UTILIZACIÓN DE COLECTORES SOLARES EN EL CALENTAMIENTO DE AGUA PARA EL CONTROL DE LA HUMEDAD RELATIVA

Balance de masa

Para el aire:

Donde:

${\dot{m}}_{a1}$ es el caudal másico del aire de entrada (kg/s)

${\dot{m}}_{a2}$ es el caudal másico del aire de salida (kg/s) y caudal másico del aire (kg/s).

Para el agua:

Donde:

W ₁ es la humedad relativa del aire de entrada (%), la humedad relativa del aire de salida (%)

${\dot{m}}_w$ el caudal másico del agua (kg/s)

${\dot{m}}_{w1}$ el caudal másico de agua a la entrada (kg/s)

${\dot{m}}_{w2}$ el caudal másico de agua a la salida (kg/s).

Balance de energía de la batería fría

Donde:

${\dot{m}}_a:$ es el caudal másico del aire (kg/s)

$h_1$ : la entalpía del aire a la entrada (kJ/kg)

$h_2$ : la entalpía del aire a la salida (kJ/kg)

${\dot{m}}_r$ el caudal de condensado (L/min)

$h_s$ : la entalpía del condensado a la salida (kJ/kg)

$h_e$ : la entalpía del fluido a la entrada (kJ/kg)

${\dot{m}}_w$ : el caudal de agua a la salida de la batería (L/min)

$h_f$ : la entalpía del fluido a la salida (kJ/kg).

En la Figura 2 se muestra el serpentín de enfriamiento, donde T ₁ es la temperatura del aire a la entrada de la batería (°C), T ₂ la temperatura del aire a la salida de la batería (°C) y T _sup la temperatura de saturación en la superficie de la batería (°C) y T _r , la temperatura de rocío a la temperatura ambiente de la batería (°C).

Se calculó el factor de $F_{\beta }$ , bypass, que es la parte del aire que no toca la superficie y por lo tanto no se enfría por este mecanismo, el cual se tomó como parámetro de entrada a la batería de calentamiento.

Factor de bypass

Balance de energía de la batería caliente

Donde:

Q _a: es la cantidad de calor generada en la batería caliente (kW)

${\dot{m}}_a$ : el caudal másico del aire (kg/s)

h ₁ : la entalpía del aire a la entrada (kJ/kg)

h ₂ : la entalpía del aire a la salida (kJ/kg)

${\dot{m}}_f$ : el caudal de agua a la salida de la batería (L/min)

C _p : el calor específico del agua (kW/kg °C)

T _e : temperatura de entrada del aire húmedo (°C)

T _s : la temperatura de salida del aire húmedo (°C)

El objetivo principal para el calentamiento del aire es determinar la cantidad óptima de agua caliente (m _f) y con ello controlar la humedad relativa deseada en la manejadora de aire (Figura 3).

La Figura 4 representa el diagrama psicrométrico del proceso de enfriamiento con deshumidificación y el proceso de calentamiento, ambos se producen en las climatizadoras de aire.

Cálculo de la demanda energética diaria de agua caliente en el colector

Donde:

Q _ac: es la demanda energética diaria de agua caliente en el colector (kW/día)

${\dot{m}}_f$ : el caudal de agua caliente (L/día)

ρ: la densidad del agua (1 kg/L)

C _p : el calor específico del agua (0.00116 kW-h/kg °C), Tuso la temperatura de uso (60 °C)

T _AF : la temperatura de agua fría o red (22.5 °C)

Para el cálculo de la carga térmica de los colectores se tuvieron en cuenta los datos de la instalación:

Al culminar el cálculo del balance energético total, se procedió a realizar el cálculo para la selección de los colectores solares de agua (Alemany, 2008Alemany Gutiérrez, E. (26 de febrero de 2008). Calentadores solares se suman a la revolución. energética. Guerrillero) teniendo en cuenta el método F-Chart.

Cálculo del área de captación (método F-Chart)

El método F-Chart (Winscoinsin, 2016Winscoinsin, f. c. (2016). Cálculo Método F-Chart. http://www.solarweb.com ) es una herramienta que permite estimar el desempeño promedio a largo plazo de un sistema solar-térmico teniendo en cuenta las siguientes ecuaciones:

Cálculo de la energía absorbida por el colector

Donde:

E _a : es la energía absorbida por el colector (kWh/mes)

S _c : la superficie del colector (m²)

${F´}_{r }$ : tan el factor de eficiencia óptica del colector o factor de ganancial

R la radiación solar media horizontal (kWh/m² día)

N los días del mes

D ₁ la relación entre la energía absorbida por el colector (E _a ) y la demanda o carga energética mensual en el colector (Q _ac ).

Cálculo del sistema de acumulación

Primeramente se analizará la conveniencia de un sistema de acumulación, de ser así, será necesario que el recipiente tenga la capacidad suficiente para proporcionar la cantidad de calor necesario con el fin de mantener la temperatura deseada del agua tomando en cuenta las pérdidas de calor que pudiese haber.

El volumen del acumulador y su sistema de calentamiento deberán cumplir con los criterios de diseño teniendo en cuenta las recomendaciones técnicas de expertos del documento básico de ahorro de energía de instalaciones termo solares (Instalaciones solares térmicas, 2019Instalaciones solares térmicas. (2019). Sección HE4 contribución solar mínima de agua caliente sanitaria. https://docplayer.es/amp/14729760-Instalaciones-solares-térmicas-predimensionado-y-dimensionado-grupo-formadores-andalucía.html ):

Donde:

V: es el volumen del depósito de acumulación solar (L)

A: la suma total de las áreas de los captadores solares (m²)

M: la demanda diaria (L/día)

Cálculo del sistema de intercambio de calor

Utilizaremos intercambiadores incorporados al acumulador. Su dimensionamiento se realiza teniendo en cuenta los criterios de diseño y las recomendaciones técnicas de expertos del documento básico de ahorro de energía de instalaciones termo solares (Instalaciones solares térmicas, 2019Instalaciones solares térmicas. (2019). Sección HE4 contribución solar mínima de agua caliente sanitaria. https://docplayer.es/amp/14729760-Instalaciones-solares-térmicas-predimensionado-y-dimensionado-grupo-formadores-andalucía.html ) con las condiciones siguientes:

Donde:

S: es la superficie del intercambiador (m²)

A: la suma total de las áreas de los captadores solares (m²)

Cálculo del factor de corrección por almacenamiento

Para el cálculo del K ₁ se analizaron varios criterios a tener en cuenta según la condición siguiente:

Donde:

V _acum : es el volumen de acumulación

S _c :la superficie del colector (m²)

Cálculo del factor de corrección que relaciona las distintas temperaturas

Donde:

T _ac : es la temperatura de acumulación (°C)

T _red : la temperatura de la red (°C)

T _a : la temperatura ambiente (°C).

Cálculo de la energía perdida en el colector

Donde:

E _p :es la energía perdida en el colector (kWh/mes)

S _c : la superficie del colector (m²)

${F´}_r{U}_L$ : la pendiente de la curva característica del colector o coeficiente global de pérdidas del colector (kW/m²K)

∆𝑡: el periodo de tiempo considerado (horas)

D ₂ : la relación entre la energía perdida por el colector (E _p ) y la demanda o carga energética mensual (Q _ac )

La ecuación de cálculo de la fracción solar utilizada en este método puede apreciarse en la fórmula siguiente:

Cálculo económico

Se realizó el cálculo económico (Tradex Solar, 2018) teniendo en cuenta los principales parámetros que rigen la economía de la energía solar térmica (Tabla 3, figuras 6 y 7).

Impacto ambiental

El estudio logró una reducción importante de las emisiones de CO₂, alcanzando el valor de 103 t de CO₂ a la atmósfera (Álvarez y Vargas, 2014Álvarez Brito, A. F. y Vargas Blandino, D. (2014). Las emisiones de gases de efecto invernadero y su mitigación por el sector agrario cubano. Ediciones INCA. https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjFy8iHoLj8AhXQSzABHeauCjsQFnoECAgQAQ&url=https%3A%2F%2Fediciones.inca.edu.cu%2Ffiles%2Ffolletos%2Ffolletocambioclimatico.pdf&usg=AOvVaw0Jfrn3n4pek1Ml4XsBLt0I ), la eliminación de humos y malos olores contribuyeron a la reducción de las emisiones de otros gases de efecto invernadero, lo que permitió a la edificación una ganancia de energía por concepto de ahorros.

Ahorro de fuel TCE= 43,96 * 7,35 = 323,10 barriles de petróleo.

Donde TCE es el combustible total equivalente ahorrado producto de la eliminación de las emisiones de CO_2.

Teniendo en cuenta el costo del barril de petróleo (95,2 USD) de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) se obtiene el equivalente de ahorro de 30 759,12 USD o 738 218,88 CUP anual.