Sistema solar termosifónico de calentamiento
de agua sanitaria en cayo Las Brujas

Sanitary Water Heating Solar Thermal Syphonic System (natural conversion for density differences) at Las Brujas Cay

H. Despaigne Wilson, Alonso Torres Ten, S. Fabre Maceo y F. Senon Cobián
Centro de Investigaciones de Energía Solar. Micro 3,
Reparto Abel Santamaría, Santiago de Cuba, Cuba. CP 90800.
Solar Energy Research Center. Micro 3,
Reparto Abel Santamaría, Santiago de Cuba, Cuba. CP 90800.
Tel.: (53 022) 671131.
Fax: (53 022) 671131.
e-mail: husseyn@cies.ciges.inf.cu y alonso@att.ciges.inf.cu

Resumen
Proponemos un sistema de agua caliente sanitaria con energía solar utilizando colectores solares termosifónicos en las cabañas de cayo Las Brujas, localizado al Norte de la provincia de Villa Clara. Se realiza la comparación del comportamiento térmico de los sistemas termosifónicos con fuente auxiliar de energía en el interior del tanque termo y en la línea de distribución (exterior), obteniéndose que con la fuente auxiliar de energía en el exterior la fracción solar anual es 15 % superior que con fuente en el interior.

Se obtienen curvas de comportamiento térmico de la instalación para diferentes condiciones de trabajo, tales como ángulo de incidencia y número de colectores. Se realiza un estudio técnico económico que demuestran la viabilidad de los sistemas solares termosifónicos en instalaciones turísticas.
Palabras clave: Colectores solares termosifónicos, comportamiento térmico, instalación solar.

Abstract
A system of heating sanitary water with solar energy is proposed, using thermal-syphonic solar collectors at the cabanas of Las Brujas Cay, located in northern Villa Clara province. The comparison of the thermal behavior of the thermal syphonic systems (sistemas termosifònicos) are reviewed with an additional energy source in the interior of the thermal tank and in the exterior distribution line (exterior), resulting, with the additional energy source, in an annual solar fraction 15% higher than with the source located in the interior.

Thermal behavior curves of the installation for different work conditions are gathered, such as
the incidence angle and the collector number. A technical economic study is carried out, thus showing the feasibility of the solar thermal syphonic systems in tourism facilities.
Key words: Thermal syphonic collectors, thermal behavior, solar installation.

Introducción
Las fuentes renovables de energía coexisten, se ayudan y se suman en el desarrollo sostenible y en el respeto a la naturaleza. Es imposible hablar de un desarrollo sostenible basado en fuentes no renovables de energía.

Dentro de las aplicaciones de la energía solar se destaca por su fiabilidad técnica y su rendimiento el calentamiento de agua, con fines sanitarios, con colectores solares en instalaciones del turismo, donde se requiere disponibilidad de agua caliente a cualquier hora del día; además, para consumo de agua caliente sanitaria de hasta 500 litros al día se recomienda la utilización de colectores solares termosifónicos modulares. En este trabajo nos hemos planteado como objetivo el proyecto y cálculo de un sistema solar termosifónico de calentamiento de agua sanitaria en cayo Las Brujas.

Desarrollo
Las cabañas están separadas una de las otras y sus espacios se hallan destinados a habitaciones. Se propone instalar un módulo termosifónico consistente en un colector solar de 2 m2 y tanque termo-acumulador de 150 litros de capacidad para las cabañas individuales, y un módulo termosifónico compuesto por dos colectores solares de 4 m2 y un tanque termo-acumulador de 300 litros de capacidad para las cabañas dobles. En el alero de 1,8 x 1,8 m se podrá instalar los módulos solares termosifónicos.

Datos iniciales para el proyecto
Los datos iniciales para el proyectos están asociados a las condiciones meteorológicas, actinométricas y los requerimientos de trabajo de la instalación, los cuales se muestran en la tabla 1.

Configuración de la instalación
La instalación está compuesta por los módulos colectores solares termosifónicos, fuente auxiliar y las redes de alimentación y distribución del agua. Se han estudiado dos tipos básicos de instalación: una con la fuente auxiliar en el interior del tanque termoacumulador (Fig. 1) y la otra con la fuente auxiliar exterior en la línea de distribución (Fig. 2).

Fig. 1. Configuración con fuente auxiliar interior.

Fig. 2. Configuración con fuente auxiliar en la línea de distribución (exterior).

En la figura 3 se muestra el comportamiento térmico anual de las configuraciones, representadas en las figuras 1 y 2, con fuente auxiliar interior y exterior respectivamente.
Como se muestra, la configuración con fuente auxiliar exterior satisface la demanda térmica anual en 88,62 %, superior en 15,00 % al sistema con fuente auxiliar en el interior del tanque termo.

A partir de estos resultados se recomienda la utilización de fuente auxiliar exterior. En el presente trabajo los resultados obtenidos serán en un sistema con fuente auxiliar exterior.

Fig. 3. Comportamiento de las configuraciones 1 y 2.

Protección contra quemaduras
Se ha instalado en el circuito una válvula térmica mezcladora de tres vías, que limita la temperatura de salida del agua caliente sanitaria a la salida del tanque termoacumulador,
para la configuración con la fuente auxiliar exterior. En relación con la fuente auxiliar existe un termostato en su interior que controla los valores de temperatura del agua.

Protección contra sobrepresión
La red de alimentación esta limitada a 3 bar por válvulas de sobrepresión, instaladas a la entrada del módulo del colector solar termosifónico.

Protección contra la corrosión
En los casos que los análisis del agua de alimentación manifiesta una alta acción corrosiva, se ha concebido la utilización de un circuito solar independiente entre el colector solar plano y el tanque termoacumulador; ello requiere de algún intercambiador de calor. Por otra parte, actualmente están disponibles en el mercado tanques termo de doble carcasa que permiten independizar ambos circuitos del fluido. Una alternativa actual e interesante es la utilización de magnetizadores para disminuir la agresividad del fluido.

Planificación del proyecto
La planificación del proyecto, en conformidad con los recursos existentes y posibles de financiar es del tipo modular, con el objeto de facilitar la construcción progresiva y por cabañas, que en su concepción es independiente de cada módulo solar.

Demanda diaria de energía
De acuerdo con el número de huéspedes por cabaña y los requerimientos del tipo de instalación turística (estrellas) se tiene un consumo planificado de agua caliente sanitaria,
que en nuestro caso es de 75 litros por huésped. Por otra parte, se tiene en las cabañas individuales dos huéspedes y en las cabañas dobles cuatro huéspedes. Considerando la temperatura media del agua de alimentación de 20 ºC y la temperatura del agua caliente
de 50 ºC, la demanda diaria de energía (carga térmica) ED, es aproximadamente 18 806 kJ
para las cabañas individuales y 37 611 kJ para las cabañas dobles.

Condiciones climáticas
Las condiciones climáticas vienen dadas, fundamentalmente, por la radiación solar global incidente y la temperatura ambiente media del lugar donde se encuentra la instalación solar.Se muestran en la tabla 2 los valores medios mensuales de la temperatura ambiente y la irradiación solar global para el lugar donde se halla la instalación solar, ubicada a una latitud de 22,75º N y una longitud de 79,68' W, al nivel del mar.

Dimensionado básico
A los efectos de este proyecto, el dimensionado básico de la instalación se refiere a la selección del número de colectores solares termosifónicos y al volumen del tanque de acumulación, en función del comportamiento térmico de la instalación solar, que toma como criterios la fracción solar y el rendimiento de la instalación solar, tanto mensual como anual.
Se entiende como fracción solar la fracción de la demanda de energía cubierta con energía solar. Se consideran satisfactorias fracciones solares mensual mayores de 60 % y anuales mayores de 70 %, para las condiciones de nuestro país.

En la figura 4 se muestra el comportamiento térmico del sistema solar con colectores solares termosifónicos para una cabaña y área de captación de 0,95, 1,9, 2,85 y 3,8 m2. Las áreas de 0,95 y 2,85 m2 corresponden a 0,5 y 1,5 unidades de colectores solares; es obvio que físicamente no es posible, pero resulta muy ilustrativo en este estudio. Como se observa, hay un aumento significativo de la eficiencia solar anual entre 0,5 y 1 unidades de colectores; el incremento es mucho menor entre 1 y 1,5 unidades y prácticamente despreciable entre 1,5 y 2 unidades de colectores. De aquí se puede seleccionar una unidad de colectores solares como la óptima, ya que la fracción solar anual está cercana a 90 % de la demanda anual. Por otra parte, un aumento a dos unidades no traería proporcionalmente un aumento significativo de la fracción solar.

Fig. 4. Fracciones y eficiencias solares anuales en función del área de captación.

Volumen del tanque termoacumulador
El volumen de agua caliente demandada se determina a partir del número de habitaciones y de huéspedes por habitación. Para las cabañas sencillas tenemos dos personas, con un consumo específico diario de 75 litros por persona, que hace un total de 150 litros diarios de agua caliente, y para las cabañas dobles el consumo de agua caliente alcanza los 300 litros diarios. El volumen del tanque de acumulación de los sistemas solares termosifónicos se ha seleccionado 1,5 veces superior al consumo diario de agua caliente sanitaria por cabañas, por lo que tenemos para las cabañas sencillas tanques termo de 225 litros y para las cabañas dobles tanques termo de 450 litros.

Selección del colector solar plano
Para la selección del tipo de colector solar se realizó un estudio de los disponibles en el mercado nacional; fue seleccionado por su comportamiento térmico en otras instalaciones turísticas realizadas por el grupo GITSOL del CIES el colector solar plano Roldan, cuyas características técnicas son:

• Presión de trabajo: 3 bar.
• Área de captación: 1,9 m2.
• Garantía de la casa expendedora: 7 años.
• Rendimiento óptico: = 0,715.
• Coeficiente global de pérdidas de calor: UL0 = 6,5 Wm-2K-1.

El rendimiento del colector solar para la temperatura media del agua (35 ºC) en el colector solar, una irradiancia de 500 W/m2 y una temperatura ambiente de 23,73 ºC es de aproximadamente 56,85 %.

Integración arquitectónica
La batería de colectores solares se encuentra ubicada en la parte superior de las cabañas lo que no incide en la arquitectura de estas. La orientación de los colectores solares es en la dirección Sur-Norte, su azimut es de 0º y la inclinación con respecto al plano horizontal es de 30 grados. En la figura 2 se hace un estudio, para diferentes inclinaciones (1, 10, 20, 30, 40 y 50 grados), del comportamiento térmico de los colectores solares. Como se muestra en la figura 5 no hay diferencia significativa para inclinaciones entre 20 y 30 grados, por lo que se decidió escoger una inclinación de 30 grados, que presenta una distribución mensual más homogénea.

Fig.5. Fracción y eficiencia solares anuales en función del ángulo de inclinación.

Conexión
Los colectores solares planos están dispuestos en paralelo cuando su número excede de
un colector solar. La configuración del circuito hidráulico se representa en las figuras 1 y 2.

Tanque termoacumulador
El tanque acumulador de agua caliente se encuentra integrado, en posición horizontal a la estructura del colector solar formando una unidad con él, y todo el conjunto se halla expuesto las acciones del medio ambiente. Se debe señalar que el agua en el tanque termo, en momentos de su funcionamiento anual, alcanza temperaturas igual o mayores que 60 ºC con el objetivo de eliminar la legionela (Fig. 6).

Fig. 6. Comportamiento térmico de los sistemas para una y dos cabañas.

Intercambiador de calor
En caso de requerimientos técnicos, se recomienda la utilización de tanques termo de doble carcasa que realiza la función de intercambiador de calor exterior y soporta las temperaturas y presiones máximas de trabajo de la instalación solar. Para nuestras condiciones de trabajo, la potencia máxima de intercambio de calor es de 1 500 W y 3 000 W para los sistemas de uno y dos colectores solares respectivamente.

Tuberías y válvulas
Para disminuir las pérdidas térmicas se ha concebido el circuito hidráulico con el menor recorrido posible. La parte de las tuberías que se encuentra en el exterior ha sido aislada térmicamente y protegida contra los efectos agresivos del ambiente. La tubería externa está constituida por tubos de plástico de 20 x 2 mm. Se han utilizado válvulas de dos vías y de seguridad para trabajos de mantenimiento y funcionamiento.

Vaso de expansión
El vaso de expansión tiene la función de asimilar el incremento de volumen del fluido debido
al aumento de la temperatura y mantener estable la presión en el circuito primario, que es cerrado. El vaso de expansión está conectado a la salida de los colectores solares y su volumen es de 5 litros.

Purga de aire
Para eliminar el aire del circuito, de forma manual o automática, se colocará a la salida de los colectores solares un purgador de aire. Los purgadores automáticos serán del tipo de flotador, adecuados para la presión del circuito.

Drenaje
Se han concebido conductos de drenaje del circuito primario y del tanque termo para labores de mantenimiento.

Llenado del circuito solar
El circuito solar se llena directamente de la red o manualmente cuando es independiente.

Sistema de energía auxiliar
Para asegurar la continuidad en el abastecimiento del agua caliente sanitaria, en días de muy baja irradiación, la instalación solar dispone de un sistema de energía auxiliar. La potencia de la fuente auxiliar permite satisfacer al menos 25 % de la demanda diaria en una hora a la temperatura de consumo. La potencia eléctrica de la fuente auxiliar para las cabañas sencillas y dobles es de 1 500 W y 3 000 W respectivamente.

Sistema eléctrico y de control
El sistema de control de la temperatura se realiza a través de los termostatos que tiene incorporado la fuente auxiliar. Otras formas de control que lleva incorporado el sistema es la protección contra el sobrecalentamiento del agua en el tanque termo, que se realiza por medio de los purgadores de aire y las válvulas de seguridad.

Funcionamiento de la instalación solar
El funcionamiento de la instalación solar es autónomo y no requiere de ningún dispositivo o equipo de bombeo. Como su nombre lo indica, termosifónico, es debido a las diferencias de densidad del fluido durante su calentamiento en el colector solar.

Mantenimiento
El mantenimiento básico de la instalación estará en función del estado técnico y del nivel de explotación de la instalación solar, y comprende:
• Limpieza de la cubierta de los colectores solares planos.
• Comprobación del estado del vidrio de la cubierta de los colectores solares.
• Comprobación del estado técnico de la red de tuberías, accesorios y equipos.

Comportamiento térmico
En la figura 6 se muestra el comportamiento térmico mensual y anual de los sistemas solares termosifónicos para las instalaciones de una y dos cabañas respectivamente. Como se muestra, este comportamiento en ambos casos tiene la misma trayectoria, siendo los meses diciembre y enero con más bajas fracciones solares; sin embargo, en ambos las fracciones solares mensuales sobrepasan 70 %, lo que resulta un indicador muy ilustrativo de la viabilidad técnica de estos sistemas solares. La fracción solar media anual es superior de 85 % y garantiza una base sólida para el uso extensivo de esta tecnología solar.

Por otra parte, en la tabla 3 se muestran los resultados estimados, a modo de ejemplo, de la instalación solar para una cabaña, del comportamiento térmico del sistema solar termosifónico. La demanda térmica es la suma de las producciones solar y de la fuente de energía solar en su equivalente térmico.

En resumen, los indicadores técnicos de los sistemas solares termosifónicos de las cabañas de una y dos habitaciones se muestra en la tabla 4. En la cabaña individual se utilizaría un módulo solar termosifónico

Indicadores técnico-económicos
El estudio de la inversión inicial del sistema solar ha tenido en cuenta el costo de los equipos, montaje y proyecto. En las tablas 5 y 6 se muestra un estimado de los indicadores técnico-económicos de la instalación solar, que reflejan la factibilidad de estos sistemas solares termosifónicos en instalaciones turísticas.

Salida gráfica
En la figura 7 se muestran las temperaturas del ambiente, del agua en el tanque, de la red y caliente de consumo a lo largo del año de la instalación solar. Como se observa, en muchos momentos del año la temperatura del agua en el tanque termo supera los 60 ºC.

Fig. 7. Distribución de temperaturas a lo largo del año.

Conclusiones
• Se propone el proyecto de una instalación de agua caliente sanitaria centralizada para la instalación turística de cayo Las Brujas, compuesta por módulos de colectores solares termosifónicos con una y dos unidades de captación, y tanques de 225 y 450 litros respectivamente para cubrir la demanda de 4 050 litros diarios de agua a 50 ºC cubriendo en 89,62 % la demanda de energía térmica anual.
• Se ha realizado un estudio técnico-económico preliminar que demuestra la viabilidad de llevar a término de forma satisfactoria el proyecto para cubrir la demanda de agua caliente sanitaria con energía solar de instalaciones turísticas.

Bibliografía
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