Artículo Científico / Scientific Paper |
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pISSN: 1390-650X / eISSN: 1390-860X |
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John Calle Sigüencia1,*, Óscar Tinoco Gómez1 |
Resumen |
Abstract |
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En este documento se encuentra el análisis para determinar la factibilidad de implementación de calentadores solares para obtener Agua Caliente Sanitaria (ACS) en el Ecuador, en la provincia del Azuay, en el cantón Cuenca, con el fin de disminuir la contaminación ambiental provocada por el uso de combustibles fósiles. El proyecto considera la puesta en marcha de una red meteorológica y toma de datos de radiación solar global en 16 puntos ubicados zonas pobladas del cantón durante los años 2014 y 2015, posteriormente a través de un trabajo de campo se realiza un diagnóstico para establecer cuáles son los actuales sistemas usados para obtener ACS, también se analizan de manera teórica y práctica las eficiencias de dos tipos de calentadores solares de tubos de vacío para producción de ACS; con los datos de radiación medidos se modela aplicando las ecuaciones de transferencia de calor y se establece la factibilidad de implementación en función de la energía solar medida; finalmente, se realiza una comparación para determinar cuál sería la disminución de emanaciones si se ejecutaría esta propuesta. Los resultados obtenidos indican que el 82 % de familias utiliza ACS y de estas el 65 % emplean sistemas a base de GLP y, que el 44 % de la demanda de energía para obtener ACS puede ser cubierta con energía solar necesitando utilizar sistemas auxiliares para garantizar un abastecimiento constante. La implementación de estos sistemas permitiría reducir 108 537 tn eq al año. |
This document contains the analysis to determine the feasibility of implementing solar water heaters to obtain Sanitary Hot Water (SHW) in Ecuador, in the province of Azuay, in the canton of Cuenca, in order to reduce environmental pollution caused by the use of fossil fuels. The project considers the implementation of a meteorological network and data collection of global solar radiation in 16 points located populated areas of the Canton during the years 2014 and 2015, later through a field work a diagnosis is made to establish which are the systems Currently used to obtain SHW, the efficiencies of two types of solar vacuum tube heaters for SHW production are also analyzed theoretically and practically; with the measured radiation data, it is modeled applying the heat transfer equations and the feasibility of implementation is established based on the measured solar energy; Finally, a comparison is made to determine what would be the decrease of emissions if the implementation would be carried out. The results obtained indicate that 82% of families use SHW and of these 65% use LPG-based systems and that 44% of the energy demand to obtain SHW can be covered with solar energy, using auxiliary systems to guarantee a constant supply. The implementation of these systems would reduce 108537 tn eq per year. |
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1,* Unidad de posgrados de la Facultad de Ingeniería Industrial, Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima – Perú. Autor para correspondencia: jics_1970@hotmail.com, http://orcid.org/0000-0002-2148-3297, https://orcid.org/0000-0002-2548-2160 |
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de Telecomunicaciones, Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento Ambiental (ETAPA) y se completa el análisis con una encuesta en donde se identifica el consumo y demanda de ACS, además, con la misma se identifican los métodos que se utilizan para producir agua caliente: calentadores a gas, calentadores eléctricos, calentadores solares, otros. Finalmente, mediante un cálculo matemático se determinará el porcentaje de contaminación con por kg de combustible quemado para obtener ACS. Para la aplicación de la encuesta se realiza la proyección de la población para el año 2016 empleando el método parabólico [5], basándose en la información de los censos de los años 1990, 2001 y 2010 [6] como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Proyección de número de habitantes del cantón Cuenca para el año 2016
La población en estudio está conformada por el número de hogares en el cantón Cuenca. Se estima que
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Para la recolección de datos se aplica el cuestionario de acuerdo con el análisis realizado en los párrafos anteriores; un grupo de encuestadores visitaron los hogares y solicitaron se complete el mismo. La cantidad de energía que se requiere para cubrir la demanda, considerando los valores promedio de consumo de ACS en ducha, lavamanos y en el fregadero de cocina determinados en la encuesta, se obtiene de la ecuación (2):
Donde: DACS= Demanda de ACS (J) VACS= Volumen de consumo de ACS (/mes) ρa= Densidad del agua 1000 kg/m3 Cp= Calor específico del agua (4187 J/(kg·ºC)) Tuso= Temperatura de consumo (ºC) Tred= Temperatura de la red (ºC)
Para calcular las emisiones de generadas al momento de obtener ACS, se multiplica la energía requerida para la obtención de ACS por un factor de emisiones que para GLP es de 0,234 y para electricidad 0,385 kg de eq/kWh [7].
2.2. Monitoreo, procesamiento y análisis de los datos de radiación solar para el cantón Cuenca
Para esta segunda fase del proyecto se trabaja en la selección y emplazamiento de las estaciones meteorológicas de acuerdo con las recomendaciones realizadas por la Organización Mundial de Meteorología (OMM). Se realiza un control de calidad de datos y los ajustes correspondientes para finalmente cuantificar la energía existente en cada uno de los sectores en donde se encuentran emplazadas las estaciones meteorológicas y que están asociados a las parroquias urbanas y rurales del cantón Cuenca.
2.2.1. Emplazamiento de estaciones meteorológicas en el cantón Cuenca
En el año 2013 la Universidad Politécnica Salesiana, UPS, y el Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables, INER instalaron una red de 16 estaciones meteorológicas repartidas en puntos estratégicos del cantón Cuenca con el propósito de medir variables meteorológicas y estos datos poderlos utilizar en proyectos para implantación de sistemas energéticos fundamentados en energías renovables [8]. Para la correcta definición geográfica de los sitios de emplazamiento de las estaciones se trabajaron en seis etapas las cuales se listan a continuación [9]. |
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del tubo receptor hacia el tubo de cubierta y las pérdidas por radiación del tubo de cubierta hacia el ambiente como se muestra en la ecuación 10.
Donde: Ar representa el área del tubo receptor. Ac es el área de la cubierta o tubo exterior. hw es el coeficiente de convección en función del viento
Para el cálculo del coeficiente de convección se utilizará la ecuación (11):
Donde: Nu es el número de Nusselt. K es el coeficiente de conductividad térmica. D es el diámetro del tubo.
El coeficiente de transferencia de calor entre los dos tubos concéntricos, el tubo receptor y el tubo de la cubierta hr, r-c no se ve atenuado por el vacío existente entre estos, por lo tanto, su valor será calculado mediante la ecu ción (12):
Donde: ε1 es la emisividad del tubo receptor. ε2 es la emisividad del tubo de cubierta. F12 es el factor de visión. Tc es la temperatura de la cubierta. Tr es la temperatura del receptor.
Para el cálculo de pérdidas en el tanque acumulador se realiza una analogía con redes de resistencias térmicas ya que el tanque está conformado por tres materiales como se muestra en la Figura 4. |
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Realizando la suma de la resistencia total del cilindro y la de las tapas se obtiene la resistencia total que reemplazando en la ecuación (14) permite calcular las pérdidas totales de conducción en el tanque (Qp−cond). Para las pérdidas por convección en el tanque se utiliza la ecuación (18).
Donde: h es el coeficiente de transferencia de calor por convección. At es el área transversal del tanque de almacenamiento. Tt es la temperatura en la superficie exterior del tanque. Ta es la temperatura ambiente.
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor por convección se utiliza la ecuación (19):
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