería interesante realizar un análisis de sensibilidad de los resultados con respecto a la inversión inicial, lo cual no se desarrolla en este estudio. 48

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