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II Congreso Nacional sobre Fuentes Alternativas de Energía y Materiales.
Centro Nacional de Alta Tecnología, Edificio Dr. Franklin Chang Díaz, Pavas.
San José, del 19 al 21 de Febrero 2014.
Estudio Comparativo de Dos Piscinas Domésticas Utilizando un
Calentador Termo Solar en Heredia, Costa Rica.
Shyam S. Nandwani (1) y Rolando J. Madriz (2)
(1) Prof. Pensionado, Universidad Nacional, Costa Rica, E-mail: [email protected]
(2) Lab. de Energía Solar, Universidad Nacional, Costa Rica. E-mail: [email protected]
Laboratorio de Energía Solar, Departamento de Física
Universidad Nacional. Heredia. Costa Rica
Patio Solar de Investigación
UNA-Depto. Física ¡¡Desde 1975!!
Estudio de la Energía Solar en Costa Rica
Vista Interna de la Casa Solar Casa Solar Demostrativa
Algunos Instrumentos de medición
Acerca de las Etapas de ésta Investigación
Mediciones de transmisividad,
reflectividad y absorbidad de algunos
materiales para mejorar el
aprovechamiento de la energía solar.
Costa Rica, Nov 2011.
Estudio de un Estanque Solar para
Almacenar Energía Calórica en Costa
Rica. Cuba, Jun 2013.
Estudio Comparativo de Dos
Piscinas Domésticas Utilizando un
Calentador Termo Solar en Heredia.
Costa Rica, Feb 2014.
I. Introducción:
A. Objetivos
B. Aplicaciones en CR
A- Objetivos:
Climatización de piscinas
aprovechando la energía solar
mediante el uso de dos elementos:
colector y anillos solares.
Lograr un aumento en la
temperatura promedio del agua
hasta 7°C más en comparación con
otra piscina de referencia sin
colector solar bajo las mismas
condiciones climáticas.
Piscina climatizada = 28°C
Con sistema de calefacción
de gas. Ubicada en Aserrí.
Piscina climatizada = 34°C
Con sistema de caldera a
diesel . Ubicada en San José.
B- Aplicaciones en CR:
B- Aplicaciones en CR:
Sistema de calefacción
con Colectores plásticos.
Ubicada en Heredia.
Sistema de calefacción con
Colectores metálicos.
Ubicada en Alajuela.
II. Materiales y Método:
A. Sistema
B. Experimento
A- Sobre el Sistema:
Dos piscinas, ambas de plástico y con
igual dimensión: (largo 3m x ancho 2m x
altura 0.65m)
Conexiones hidráulicas necesarios para
incorporar colector solar tipo placa
plana de cobre (2m2)
Sensores de temperatura en varios
puntos dentro de la columna de agua
(0,10, 20, 30 y 40 cm), temperatura
ambiente e intensidad solar
Elementos complementarios como son
los anillos solares.
Acoplado como un sistema abierto de
circulación natural tipo termosifón.
A- Sobre el Sistema:
Llenado de 2 piscinas iguales con área de 6m2 y columna de agua
de 50 cm (3000 litros cada una) y conexión de sensores al data
logger de la estación meteorológica
Piscina A
[PA]
Piscina B
[PB]
Sensor de
medición de
radiación
solar
Sensores de
temperatura en
la columna de
agua
A- Sobre el Sistema:
Conexión del colector solar en forma termosifón,
área de 2m2 (33% del área de la piscina)
Sensores de
temperatura
a la Salida
del colector
[ Tout ]
Sensores de
temperatura a
la entrada del
colector [ Tin ]
B- Sobre el Experimento:
1) Patio solar de la UNA ubicado en Heredia, (latitud 10º ’N,
longitud 84º W; altitud 1050 m.s.n.m.)
2) Período de tiempo (Junio a Agosto del 2011)
3) Agua utilizada era potable, sin ningún elemento químico
adicionado, turbiedad o sólidos suspendidos.
4) Se definieron 5 experimentos o tipos de sistemas para el
estudio
Experimento Piscina A [PA] Piscina B [PB]
1 Normal Normal
2 Normal Con colector solar
3 Normal Con 2 anillos solares
4 Normal Colector solar + 2 anillos
5 2 anillos Colector solar
Sistema completo listo para la etapa de experimentación
III. Resultados:
A. Por experimento
B. Discusión
Experimento 1: [PA] = [PB]
Tmin. inicial = 20°C ambas / Tmáx. PA= 28°C, PB= 28,3°C
Diferencia de T del agua a 30cm de profundidad osciló entre 2 a 4°C
Variación de la temperatura superficial del agua en dos piscinas
iguales para el 8 de Junio de 2011.
Experimento 2: [PA] vs [PB + Colector Solar]
Diferencia de T de PB siempre fue > que PA, en el orden de 2 a 3°C +
Diferencias de T en el colector solar: Tin = 23°C / Tout= 43°C
Variación de la temperatura promedio del agua en dos piscinas iguales, entrada
(Tin) y salida (Tout) del colector solar y radiación solar incidente (H) para el día 22
de Junio de 2011.
Colocación de Anillos Solares (Solar Rings) en la PB
Cada uno con diámetro de 1,5m, en total cubren un 58%
del área superficial de la piscina
Doble capa
de vinilo
resistente a
los U.V. con
aire que
funciona
como
aislante
Experimento 3: [PA] vs [PB + Anillos Solares]
Capa inferior
de color azul
absorbe hasta
un 50% de la
radiación
Experimento 3: [PA] vs [PB + Anillos Solares]
Diferencia de T en PB siempre fue > que PA, en el orden de 3,8 a 4°C +
PB alcanzó una Tmáx = 32,5°C
Variación de la temperatura superficial del agua en dos piscinas iguales,
usando anillos solares el 09 de Agosto de 2011 en Heredia, Costa Rica.
0
200
400
600
800
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09:00
a.m.
09:30
a.m.
10:00
a.m.
10:30
a.m.
11:00
a.m.
11.30 12:00
p.m.
12:30
p.m.
01:00
a.m.
02:00
a.m.
03:00
a.m.
05:30
a.m.
Hola local (civil)
Rad
iació
n S
ola
r
(W/m
2)
0
10
20
30
40
50
Tem
pera
tura
(ºC
)
H (W/m2) TPSA TPCA
Variación de la temperatura del agua en piscina sin anillos (TPSA) y en piscina
con anillos (TPCA) versus radiación solar incidente, medidos el 9 de Agosto de
2011.
Experimento 4: [PA] vs [PB + Colector + Anillos]
Diferencia de T en PB siempre fue > que PA, en el orden de 6,4 a 6,8°C +
PB alcanzó una Tmáx = 34,1°C
Variación de la temperatura superficial del agua en dos piscinas
iguales, usando anillos solares y colector solar el 23 de Agosto de
2011 en Heredia, Costa Rica.
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300
600
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1200
09:30
10:00
10:30
11:00
11.30
12:00
12:30
01:00
01:30
02:00
02:30
03:00
05:00
Hola local (civil)
Rad
iació
n S
ola
r
(W/m
2)
0
15
30
45
60
Tem
pera
tura
(ºC
)
H (W/m2) TPSC TPCC+A Tin Tout
Variación de la temperatura promedio del agua en piscina normal y otro con dos
anillos solares y un colector solar, para el día 23 de Agosto de 2011.
Experimento 5: [PA + Anillos] vs [PB + Colector]
Diferencia de T en PA siempre fue > que PB, en el orden de 1,0 a 1,8°C +
PA alcanzó una Tmáx = 29,4°C / PB alcanzó una Tmáx = 28,3°C
Variación de la temperatura promedio del agua en dos piscinas, uno con Dos
anillos solares y otro con un colector solar, para el día 25 de Agosto de 2011.
Variación de la temperatura superficial del agua en dos piscinas
iguales, una solo con anillos y otra solo con colector para el 25 de
Agosto de 2011 en Heredia, Costa Rica.
0
300
600
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10:30
11:00
11.30
12:00
12:30
01:00
01:30
02:00
02:30
03:00
04:00
05:00
Hola local (civil)
Rad
iació
n S
ola
r (W
/m2)
0
15
30
45
60
Tem
pera
tura
(ºC
)
H (W/m2) Tanillo Tcolector Tin Tout
A- Resumen de Resultados:
Exp [PA] [PB] Observación Diferencia de T
1 Normal Normal PA = PB 0,3°C (sensores)
T1 + 8°C = T2 (efecto de radiación solar)
2 Normal Con colector solar PA < PB T2 + (2 - 3°C)
3 Normal Con 2 anillos
solares PA < PB T2 + (3,4 - 4°C)
4 Normal Colector solar + 2
anillos PA < PB T2 + (6,4 - 6,8°C)
5 2 anillos Colector solar PA > PB T2 + (1 - 1,8°C)
B- Discusión:
Dufie y Beckman (2013): se
mencionan técnicas de cobertura de
piscinas con plásticos transparentes
realizados en Denver, USA, donde se
observó un aumento de la
temperatura del agua en el rango de 5
a 10°C sobre la temperatura
ambiental.
Laughton (2010): en climas
templados, la relación de áreas de
colectores/absorbedores para
climatización de piscinas esta en el
rango de 50% a 100%, mientras que
en climas tropicales se puede esperar
un rango entre 30% a 50%.
Florida Solar Energy Centre (2006):
las piscinas se puede considerar
como un colector solar que puede
absorber hasta un 75% de la energía
solar en forma de calor.
Transmisividad de Radiación
Solar en la Columna de Agua de
las Piscinas, medido el 29 de
Junio de 2012 en Condiciones de
Cielo Despejado
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40Tran
smis
ivid
ad d
e la
In
ten
sid
ad S
ola
r (%
)
Profundidad Columna de Agua (cm)
IV. Conclusión:
A. Sobre experimento
B. Recomendaciones
A- Conclusiones: Aunque se venden sistemas solares para calentar piscinas en Costa Rica, no
existen estudios técnico «in-situ» de su rendimiento.
Aunque éste es un estudio preliminar con condiciones controladas, se logra
conocer algunos datos interesantes:
En Heredia, en época lluviosa, se observa que solo lo por la absorción de los rayos
solares, la temperatura de agua alcanza hasta 28°C, transmisividad máxima a 40cm de
profundidad fue de 40%.
Con un colector solar de 2 m2 (33% del área del piscina), la temperatura de agua eleva
hasta los 30°C.
Con anillos solares de área 3.5 m2 en total (59% del área del piscina), la temperatura
de agua alcanza hasta los 32°C.
En el caso colector solar y anillos solares, se alcanzan hasta los 34°C. Importante para
aplicaciones terapéuticas!
La diferencia del temperatura del agua sobre superficie y a una profundidad del 30 cm
era menor en el rango de 2 a 4 ˚C, es decir que había estratificación.
No se puede olvidar que durante día cuando esta usando anillo solar, no se puede usar
la piscina.
B- Recomendaciones:
A nivel práctico:
Un colector de placa plana de cobre no se usaría para climatización de una piscina
recreativa porque los aditivos químicos dañarían las tuberías y la placa absorbedora en
un sistema tipo termosifón, pero si podría usarse en un sistema de circulación forzada
con un intercambiador de calor de acero inoxidable.
Lo ideal sería, utilizar el colector durante el día y los anillos en las horas de no uso de
la piscina, especialmente en la tarde-noche.
A nivel de investigación:
El estudio del comportamiento de la piscinas con fines terapéuticos sería el siguiente
paso, e incluir la evaluación de las pérdidas de calor por evaporación después de la
puesta del sol y hasta la noche.
Creemos que es ventajoso el uso de los anillos para almacenamiento de energía
calórica proveniente del sol usando un estanque solar dados los hallazgos
encontrados en este estudio.
¡MUCHAS GRACIAS!
MAYORES DETALLES.
Tel: 2277-3482 / 2277-3345
www.fisica.una.ac.cr
www.doctornandwanisolarcook.org