Diseño conceptual y básico de un sistema de calentamiento solar para climatizar el agua de la piscina de la Universidad EAFIT Guillermo Durango Benítez Ricardo Valencia Naranjo Asesor Jaime Escobar Grupo de investigación DDP

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Aunque las piscinas son de uso generalizado, las piscinas climatizadas son los mas recomendadas por los especialistas para evitar problemas de salud Los deportistas manifiestan su inconformidad con la temperatura del agua porque sus entrenamientos no están sujetos a condiciones climáticas

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los más indicado para elegir una fuente de energía para climatizar la piscina es que sea renovable debido a que las no renovables presentan problemas como: --Agotables --Contribuyen al calentamiento global

PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN ¿Cuáles son las restricciones que tienen los sistemas de calentamiento solar? ¿Qué alternativa de diseño es la más recomendable para aplicar en la climatización de la piscina? ¿Cuáles son los materiales mas adecuados en la construcción de los colectores solares? ¿Cuál es el costo de un sistema de calentamiento con energía solar respecto a la utilización de otra fuente de energía?

OBJETIVOS Objetivo general Realizar el diseño conceptual y básico de un sistema de calentamiento solar, mediante el análisis de alternativas de diseño para climatizar el agua de la piscina de Universidad EAFIT.

Objetivos específicos Evaluar la factibilidad económica del proyecto para compararla con otras alternativas Realizar el diseño básico utilizando datos técnicos para el sistema de calefacción. Definir las especificaciones del proyecto, los criterios y restricciones del diseño Elaborar el diseño conceptual aplicando heurística y diferentes algoritmos

METODOLOGÍA Revisión Bibliográfica Revisión Bibliográfica Revisión Bibliográfica Revisión Bibliográfica Especificaciones y Restricciones del Proyecto Especificaciones y Restricciones del Proyecto Especificaciones y Restricciones del Proyecto Especificaciones y Restricciones del Proyecto Diseño Conceptual Diseño Conceptual Diseño Conceptual Diseño Conceptual Optimización Optimización Optimización Análisis de alternativas Análisis de alternativas Análisis de alternativas Análisis de alternativas Análisis general y Conclusiones Análisis general y Conclusiones Análisis general y Conclusiones Análisis general y Conclusiones Recomendaciones Recomendaciones Recomendaciones

Consideraciones teóricas Colector solar de placa plana Superficie capaz de absorber la mayor cantidad de radiación solar, y transmitir esta en forma de calor hacia el fluido. [

Calentamiento de piscinas La intervención de la energía solar consiste en conservar la temperatura del agua de la piscina, reintegrando con la fuente solar la energía dispersa por el agua. Una piscina requiere un calentamiento de baja temperatura. Recreo27 Enseñanza25 Entrenamiento26 Competición24 Privado25/26 Temperatura (ºC) del agua de las piscinas [

PROJECT DESIGN SPECIFICATION Datos climáticos de la Ciudad de Medellín Parámetro Promedio (mes) Temperatura media (ºC)22.75 Humedad relativa media (%)64.02 Velocidad media del viento (Km/h)5.80 Radiación Horizontal (W/ m 2 )200 Temperatura de confort en la piscina (ºC)26 [

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA Diagrama general de la piscina Datos relacionados a la piscina Área Superficial (m 2 )317.5 Volumen (m 3 )444.5 Temperatura del suelo alrededor de la piscina (°C)25.5 N ú mero promedio diario de usuarios30 Á rea superficial del cuerpo de una persona (m 2 )1.7 PROJECT DESIGN SPECIFICATION

Restricciones para el layout PROJECT DESIGN SPECIFICATION

Restricciones para el colector solar Orientación del colector: Estos se deberán orientar hacia el sur para obtener una mayor eficiencia Inclinación del colector: Para el funcionamiento optimo la inclinación debe ser igual a la latitud del lugar donde se realizará el proyecto para este diseño debe ser de 6º11’. Material de construcción: Se escoge polipropileno y cobre por razones de disponibilidad y precio. La máxima longitud de tubería de cobre de 1” y ½” disponible en el mercado es de 6 m. PROJECT DESIGN SPECIFICATION

DISEÑO CONCEPTUAL Diagrama general de entradas y salidas

Diagrama de bloques de proceso BFD DISEÑO CONCEPTUAL

Diagrama de flujo de proceso PFD DISEÑO CONCEPTUAL

SELECCIÓN DE TIPO DE EQUIPOS Selección del tipo de colector solar Colector de placa plana no vidriado Colector solar de placa plana vidriado Colector solar de tubo evacuado DISEÑO CONCEPTUAL

Selección del tipo de colector Parámetros de selección Placa plana no vidriado Placa plana vidriado Tubo evacuado Factor prioridad Costo BajoMedioalto10 Eficiencia de conversión Factor de pérdidas térmicas (W/m 2 ) Rango de temperatura (ºC) Puntuación total DISEÑO CONCEPTUAL

Selección del material de la tubería para los colectores DISEÑO CONCEPTUAL Parámetros de selección Cobre Polipropileno Factor de prioridad Precio $/m 2 288, , Conductividad térmica (W/mK) Expansión térmica (10E-6/K) Dureza knoop mín (Rockwell) 49 R T máxima de operación (ºC) Resistencia a la tensión a T ambiente (Mpa) Calor específico (J/KgºK) Puntuación

Balance de masa en la piscina DISEÑO CONCEPTUAL

Balance de energía en la piscina DISEÑO CONCEPTUAL

Balance de energía en la piscina Energía entrante en Kw. Q re QbQb 0 Q col X 0 Energía Saliente en Kw. QdQd 3.37 Q ev QcQc 4.88 Q rs QkQk 0 QiQi 4.18 Ecuaciones Heurísticas [Glaria, 2000] DISEÑO CONCEPTUAL

Parámetros de diseño L T1T1 T2T2 D  # DISEÑO CONCEPTUAL

DISEÑO DE LOS COLECTORES SOLARES Medidas evaluadas para el diseño de colectores VariableRango de variación Unidades ΔT1 - 15ºC Distancia entre tubos6 - 19cm Numero de tubos6 - 19Unidades Ejecutar algoritmo de Excel DISEÑO CONCEPTUAL

Efecto del ΔT en los colectores sobre eficiencia térmica para tubos con  de ½ y 1 in DISEÑO CONCEPTUAL

Efecto del ΔT en el costo total de los colectores para tubos con  de ½ y 1 in DISEÑO CONCEPTUAL

Efecto de la distancia entre tubos en el costo y la eficiencia de los colectores DISEÑO CONCEPTUAL

Efecto del número de Tubos en el costo total de los colectores Efecto del número de Tubos en la Eficiencia de los colectores DISEÑO CONCEPTUAL

Resultados de parámetros de diseño mas adecuados para el colector solar Diámetro de los tubos (pulg)1/2 Longitud de los tubos (m)6 Numero tubos13 Espesor de la placa (mm)1 Distancia entre tubos (cm)10 DISEÑO CONCEPTUAL

OPTIMIZACIÓN Configuración de tubos abajo en un colector Configuración de tubos hacia arriba en un colector Análisis topológico y paramétrico

Resultados colector optimizado Eficiencia (%)71 ΔT (ºC)2 Flujo (m 3 /hr)1.8 Área (m 2 )10,5 Número de colectores29 Calor útil (KW)30 OPTIMIZACIÓN

Cálculo de la red hidráulica Los simuladores: PIPE-FLO y PIPE-FLOW que aplican las ecuaciones de Darcy-Weisbach, Kirchoff permitieron simular la red hidráulica para equilibrar las cargas en el sistema

SIMULACIÓN EN PIPE-FLO

Plano del sistema de colectores

Especificaciones bomba Necesaria P-101 Caudal (m 3 /h)45.42 Rpm3600 Potencia requerida (KW)7.55 Potencia de freno (KW)10 NPSHr (m)3.14 Eficiencia (%)70.3 H B (m)24 Diámetro impulsor (mm)120

Especificaciones bomba Necesaria Para que la bomba que actualmente tiene la piscina, (SIHI Monoblock) cumpla con los parámetros mencionados en la tabla anterior es necesario cambiar el impulsor por uno con mayor diámetro (de 110 mm a 120 mm).

Animación gráfica del sistema de colectores

Análisis de alternativas Para determinar cual es la fuente de energía más factible para la climatización de piscinas se analizaron : Gas natural, Bomba de calor N: 10 años TIO: 25% efectiva anual i: 10% e.a Fuente VPN($ millones) TIR (%) Solar12637 Bomba de calor Calderin de gas

CONCLUSIONES 1.El factor de mayor relevancia en cuanto a las perdidas energéticas de la piscina, es la velocidad del viento Para el caso de la piscina de la universidad EAFIT la velocidad promedio del viento es de 0.3 m/s (velocidad Baja) 2.Después de correr la optimización se encuentra que los costos operacionales se minimizan cuando el flujo es de m 3 /hr

3.Los colectores configurados con los tubos arriba presentaron un mejor comportamiento que los configurados con los tubos hacia abajo (área efectiva por colector 7.8 m 2 ) debido a que presentan una mayor área de transferencia (área efectiva por colector con los tubos arriba m 2 ) 4.El área disponible que actualmente existe para la ubicación de los colectores solares es menor que el área necesaria. Por tal motivo se requiere una ampliación de m 2 adicionales CONCLUSIONES

6.Para la climatización de la piscina no fue necesario cambiar totalmente la bomba hidráulica solo se debe aumentar el diámetro del impeler de 110 mm a 120 mm. 7.El estudio económico arrojo que la mejor inversión es el proyecto con energía solar en lugar de calentamiento con bomba de calor o calderin de gas 5.Es de gran importancia utilizar herramientas como el Pipe-FLO y Pipe-Flow para garantizar el mismo flujo en cada colector (1.8 m 3 /hr) CONCLUSIONES

8. El ángulo de inclinación óptima no es un factor critico en el diseño de colectores 9.Según el diseño hidráulico no hay que cambiar el sistema de tuberías que existe actualmente para la purificación de la piscina. CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES Se propone colocar una cortina de agua en la parte norte de la piscina con el fin de disminuir las pérdidas de calor de la piscina por efectos de vaporización. Se recomienda evaluar la posibilidad de un sistema hibrido entre energía solar y una bomba de calor para garantizar la climatización de la piscina sin importar las condiciones climáticas.

Se recomienda realizar una ampliación del cuarto de bombas para facilitar su mantenimiento y evitar posibles accidentes de los operarios debido a la dificultad de acceso. Se recomienda construir el prototipo de un colector con el fin de evaluar los resultados experimentales con las predicciones teóricas RECOMENDACIONES Debajo de la nueva área techada se recomienda la posibilidad de instalar un gimnasio con equipos especializados para el fortalecimiento de los deportistas.

GRACIAS POR SU ACOMPAÑAMIENTO DURANTE NUESTRO PROCESO DE APRENDIZAJE