Ejemplo de Artículo en La Revista Energetica

7/21/2019 Ejemplo de Artculo en La Revista Energetica

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Ingeniera Energtica Vol. XXXV, No. 2/ 2014 p. 92 100, Mayo/Agosto, ISSN 1815 -5901

actibilidad del uso de la climatizacin solar de pequea

capacidad

Feasibility of the use of solar cooling of small capacity

Csar A.- Cisneros Ramrez

Recibido: febrero de 2013

Aprobado: agosto de 2013

Resumen/ AbstractEn el trabajo se presenta la evaluacin econmica de la implementacin de la climatizacin conempleo de la energa solar para las condiciones de radiacin y temperatura ambiente en LaHabana, Cuba. La evaluacin se realiz para mquinas de pequea capacidad (7-35 kW) lascuales se encuentran en el mercado internacional. El estudio se realiz empleando el tiempo derecuperacin de la inversin y el ahorro en el ciclo de vida como criterios de medida. Adems seanaliz la influencia que tiene la relacin volumen de almacenamiento/rea de captacin (V/A)sobre la fraccin solar, la energa auxiliar, el costo de la energa ahorrada, ahorro de la energaprimaria y ahorro en la cantidad de CO2 emitido. Se emple el mtodo P1-P2 para los clculoseconmicos as como el mtodo -fchart para la obtencin de la fraccin solar. El precio del

petrleo se vari entre los 100 y 200 $/barril.Palabras clave: absorcin, anlisis econmico, refrigeracin solar.

This work presents an economical evaluation of implementing a solar air-conditioning system usingsolar energy in Havana, Cuba. It was studied the feasibility of systems of small and mediumcapacities (7-35 kW) of absorption refrigeration machines which be in the world market. Theparameters that were taken for the feasibility were the payback time and life cycle savings. Also itwas analyzed the influence of the ratio storage volume/solar collector area (V/A) on solar fraction,auxiliary energy, saved energy cost, saved primary energy and emitted CO2. Besides, it was usedthe P1-P2method for the economical aspects and the -fchart method in order to determine desolar fraction. The price of petroleum was varied from 100 to 200$/barrel.Key words: absorption, economic analysis, solar cooling.

INTRODUCCIN

Los motivos del incremento en la demanda de refrigeracin y aire acondicionado a nivel mundialson diversos. Entre ellos se tienen el aumento de los hbitos de bienestar, los todava bajos costosenergticos, tendencias arquitectnicas de aumentar las reas acristaladas y, en una gran medida,las condiciones climticas. La creciente demanda de refrigeracin y aire acondicionado en edificiosimplica el aumento del consumo de combustibles fsiles. Por ello, es interesante reconsiderar losconceptos de construccin para lograr la reduccin de las cargas de climatizacin y por otro lado

el uso de tecnologas alternativas que permitan cubrir la demanda de climatizacin y refrigeracinen edificios.

APLICACIONES INDUSTRIALES


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Ingeniera EnergticaVol. XXXV, No. 2/ 2014 p.92 100, Mayo/Agosto, ISSN 1815 -5901

Es importante observar que en el mismo momento en el que se produce la demanda pico de fro,es que se dispone de grandes cantidades de radiacin solar que podran usarse para accionarsistemas de refrigeracin y climatizacin. La refrigeracin y climatizacin generadas trmicamentese ha aplicado durante las ltimas dcadas en nichos de mercado, preferentemente en categorasde gran capacidad, usando el calor residual o el calor procedente de la produccin combinada de

calor y energa (cogeneracin). Sin embargo, la combinacin de esta tecnologa con calentamientosolar hace ms complicado el proceso. Hasta la fecha, la refrigeracin solar y el aireacondicionado solar se han probado en unos pocos centenares de instalaciones [1-2].

El consumo total de energa elctrica en Cuba se muestra en la figura 1, en la cual se refleja comoeste consumo ha ido incrementndose paulatinamente [3].

Fig. 1. Consumo per cpita (kWh/cliente) global y residencial.

De este consumo, una parte es debida a la demanda de aire acondicionado en los edificiosadministrativos, centros comerciales, hoteles, laboratorios, hospitales, etc., en los cuales elconsumo de energa elctrica por ese concepto oscila entre el 55 y 65% de la energa total que

consumen esos edificios.

Tomando en consideracin lo planteado y adems que en Cuba se dispone de una radiacinmedia anual aproximada de 5 kWh/m

2da [4], se convierte en un sistema atractivo la aplicacin del

fro mediante el empleo de la energa en el pas.

En este sentido la refrigeracin y climatizacin solar pueden contribuir a: Reemplazar la demanda de combustible fsil, contribuyendo as a los objetivos y

necesidades mundiales en el uso creciente de fuentes renovables de energa. Reduccin de las emisiones del efecto invernadero, por un lado ahorrando en fuentes de

energa no fsiles y por otro evitando el empleo de sustancias refrigerantes lesivas para elmedio ambiente.

Partiendo de las premisas antes mencionadas, el objetivo de este trabajo se centra en determinarla factibilidad de la implementacin de la climatizacin solar para pequeas capacidades, paracondiciones del clima en Cuba.

DESARROLLO

La tecnologa de absorcin empleando energa solar se utiliza en el acondicionamiento de airepara pequea y mediana capacidad. La clasificacin de pequea y mediana est en concordanciacon los productos de refrigeracin disponibles en el mercado; en este sentido, las aplicacionespequeas son sistemas con una capacidad refrigerante nominal por debajo de 35kW y los

sistemas medianos de aproximadamente 100kW [5-6]. En general, esta tecnologa est diseadapara funcionar con bajas temperaturas de calentamiento y por lo tanto se pueden aplicarcaptadores solares trmicos estacionarios. La menor capacidad enfriadora disponible actualmente


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en el mercado es de 4.5kW. Junto a la mezcla de trabajo bromuro de litio-agua (BrLi/H2O), tambinse aplican el cloruro de litio-agua (ClLi/H2O) y amoniaco-agua (NH3/H2O). La aplicacin de lamezcla NH3/H2O con amonaco como refrigerante es relativamente nueva para la climatizacin deedificios, puesto que este tipo de tecnologa se usaba sobre todo en la refrigeracin industrial paraaplicaciones a temperaturas por debajo de 0

0C.

Prcticamente era un mito muchos aos atrs que la tecnologa de absorcin con el empleo deenerga solar reemplazara a las que emplean combustibles fsiles; a medida que han pasado losaos se ha abierto una brecha, aunque no llega a los estndares an deseados. Por solo brindaralgunos datos, la produccin de instalaciones de climatizacin solar en el mundo en el ao 2009fue de alrededor de 400 veces ms respecto al ao 2004,con solo ms de 100 instalaciones en el2009 significando ms del 50% [7-8].

En el mercado, entre las tecnologas de climatizacin accionadas trmicamente, dominan lastecnologas de absorcin y adsorcin, representando alrededor de un 85% del total de todas lastecnologas de climatizacin solar, y de ellas, la tecnologa de absorcin es la ms dominanterepresentando un 71% del total de estas tecnologas [9]. Es por esta razn que este trabajo secentra en la tecnologa de absorcin.

MTODO EMPLEADO

El comportamiento energtico, definido como la fraccin solar, se determin aplicando elmtodo -fchart [10-11], para lo cual se tom como temperatura mnima de calentamiento alsistema de absorcin 75

oC y como condiciones de diseo exterior se tomaron las de La Habana.

Los datos mensuales de temperatura media ambiente y radiacin en La Habana se reflejan en latabla 1. El comportamiento trmico (COP) de la mquina de refrigeracin se determin a partir dela temperatura caracterstica t, la cual depende de las temperaturas de calentamiento,enfriamiento y de evapotacin. El COP se determin a travs de la ecuacin (1), [12-13]:

= +t 0.3COP

1.04 t 1.2 (1)

Tabla 1. Temperatura media ambiente y radiacin solar.

MES Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ag Sept Oct Nov Dic Ao

Temperatura [oC] 21.3 21.5 22.7 24.3 25.7 26.6 26.9 26.9 26.3 25.1 23.7 22 24.4

Radiacin, [MJ/m2] 8.96 12.38 17.39 21.53 26.06 29.2 28.55 25.49 21.17 15.34 10.33 7.92 18.7

La evaluacin econmica de la instalacin solar se llev a cabo teniendo en cuenta tanto loscostos de inversin como los costos de operacin [11, 14-15]. En el costo de inversin se tuvo encuenta el costo de los equipos que conforman la instalacin (colector, tanque de almacenamiento,bombas, tuberas, intercambiadores de calor, controles, y otros equipos asociados a la instalacin)y el costo de instalacin de los equipos.

Para pequeas capacidades, es caracterstico que estas instalaciones se adquieran de formamodular, la cual ya tiene en cuenta los colectores solares, equipo de refrigeracin, tanque dealmacenamiento de agua caliente, tanque almacenamiento de agua fra, sistema de bombas, ysistema de control. El costo especfico de estas instalaciones oscila entre los 7140 y 4340 $/kWpara capacidad de 7 y 35 kW respectivamente [9]. Los costos de instalacin y mantenimiento, los

cuales no estn reflejados en los valores dados ms arriba, se tomaron en funcin del costo de


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inversin a partir de la experiencia internacional [16], costo de mantenimiento, 2% para el sistemaconvencional y 1% para el solar; costo de instalacin, 12%

Elahorro en el ciclo de vida (ACV) se define como diferencia entre el costo del ciclo de vida de unsistema convencional y uno solar. El mismo se calcula a partir del costo de la energa CF1, lafraccin solar f, la relacin entre el ahorro del costo del combustible en el ciclo de vida y el ahorro

en el primer ao P1, la carga a cubrir L, la relacin entre los costos adicionales y el costo inicial P2,y el costo de la instalacin solar Csista travs de la ecuacin (2), [10-11]:

1 F1 2 sistACV P C L f P C= (2)

La relacin entre el ahorro del costo de combustible en el ciclo de vida y el ahorro en el primer aoP1 est influenciado por el perodo que se hace el anlisis Ne, la inflacin i f y el inters delmercado d, a travs del factor de valor presente PWF(Ne,if,d)segn la ecuacin (3):

( ) ( )= 1 t e f P 1 C PWF N ,i ,d (3)

En la ecuacin (3), el trmino Ct tiene en cuenta si la instalacin es comercial o no. Para este

trabajo se considera que la instalacin no genera ingresos, por lo que C t=0

La relacin entre los costos adicionales y el costo inicial P 2est influenciada por la relacin entrelos costos parsitos y el costo inicial Ms, inters anual de pago m, pago inicial D, inflacin i, la tasade inters ty los aos de depreciacin NDy de pago de la inversin inicial NL, segn la ecuacin(4):

( ) ( )

( )

( ) ( )( )

( )

( )

( ) ( ) ( ) ( )( )

( )( )

e

mn

2

L

mn

mn

L L

s t e e

i v

mn tND

PWF N ,0,dP D 1 D

PWF N ,0,m

PWF N ,0,d1i 1 D PWF N ,m,d m

PWF N ,0,m PWF N ,0,d

M 1 C PWF N , i,d tV 1 t PWF N , i,dC R

PWF N ,0,d 1 CN 1 d

= +

+ +

+

(4)

El valor de Nmn se toma el menor entre Ne y NL. La razn entre el costo de venta al final delperodo de anlisis y la inversin inicial se tom Rv=0 y la razn entre el valor del sistema solar enel primer ao y la inversin inicial del sistema se tom V=1.

Tiempo de retornoEl tiempo de retorno (NP) es el tiempo necesario para recuperar la inversin realizada y se

determina a travs de ecuacin (5), [11]:

( )

sist F

Fi

P

F

C iln 1

f L CN

ln 1 i

+

=+

(5)

Donde iFen la ecuacin (5), es la inflacin del combustible.El costo de la energa ahorrada (CPE) se evalu a partir del costo anual del sistema analizado Csisty del sistema de compresin patrn Ccomppatrn; adems del consumo de energa primaria delsistema de compresin patrn CEPcomppatrny del sistema analizado CEPsista travs de la ecuacin(6), [17]:

=

s is t s istpatrn

PEcomp patrn sist

C C $C GJCEP CEP (6)


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El comportamiento ambiental del sistema de climatizacin solar se evalu a partir del clculo delas emisiones de CO2al ambiente y para lo cual se emple el ndice de 73.1kgCO2por kilogramode petrleo.

El escenario escogido para la evaluacin de la aplicacin del sistema de climatizacin solar se

muestra en la tabla 2:

Tabla 2. Valores del escenario escog ido para la evaluacin.

Temperatura mnima de calentamiento. 75oC C

Capacidad frigorfica. 7-35 kWfro

Relacin rea de captacin/capacidad de enfriamiento. 2,6 m2/kW

Tiempo de trabajo del sistema de climatizacin. 10 h/d

Coeficiente de comportamiento del sistema de compresin (COP). 3

Eficiencia del sistema elctrico nacional. 0,3

Precio del petrleo (CFi). 100-200 $/barril

Pago inicial (D). 20 %Aos de pago (NL). 10 aos

Aos para el anlisis econmico (Ne). 20 aos

Inflacin del combustible (iF). 9 %

Conversin a $ 1,4

RESULTADOS

La figura 2, muestra los valores del coeficiente de comportamiento (COP) de la mquina y lafraccin solar para cada mes del ao. La variacin del COP viene dada fundamentalmente por lavariacin de la temperatura de enfriamiento (temperatura ambiente) porque las temperaturas degeneracin y de evaporacin se consideraron contantes.

0 2 4 6 8 10 120

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Mes

fraccinsolarmensual

fmes

COP

Fig. 2. Fraccin solar y COP para cada mes.

El comportamiento de los sistemas solares est influenciado por el nivel de energa que seacumula, la cual puede ser empleada en momentos de poca radiacin solar. La figura 3, muestrala variacin de la fraccin solar para diferentes relaciones de volumen de almacenamiento/rea decaptacin (V/A). Se observa que existe una relacin directa entre el aumento de la relacin V/A y

la fraccin solar. Este aumento es significativo para valores menores de V/A=0.14.


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0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.220.685

0.69

0.695

0.7

0.705

0.71

0.715

0.72

0.725

volumen de almacenamiento/rea de captacin (m3/m2)

fracc

inso

lar

Capac=7

Capac=20

Capac=35

Fig. 3. Fraccin solar vs relacin volumen de almacenamiento/rea de captacin.

Este comportamiento de la fraccin solar tiene su influencia en los valores obtenidos de energaauxiliar (fig.4), ahorro de energa primaria (fig.5), costo de la energa ahorrada (fig.6) y disminucin

en la cantidad de CO2emitida a la atmsfera (fig.7).

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.2220

40

60

80

100

120

140

160

volumen de almacenamiento/rea de captacin (m3/m

2)

Energaauxiliar(GJ)

Capc=7kW

Capac=20

Capc=35

Fig. 4. Energa auxil iar vs relacin volumen de almacenamiento/rea de captacin.

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.2250

100

150

200

250

300

350

volumen de almacenamiento/rea de captacin (m3/m

2)

Ahorrodeenergiaprima

ria(GJ)

Capac=7kW

Capac=20

Capac=35

Fig. 5. Ahorro de energa primaria vs relacin volumen de almacenamiento/rea de captacin.


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0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

volumen de almacenamiento/rea de captacin (m3/m2)

Costodelaenergaahorrada($/GJ)

Capc=7kW

Capac=10kW

Capac=35kW

Fig. 6. Costo de la energa ahorrada vs relacin volumen de almacenamiento/rea de captacin.

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.220.5

1

1.5

2

2.5

3x 10

4

volumen de a lmacenamiento/rea de captacin (m3/m2)

Ahorro

de

CO2(kg

)

Capac=7kW

Capac=20

Capac=35

Fig. 7. Ahorro de CO2emitido.

El ahorro de la instalacin durante su ciclo de vida, para lo cual se tomaron 20 aos para elanlisis, se muestra en la figura 8. Este ahorro experimenta valores positivos y a su vez unavariacin ms pronunciada respecto al precio del petrleo en el caso de la instalacin de 35kW.

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10x 10

4

Precio del petrleo ($/barril)

Ahorroene

lc

iclode

vida

($)

Capac=7kW

Capac=20

Capac=35

Fig. 8. Ahorro en el ciclo de vida vs precio del petrleo.

El tiempo de retorno de la inversin con relacin al precio del petrleo se muestra en la figura 9. La

instalacin que experimenta menor tiempo de retorno es la de 35 kW. A pesar de ello, este tiempo


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de 26 aos para precio de 100$/barril y 14 aos para precio de 200$/barril an es alto para losanlisis de factibilidad econmica.

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 20010

15

20

25

30

35

40

45

Precio petrleo ($/barril)

Tiempo

dere

torno

(aos

)

Capac=7kW

Capac=20

Capac=35

Fig. 9. Tiempo de retorno vs precio del petrleo.

CONCLUSIONES

Durante el trabajo se evalu el comportamiento de sistemas de refrigeracin por absorcin depequeas capacidades empleando como fuente energtica principal la energa solar. Se determinla influencia del almacenamiento sobre la fraccin solar media anual y en consecuencia sobre laenerga auxiliar a emplear para el funcionamiento de la instalacin, ahorro de energa primariaempleada, el costo de la energa ahorrada y disminucin en la cantidad de CO2 emitido a laatmsfera. De los resultados se observ que la relacin volumen de almacenamiento/rea de

captacin ejerce su mayor influencia para valores menores a 0.14.

Por otro lado se obtuvieron tanto el ahorro durante el ciclo de vida como el tiempo de retorno de lainversin. En el caso del ahorro durante el ciclo de vida se obtuvo que solo se obtienen ahorrospara la instalacin de 35kW cuando el precio del petrleo es mayor a los 130 $/barril.

El tiempo de retorno de la inversin para la instalacin de 35kW result ser de 14 aos cuando elprecio del combustible es de 200$/barril.

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UTOR

Csar Arnaldo Cisneros Ramrez

Ingeniero Mecnico, Doctor en Ciencias Tcnicas, Profesor Titular, Centro de Estudio deTecnologas Energticas Renovables (CETER). Instituto Superior Politcnico Jos AntonioEcheverra, Cujae, La Habana, Cuba.e-mail:[email protected]
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]

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