UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”
FACULTAD DE CIENCIAS DEL AMBIENTE . ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL.
INFORME DE LA INVESTIGACIÓN: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TERMA SOLAR EN H U A R A Z ” ”
ASIGNATURA:
BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL. PRESENTAN:
ALVERTO BAZAN, Octavio. BUIZA TARAZONA, Maricielo. CAMILO MAURICIO, Abraham. COSME COBEÑAS, Franklin. GONZALES HUAMAN, Lidiana. HUARANGA FLORES Michael. JIMENEZ GARCIA, Yenifer. OBISPO PADILLA Yeny OROPEZA CAMONES, Kely. SANTIAGO BAZAN, Frank.
Dr.
DOCENTE: PALOMINO CADENAS, Julio.
HUARAZ – 2014
INTRODUCCIÓN. El presente trabajo desarrollado en el
curso de Biotecnología Ambiental,
pretende otorgar la importancia del uso de la actual tecnología científica y contribuir a mejorar la calidad de vida de aquellos hogares de la zona rural alejados y además de difundir el uso de la energía solar que definitivamente significa un ahorro en el consumo mensual de la energía eléctrica. Es así, que en la sierra de Ancash existen muchos pobladores, con bajos recursos económicos que viven en regiones donde la temperatura, durante las noches, desciende a valores menores a 5 grados centígrados. Debido a la falta de apoyo gubernamental en el aspecto económico, este año se inició con el diseño y construcción de termas solares, a costos bajos y con materiales que están al alcance de comunidad. Siendo el punto de partida la ciudad de Huaraz, posteriormente se realizara en otras localidades. El calentamiento del agua en estos sistemas se da por termosifón o circulación natural, es decir, a medida que el agua se calienta pierde densidad y tiende a subir, es como si el agua fría empujara al agua caliente para que este se acumule en la parte superior y el agua fría en el interior ya sea del tanque o bolsa de dichos sistemas Se diseñó una terma solar mediante el uso de energía solar para proporcionar agua caliente a las personas con menores recursos económicos. Finalmente, se incluye los procedimiento, pruebas de la terma solar planos necesarios para la construcción de la de la terma solar.
Los estudiantes.
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 1.1. PROBLEMA. ¿Podrá fomentarse el uso de termas solares para el ahorro energético y la mejora de la calidad de vida de los pobladores de Huaraz?
1.2. OBJETIVOS. 1.2.1. Objetivo general
Fomentar la construcción de termas solares para el ahorro de energía y mejora de la vida.
1.2.2. Objetivos específicos. Socializar
la población en el uso de e terma solar prototipo.
Construir de manera participativa un prototipo de terma solar familiar.
Determinar Capacitar
la eficiencia de la terma construida. a la población en temas solares relacionados con la
construcción, operación y mantenimiento de la terma solar.
1.3. JUSTIFICACIÓN. Ancash cuenta con condiciones favorables para el desarrollo de proyectos de energía solar. En la zona de la Sierra
de nuestro
departamento y país, la energía solar alcanza niveles promedios de radiación de 5 a 6 kWh/m2/día (una de las mejores radiaciones a nivel mundial). La energía solar se puede transformar con facilidad en calor, de hecho el calentamiento del agua en estos sistemas se da por termosifón o circulación natural, es decir, a medida que el agua se calienta pierde densidad y tiende a subir, es como si el agua fría empujara al agua caliente
para que este se acumule en la parte superior y el agua fría en el interior del tanque. Una alternativa de obtención de agua caliente para uso higiénico en zona sierra de Ancash es la autoconstrucción de terma solares caseras, donde con materiales de la zona y otros de fácil obtención podemos disponer de agua caliente para el aseo personal. Se presume a priori que el desarrollo del proyecto sea viable, porque existen trabajos de investigación (tesis, monografías, proyectos de investigación, etc.). Por lo que se prevé que nuestro trabajo se realizara con la contrastación de la información.
II. MARCO TEÓRICO. 2.1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS.
Cáceres, Richard y otros. (2012). Realizo una investigación Universidad Nacional del Centro del Perú de: "Diseño de un sistema de agua caliente para un hotel de 30 personas", concluyendo que, Para la implementación de agua caliente (40ºC) en un hotel de 30 personas, será necesario la instalación de una terma con un colector de 28.87 m2 de área, con 03 tanques de 600 litros cada uno.
Herrera, Ronald. (2011). Realizo una investigación en la
Ponteficie
Universidad Católica del Perú de "Diseño de una cama calefactora para regiones frías", concluyendo que, Se diseñó una cama calefactora mediante el uso de energía solar para proporcionar el confort térmico al campesino en las noches. El campesino necesita un suministro de calor de 35 W durante 10 horas lo cual resulta en una carga térmica de 1300 kJ. La pila de piedras tiene un volumen de 0.5m 3 y se calienta hasta una temperatura de 22°C durante el día y disminuye hasta una temperatura de 15°C mientras que dentro del cuarto se encuentra a 5°C y afuera a 5°C bajo cero. Este cambio de temperatura libera 2200kJ, lo cual nos
asegura que la pila de piedras proporcionará la cantidad de calor que necesita el hombre para encontrase en confort térmico.
Montoya, Luis y otros.(2011). Realizo
una investigación en la
Universidad Nacional de San Agustín de "Evaluación de un calentador solar de agua de acuerdo a Norma Técnica Peruana", concluyendo que, Los valores típicos del factor de remoción para el tipo de colectores como el que se evalúa van de 0,82 a 0,85 (Chasseriaux, J.M., 1990); para el caso del colector evaluado se ha obtenido un valor de 0,722; esto es debido a un mal contacto térmico entre la placa absorbedora y los tubos de la rejilla.
Rivasplata, César. (2012). Realizo una investigación en la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann de: "La industria y el desarrollo cnológico de colectores solares planos para calentamiento de agua", concluyendo que, Arequipa está en condiciones de competir con mercados extranjeros.
2.2. BASES TEÓRICAS. 2.2.1. ENERGIA SOLAR Energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión. Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un periodo de 30 años. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera.
La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.
2.2.2. ENERGIA SOLAR TÉRMICA Un sistema de aprovechamiento de la energía solar muy extendido es el térmico. El medio para conseguir este aporte de temperatura se hace por medio de colectores. El colector es una superficie, que expuesta a la radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido. Existen tres técnicas diferentes entre sí en función de la temperatura que puede alcanzar la superficie captadora. De esta manera, los podemos clasificar como: Baja temperatura, captación directa, la temperatura del fluido es por debajo del punto de ebullición. Media temperatura, captación de bajo índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 100ºC. Alta temperatura, captación de alto índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 300ºC.
2.2.3. APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA SOLAR ENERGIA SOLAR EN EL PERÚ La energía solar en el Perú es en muchos lugares del territorio, lo suficientemente alta y uniforme (comparada con otros países) para ser considerada como una fuente energética utilizable para fomentar el desarrollo de nuestras comunidades. Según el atlas de energía solar, la radiación solar en el Perú es más alta en la zona de la Sierra (5-6 Kwh/m2-día) que en la selva y la costa (4-5 Kwh/m2-día) con una variación de +/- 20% durante el
año. Esta cifra aumenta de norte a sur. Por ejemplo, Lima tiene en promedio 5.13 Kwh/m2-día, mientras que Arequipa 6.08 Kwh/m2día. Las principales aplicaciones solares utilizadas en el Perú son los sistemas fotovoltaicos y los sistemas de calentamiento de agua (termas solares). Según un estudio del Ministerio de Energía y Minas del 2004 (2) existen alrededor de 10000 termas solares instaladas principalmente en Arequipa, Ayacucho, Lima, Puno, Tacna y Ancash. Cabe resaltar que en Arequipa hay toda una industria dedicada a esta tecnología. La misma fuente menciona que hasta esa fecha se habían instalado 640 cocinas solares en todo el país y cerca de 764 secadores solares. También se menciona que la potencia Fotovoltaica instalada hasta esa fecha era de 3.73 Mwp, siendo las principales aplicaciones la electrificación domiciliaria y las telecomunicaciones. Cabe destacar en esta área el proyecto PER/98/G31 Electrificación Rural a Base de Energía Fotovoltaica mediante el cual se han instalado cerca de 5424 SFV domiciliarios de 50 Wp en los departamentos de Cajamarca, Pasco, Loreto y Pucallpa. Hay muchas razones por las cuales a pesar de que tenemos altos niveles de radiación solar, este tipo de tecnologías no han tenido el despegue que merecen, entre ellas la falta de una política energética gubernamental que fomente su uso, experiencias fallidas que fomentan el escepticismo (experiencias fallidas principalmente por un mal planeamiento y o ejecución de los proyectos más que por la tecnología en sí), falta de desarrollo de la industria local en este tema, etc. La energía solar a través de sus múltiples aplicaciones pueden sin duda mejorar las condiciones de vida de los pobladores de las zonas rurales de nuestro país y también ser una alternativa energética viable para las zonas urbanas (hay que tomar en cuenta
por ejemplo el ahorro producido con el calentamiento de agua). Esperemos que este panorama cambie pronto para bien.
2.3. TERMA
SOLAR
CON
CIRCULACIÓN
NATURAL:
EFECTO
TERMOSIFÓN. Cuando la radiación solar golpea la superficie del absorbente, se convierte rápidamente en calor. Las pérdidas de calor se reducen gracias a la cubierta y al aislamiento, de modo que el calor es recogido y transferido al agua en los tubos. El agua se calienta y sube por el conducto superior hacia el tanque de almacenamiento. El agua caliente es más ligera que el agua fría, por lo que siempre encuentra su camino hacia el punto más alto del circuito. Entonces, habrá un flujo que va desde el colector hacia el tanque de almacenamiento. A su vez, el agua caliente que sube desde el colector es sustituida por agua fría, vía el conducto inferior. Por lo tanto, el agua fluirá desde la parte más baja del tanque de almacenamiento hacia la parte más baja del colector. De este modo se genera una circulación natural: el agua caliente sube desde el colector y, simultáneamente, el agua fría fluye del tanque de agua al colector. El agua fría en el colector será calentada nuevamente por la radiación solar, cerrando así el circuito. Un sistema basado en el principio de circulación natural es denominado sistema de efecto termosifón; es decir, sistema donde el sol constituye la fuente de energía. Dependiendo de la temperatura del medio ambiente y del grado de aislamiento del sistema, éste alcanzará temperaturas entre los 40º C y 90º C.
2.4. TANQUE DE ALMACENAMIENTO. Por lo general, el agua calentada por el colector no se utiliza inmediatamente, por lo que debe ser almacenada en un tanque. Puede
construirlo o comprarlo (nuevo o usado). Para los sistemas más pequeños hasta los sistemas de 1000 litros, se pueden utilizar cilindros de aceite o contenedores de plástico en buenas condiciones.
III. HIPÓTESIS. Considerando que la terma solar no hace uso de la energía convencional, la inversión de población beneficiaria en la construcción operación mantenimiento, será recuperada en 26 meses por lo que formulamos la siguiente hipótesis: “Sí, es posible fomentar la construcción y uso de termas solares en los
pobladores de zona sierra de Ancash ”.
IV. MATERIALES Y METODOLOGÍA. 4.1. EQUIPOS Y HERRAMIENTAS. Taladro
de mano.
Aplicador
de silicona.
Desarmador. Llave
francesa.
Arco
de cierra.
Alicate.
Hoja
de cierra.
Cúter
Martillo.
o cuchilla.
Tijera.
4.2. MATERIALES. Bienes y servicios Bidón de 35 litros Tubos de PVC ½” Codos de PVC ½” Tees de PVC ½” Empaque de PVC ½” Llave de paso ½” Adaptador PVC ½” Unión mixta PVC ½”
Válvula flotadora, varilla y flotador Tuerca de ½”
Pegamento nicoll Silicona (sikasil) Tecnopor de 1”
Unidad Unidad 5.50 m. Unidad Unidad Unidad Unidad Unidad Unidad Unidad Unidad 1/8 L 300 ml Unidad
Cantidad 1 2 8 10 8 2 10 5 1 1 1 2 2
Vidrio 1.15x0.65x0.004 m
Unidad 6 m. Unidad Unidad Unidad Unidad Unidad Unidad Unidad
Angulo ¾” Aluminio Tornillos (½”x3/32”, para Aluminio.)
Calamina de 0.14 Abrazaderas ¾”
Pintura spray (negro) Manguera de ¾” x 5 m.
Cinta teflón. Pedazo de cámara de llanta (usada)
1 2 20 1 6 1 1 1 1
4.3. METODOLOGÍA. 4.3.1. DISEÑO DEL COLECTOR DE LA TERMA SOLAR. La energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia es una propiedad física conocida como el “calor específico”
de dicha sustancia. El calor específico del agua (Cp) es 4200 J/kg/ºC. Eso significa que se necesitan 4200 joules de energía para elevar en un grado centígrado la temperatura de un kilogramo de agua. Cp I
- Calor específico (J/kg/ºC);
- Radiación solar (kWh/m2);
M
- Cantidad de agua caliente requerida (litros);
T 1 -
Temperatura del agua caliente requerida (ºC);
T 2 -
Temperatura del agua fría;
E eff -
Eficiencia de la terma sol.
4.3.1.1. Características técnicas. Departamento Latitud Longitud Capacidad Temperatura inicial Temperatura final Radiación solar (I) promedio Costo total Costo de mantenimiento
Ancash
35 litros por día. 5 °C 40 °C 5.79 KWh/m2 – día. S/. 777.00 (No incluye IGV) S/. 100.00 por año.
Costo de energía eléctrica para una terma de 50 litros. Tiempo de recuperación de la inversión. Tiempo de vida útil
S/. 35.00 aprox. por mes. En 26 meses. 12 años
En primer lugar, se debe calcular la energía necesaria basándose en la diferencia de temperatura requerida entre el agua fría y caliente. La fórmula está dada en la siguiente ecuación. Q = M x Cp x (T 1 - T 2)
(1)
Para efectuar esto se debe saber la cantidad de agua a ser calentada, en el cuadro 1.
CALCULO CAPACIDAD DEL TANQUE DE 2 Personas 15 Litros 1 Lavadero. 5 Litros TOTAL 35 Litros Entonces el consumo aproximado de 35 litros/día a 40 °C, siendo la temperatura del agua en la fuente en el caso más extremo de 5°, por lo que la Energía de Calor (Q) será: M = 35 litros/día. Cp= 4184 J/kg/ºC. T2-T1= 35 ºC Q= 35 x 4184 x 35 = 5125400 J
Q =1.42 kWh/dia. Una vez calculada la energía necesaria, se puede calcular el área de la superficie del colector, tomando en cuenta la radiación solar (I) y la eficiencia del sistema (Eef).
(2) La radiación global varía durante el día, durante el año y también según la altitud y latitud. Para realizar los cálculos, se utilizará la radiación registrada en Huaraz cuyo valor es de 5.79 Kwh/m2-dia.La eficiencia del colector depende, entre otras cosas, del tipo de colector, el aislamiento, la instalación, etc. Por lo general, la eficiencia de un sistema completo (colector y tanque), si se utiliza adecuadamente, está entre 25 - 50%. Podemos decir, como regla básica, que se puede utilizar un promedio de 35 - 40%. Para nuestro caso hemos elegido una eficiencia de 35%, con los datos de calor
y de radiación se obtiene el área del colector,
como sigue:
Área del Colector = 1.42 /(5.79 x0.35) = 0.70 m 2. Por lo que, se necesita un área de superficie de paneles total de 0.70 m2 para calentar 35 litros de agua a 40º C.
4.3.2. PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN. 4.3.2.1. Construcción del panel o colector. a) El ángulo de aluminio es cortado solo un lado en 1. 15 m y a 0.65 m finalmente lo doblamos formando un rectángulo, en las uniones del dobles hacemos orificios con el taladro de mano, luego aseguramos con un tornillo, lo mismo hacemos otro, posteriormente realizamos cortes de 0.14 m, estos son colocados en las esquinas formando un cubo, aseguramos con el tornillo como en el caso anterior. Cortamos teknopor 2 unidades de 0.14x0.65 m, 0,14x1.15 m y 0.65x1.15 m estos son colocados en la parte interior de los ángulos y pegados con silicona.
b) Realizamos cortes de 0.94 m del tubo ½’’ seis unidades y uno de 1.15 m. adherimos pegamento PVC y lo unimos a presión los seis tubos con los tees y codos. Luego realizamos cortes de 7 cm, 12 unidades para unir tees con tees o con codos, quedando al final como una parrilla y pasamos una mano de pintura negra con spray.
c) Cortamos una calamina de 0.86 m por 6 canales de forma que dé en los canales las 6 tuberías, pintamos la calamina una mano una vez seca aseguramos la calamina con la tubería y pintamos la última mano de pintura a los dos. Los laterales de la parte interna de la caja se forra con papel
aluminio pegando con silicona, posteriormente se ubica la parrilla de tubería y aseguramos teniendo en cuenta que por los orificios de la parte superior la tubería sobre pase al menos 5 cm. Hay que tener en cuenta que la tubería libre es para agua fría y por lo tanto no debe ser pintada ni cubierta con calamina. Y por último pegamos el vidrio con la silicona.
4.3.2.2. Construcción del tanque de almacenamiento de agua caliente. a) Realizamos 4 agujeros de ½’’ al bidón de PVC, uno en la parte baja a 4 cm de la base (conexión entre el tanque y el colector), uno a 2/3 de la base (salida de agua de consumo), una 40 cm de la base para el ingresos de agua caliente del colector o panel y uno 45 cm de la base (entrada de agua de la red). Colocamos una boya a la entrada de agua de red para controlar automáticamente el nivel de agua en el bidón y en los demás orificios ira un adaptador con una unión mixta de modo que entre estos debe estar la empaquetadura.
b) Planchamos la calamina, haciendo uniones de gancho formamos un cilindro (debe ser más 5 cm más radio que el bidón de almacenamiento) y sobre la basa se asegura con alambre, por la parte interna en la base colocamos teknopor (cortar 4 círculos dos para la base y para la parte superior). En el espacio entre el cilindro de calamina y el bidón colocamos teknopor como aislante térmico para que no se pierda el calor por conducción ni convección.
c) Instalamos el sistema tanque colector para el cual hacemos uso de los tubos de mangueras
de 3/4’’ para agua fría y
caliente tal como se muestra en la figura.
V. RESULTADOS. 5.1. EFICIENCIA TÉRMICA DEL COLECTOR SOLAR. La eficiencia del colector solar es evaluada con los datos experimentales que se obtuvieron en 2 días de medición, todas la evaluaciones se realizaron en las horas de más alta intensidad de radiación solar. Temperatura de salida del colector, fue de 57 – 60 °C.
5.2. PERDIDAS TÉRMICAS DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA. Se cargó el tanque de la terma por dos días a las 10 am y se controlaron en diferentes horarios a las 4 pm teníamos una temperatura de agua de 48 °C y a las 10 pm teníamos una temperatura de 35 °C. Con lo que podemos comprobar la eficiencia de nuestro aislante por 4 horas.
VI. CONCLUSIONES.
Se llegó a construir la terma solar, promoviendo el ahorro de energía y mejora de la vida.
Se concientizo a la población de la Av. Malecón sur del río Quillcay con el prototipo de la terma solar.
Se construyó de manera participativa con equipo de trabajo un prototipo de terma solar familiar.
Se determinó la eficiencia de la terma construida, hasta las 10 pm.
VII. RECOMENDACIONES. Construir
un panel o colector de la terma con policarbonato y comparar la
eficiencia con el vidrio. Construir
la parrilla del colector con tuberías de agua caliente.
BIBLIOGRAFÍA.
Cáceres, Richard y otros. Diseño de un sistema de agua caliente para un hotel de 30 personas. Tesis, Huancayo: Universidad Nacional del Centro del Perú,
2012.
Herrera, Ronald. Diseño de una cama calefactora para regiones frías. Tesis, Lima: Ponteficie Universidad Católica del Perú, 2011.
Montoya, Luis y otros. Evaluación de un calentador solar de agua de acuerdo a Norma Técnica Peruana. Tesis, Lima: Universidad Nacional de San Agustín,
2011. Rivasplata,
César. La industria y el desarrollo cnológico de colectores solares
planos para calentamiento de agua. Tesis, Tacna: Universidad Nacional Jorge
Basadre Grohmann, 2012.
Sánchez, Pedro. «Termas Solares usos y aplicaciones en el Perú.» Solartec (Solartec), s/a: 24.
