CONTENIDO

1INTRODUCCIN32PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA43JUSTIFICACIN54ANTECEDENTES65PROYECTO DETALLADO71.Proyecto Detallado76 PREPARACIN PARA EL PROYECTO81.Anlisis Fsico81.1.Diagnstico trmico y ambiental81.2.Modelo trmico de anlisis132.Anlisis del modelo matemtico172.1.Colector Solar172.1.1.Metodologa de clculo171.1.Estudios iniciales172.1.2.Balance energtico212.1.3.Clculo de prdidas y transferencia de calor242.1.4.Clculo del colector y resultados de diseo272.1.5.Dimensionamiento de la instalacin302.2.Bomba solar313.Anlisis econmico337. DESCRIPCION DE SUBSISTEMAS391.1Subsistema N 1:391.1.1.Colectores solares:391.1.1.1.Colector solar propiamente dicho401.1.1.2.Tanques trmicos411.1.1.3.Tuberas:421.1.1.4.Purgadores:431.1.1.5.Soporte Metlico431.2.Subsistema 2451.2.1. Paneles solares C(2.1)461.2.3. Bateras C(2.3)461.2.4. Controlador de carga C(2.4)461.2.5. Conexiones elctricas C(2.5)461.2.6. Emplazamiento C(2.6)481.3.Subsistema N 3:501.3.1.Intercambiadores de Calor:501.3.1.1.Circuito de tuberas501.3.1.1.1.Tuberas:51Tubera CPVC:51Tubera polietileno511.3.1.1.2.Codos521.3.1.1.3.Purgadores521.3.1.1.4.Bomba de Recirculacin:521.4.Subsistema N 4:54Reconstruccin de las casas:541.4.1.Cimentacin541.4.2.Elaboracin de adobes541.4.3.Construccin de muros541.4.4.Construccin de vigas551.4.5.Levantamiento de techo551.4.6.Construccin de invernaderos558. PLANIFICACIN Y PUESTA EN MARCHA561.Planificacin y estructuracin del proyecto562.Planificacin de construccin563.Planificacin de instalacin574.Planificacin de mantenimiento57

INTRODUCCIN

En los ltimos 30 aos hemos venido experimentando una serie de cambios climticos a nivel mundial. Esto ha afectado de mltiples formas la distribucin de temperaturas de los distintos pisos ecolgicos del planeta transformando temperaturas de climas clidos en muy clidos o trridos y climas fros en glidos. Estas variaciones en los distintos climas han afectado tambin a nuestras zonas alto andinas, transformando sus climas fros en climas glidos, que han ocasionado en los ltimos aos muertes no solo de ganado, sino tambin de personas (sobre todo nios).Pese al centralismo aun remanente en el Per, las ciudades ms recnditas y alejadas poco a poco han cobrado importancia con la globalizacin, llegndonos a enterar de los problemas que sufren y que siguen incrementndose por la disminucin paulatina de la temperatura. Se han organizado campaas para ayudar a nuestros hermanos del sur, que son los que ms sufren las consecuencias del calentamiento global, sin embargo irnicamente esta ayuda resulta intil si no se toman cartas serias en el asunto, naciendo as la idea de este proyecto.Luego de realizar una rigurosa matriz de seleccin de proyectos, una lluvia de ideas para catalogar las posibles soluciones y el estudio de factibilidad de las mismas, se procedi con el anlisis fsico correspondiente. Desde el anlisis de necesidades realizado se not la dificultad del anlisis consecutivo, tal que al llegar al anlisis fsico nos encontramos con problemas como la ubicacin exacta de la zona, el dimensionamiento y re diseo de las casas para transformarlas en confortables, el uso de sistemas auxiliares como radiadores tuvo que tomar en consideracin que en ese lugar no hay ni energa elctrica, ni servicio de agua potable y desage, teniendo la sorpresa de que todos tenan piso de tierra; sin embargo, los problemas no terminaron aqu ya que es una zona alejada teniendo que considerar el problema de transporte de los equipos y materiales faltantes en la zona.Solucionados los problemas anteriores se realiz el anlisis econmico, incluyendo costos de compra de equipos, materiales, transporte, mano de obra, consto de ejecucin de la obra realizando su flujo de caja y analizando rentabilidad, pese a ser un proyecto de inversin pblica, para determinar el ahorro frente a la puesta en marcha de una lnea de transmisin, con su respectivo tiempo de recuperacin.Se continu con un anlisis de sensibilidad para finalmente realizar lo ms importante, la planificacin de la ejecucin de la obra, donde se incluy desde la fabricacin de las casas, la instalacin de los colectores solares y paneles fotovoltaicos, hasta el plan de mantenimiento de todo el conjunto.Finalmente, se presenta este proyecto como una propuesta amigable con el medio ambiente que mejore la calidad de vida de las personas del altiplano y de las zonas ms fras del Per, orientando a continuar con trabajos similares y de mayor envergadura.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Las actuales condiciones de vida de los pobladores de las zonas altoandinas en las pocas de invierno son crticas llegando al extremo de la muerte en algunos casos. No solamente son los pobladores los que sufren el cambio climtico, sino tambin el ganado originando prdidas econmicas. Es evidente que la causa de esta vulnerabilidad latente para dichas condiciones climticas est dada por los siguientes aspectos:1. Alimentacin2. Vestimenta3. Viviendas desprotegidas4. Falta de instruccinPese a que cada ao reciben apoyo de todas partes del Per, an no se puede mitigar este mal en su totalidad, esto porque solamente se trata de mitigar dos de los cuatro aspectos causantes de su vulnerabilidad.Este proyecto pretende proteger a las viviendas trmicamente, se evaluarn diversos mecanismos para lograrlo. Sin embargo antes de empezar nuestros estudios correspondientes, encontramos las siguientes interrogantes:1. Teniendo como indicio que pese a que los pobladores reciben vestimenta, y aun hay muertes o enfermedades Por qu las edificaciones altoandinas tpicas no logran mantener ambientes interiores clidos?

1. Por qu se siguen construyendo este tipo de edificaciones, si se sabe que sus ambientes internos son fros?

1. Existe alguna norma o trabajo previo que nos oriente a la construccin de viviendas rurales clidas y econmicamente factibles?

1. Es posible construir o modificar viviendas rurales altoandinas tpicas con ambientes confortables para la vida humana?Estas preguntas nos llevaron a definir el problema de la siguiente manera:Actualmente en las zonas altoandinas del Per y principalmente en las zonas rurales, la tendencia de construccin de edificaciones, principalmente viviendas, son inadecuadas e ineficientes, las cuales como consecuencia generan ambientes fros y no aptos para la actividad humana de calidad mnima, o con un soporte de vida confortable.

JUSTIFICACIN

El problema de la vivienda confortable en la zona alto andina es un problema de pobreza, pero las necesidades no solo son carencia sino tambin son potencialidades humanas, individuales y colectivas. Por esa razn la transferencia de los resultados del proyecto debe incluir en hacer evidente e incentivar las potencialidades de todos los actores, en el lugar, en el entorno, en el mbito local, regional y nacional contando adems con la cooperacin tcnica y econmica internacionalSe debe desarrollar una estrategia para que las comunidades alto andinas se involucren en las respuestas y soluciones de su problema de confortabilidad para que hagan suyas los resultados del proyecto que se desea transferir que los encuentren apropiados y apropiable.

ANTECEDENTES

Encontramos un primer tratado (Beltrn, 1987) que enfoca la problemtica generada por el clima adverso de nuestra regin altiplano que elabora una propuesta de arquitectura bioclimtica destinada a mejorar las condiciones de habitad para la poblaciones andinas de esa regin.En aos ms recientes,(Zea.2000) y (Horn,2005) se han ocupado de este tema confirmando que la penetracin de esta tecnologa en el contexto arquitectnico y constructivo nacional no va ms all de casos puntuales importantes y destacables pero aislados.As mismo, una primera aproximacin de clculo demostr que la energa solar incidente sobre una vivienda localizada en la comunidad en la comunidad de San Francisco de Raymina, Ayacucho sera suficiente para elevar su temperatura hasta el rango de confort.Hemos localizado tambin dos experiencias prcticas en las provincias Juli en Puno y Espinar en Cuzco, ambas a 4000msnm aproximadamente, impulsadas por la misin Belen de Immensee (ONG Suiza), que ha devenido en la construccin de una vivienda confortable en cada lugar utilizando prcticas y materiales constructivos de la regin y aportes tecnolgicos actuales.

PROYECTO DETALLADO8. Proyecto Detallado

6 PREPARACIN PARA EL PROYECTO

1. Anlisis Fsico

9. Diagnstico trmico y ambiental

Las viviendas elegidas para el objeto de estudio se ubican en la regin SUNI, en la ciudad de Mamalani (15 36 Lat. Sur; 70 14 Long Oeste; 3840 msnm), distrito de Cabana, provincia de San Romn, departamento de Puno.Las caractersticas de ubigeo de dicha ciudad son las siguientes:

Tabla 1. Datos de ubigeo de la ciudad de Mamalani.Este poblado est conformado por 94 habitantes, formando 22 familias. Ninguno de los habitantes cuenta con energa elctrica, agua o desage. Todos cocinan con kerosene o lea y tienen piso de tierra.Los datos ambientales obtenidos del Senamhi para su anlisis y procesamiento fueron los de Temperatura ambiente, as como direccin y velocidad del viento. Fueron tabulados en los meses ms crticos del ao pasado 2011 que son junio, julio, agosto y setiembre incluyendo tambin una estadstica del mes de abril de este ao para observar si habra o no una desviacin apreciable y as predecir su comportamiento por inferencia estadstica. Los datos son presentados a continuacin.

Grfico 1. Distribucin de temperatura mes de junio de 2011.

Grfico 2. Distribucin de temperatura mes de julio de 2011.

Grfico 3. Distribucin de temperatura mes de agosto de 2011.

Grfico 4. Distribucin de temperatura mes de setiembre de 2011.

Grfico 5. Distribucin de temperatura mes de abril de 2012.Con estos datos observamos que los valores de temperatura ms bajas se dan principalmente en el mes de julio. Ahora procederemos a elaborar nuestro modelo trmico de anlisis.Para conseguir las distancias de las casas del centro poblado Mamalani al rio y para conseguir las dimensiones de sus casas usamos capturas fotogrficas de Google Earth. Midiendo las distancias mnimas de 11 casas al rio y promedindolas, tenemos una distancia promedio de 85 metros. Siguiendo este mismo mtodo, medimos las dimensiones de las casas y aplicando la media aritmtica obtenemos las dimensiones promedio de una casa de la zona: 6 metros de ancho por 9 metros de profundidad. Recordamos aplicar el factor de escala para estos casos.

Figura 5. Ruteado de distancia entre casas.

Figura 6. Distancia de ro a casas cercanas.

Para que las casas puedan absorver la mayor cantidad de radiacin solar, debern orientarse hacia el norte.

9. Modelo trmico de anlisis

Para los efectos del anlisis trmico se identificaron los flujos de calor existentes en las casas. Evidentemente se hizo el anlisis basndonos en conceptos de transferencia de calor.Flujos de calor identificados:1. Entre las paredes y el exterior1. Transferencia entre la superficie y el aire cercano (coeficiente convectivo, temperatura del aire cercano a las superficies, velocidad del viento, orientacin de las superficies.)1. Transferencia a travs de las paredes (conductividad trmica del material, temperaturas superficiales, capacidad calorfica.)1. Transferencia de las superficies exteriores expuestas a la radiacin directa (rea efectiva, radiacin local solar.)

1. Entre las paredes y el interior1. Transferencia entre la superficie y el aire cercano (coeficiente convectivo, temperatura del aire cercano a las superficies.)1. Transferencia a travs de las paredes (conductividad trmica del material, temperaturas superficiales, capacidad calorfica.)

1. A travs del techo1. Transferencia entre la superficie y el aire cercano (coeficiente de conveccin, temperatura del aire cercano a las superficies, velocidad de viento, orientacin de superficies.)1. Transferencia a travs del material (conductividad trmica del material, temperaturas superficiales, capacidad calorfica.)1. Transferencia de las superficies exteriores expuestas a la radiacin directa (rea efectiva, radiacin solar local.)

1. A travs del suelo1. Transferencia entre la superficie y el aire cercano (coeficiente de conveccin, temperatura del aire cercano a las superficies.)1. Transferencia conductiva a travs del material del suelo.

1. Filtraciones1. Transferencia por intercambio de masa de aire interno con externo a diferente temperatura.

1. Desde las personas1. Actividad de las personas (conveccin)1. Vestimenta (conveccin)

Para las zonas trmicas definidas se realizaron los clculos de flujo de calor por conveccin natural entre las superficies interiores y el aire ambiente de dichas zonas. Puesto que las superficies interiores se caracterizan por ser paredes planas verticales, superficies planas horizontales, superficies planas con cierta inclinacin y puesto que la transferencia de calor entre dichas superficies y el aire ambiente interior es por conveccin natural, se emplearon modelos de transferencia de calor. Consideramos los flujos de calor por conveccin natural dado que la velocidad del viento es pequea.Las ecuaciones de flujo de calor que nos permitieron realizar este balance de energa fueron la ecuacin general de conveccin, y se emple el siguiente nmero de Nussel para calcular el coeficiente pelicular de conveccin:

Siendo todas las propiedades evaluadas a la temperatura de pelcula dada por:

Las temperaturas identificadas son:1. Temperatura del aire exterior1. Temperatura del aire interior por zona trmica de ambas zonas1. Temperatura de superficies interiores y exteriores de muros y techos1. Temperatura del aire cercano a las superficies (0.30m aprox.) 1. Temperatura del sueloLos flujos de calor en una vista de planta de toda la casa son vistas en la figura siguiente:

CalorDescripcinDaNoche

QIrradiancia solarDireccin del flujoDireccin del flujo

Q1A travs de paredes con el exteriorHacia afueraHacia adentro

Q2A travs de paredes con el interiorDepende de la horaDepende de la hora

Q3A travs del techoHacia afueraHacia adentro

Q4Por el sueloDepende de la horaDepende de la hora

Q5Por filtracionesHacia adentroHacia adentro

Q6De la cocinaHacia afueraHacia afuera

Q7De las personasHacia afueraHacia afuera

Q8No identificadoHacia afueraHacia afuera

Tabla 2. Flujos de calor identificados en las casas.

Figura 7. Flujos de calor en la casa.

1. Anlisis del modelo matemtico34. Colector Solar0. Metodologa de clculo

Para realizar los modelos matemticos correspondientes realizamos un diagrama de flujo estructurando todos los clculos:Calculo de transferencia convectivaCalculos geometricosCalculo de flujoCalculo de perdidasDatos preliminaresUbicar zonaVolumen de agua a calendar 2.5 mm0.0025

Distancia entre placasDpm>16 mm0.025

Velocidad del vientovm/s[1-10]4

Coeficiente Convectivo del airehvW/m2.K-20.9

Temperatura de la placa (supuesto)TpK[313-363]350.00

Temperatura del ambienteTaK[273-303]285

Factor convectivo del airef-cte 0.405

Emitancia de la placa de Absorcin en el infrarrojo (pintura negra)Ep-cte 0.90

Emitancia del Vidrio en el infrarrojoEc-cte 0.86

Cte de Boltzmans-cte5.67E-08

ngulo de inclinacin del colectors sexag[0-45]25

Coeficiente de prdidas (parte superior) - 45Usup45W/m2.K7.013

Coeficiente de prdidas (parte superior)UsupW/m2.K7.194

Tabla 5. Resultados para el coeficiente de prdidas (superior).

Resistencia trmica del aislante (algodn)KaW/m.K[0.04-0.25]0.039

Longitud transversal del aislantelm[0-0.10]0.05

Coeficiente de prdidas (Fondo)UfW/m2.K0.780

Tabla 6. Resultados para el coeficiente de prdidas (fondo).

Resistencia trmica del aislante(algodn)K'aW/m.K0.039

Permetro del ColectorPm3.6

Espesor del aislante lateral (algodn)l'm0.06

Area del ColectorAcm20.320

Altura del marco del colectorMm0.0785

Coeficiente de prdidas (Lados)UlatW/m2.K0.574

Coeficiente Total de PrdidasULW/m2.K8.548

Tabla 7. Resultados para el coeficiente de prdidas (lados) y del coeficiente total.Ahora vamos a calcular a partir de las dimensiones de la tubera el caudal. Para ello nos valemos de la ecuacin de continuidad, obteniendo los siguientes resultados:Eficiencia geomtrica

Espesor de la aletadm0.0010

Conductividad de los tuboskW/m.K377

mm1/m4.76

WWm0.04

# de tubos--5

Longitud de los tubosLm1.60

Area Efectiva0.320

DDm0.0127

m(W-D)/2m(W-D)/2-0.065

FF%0.999

Tabla 8. Resultados para el coeficiente de prdidas (lados) y del coeficiente total.Ahora, con estos datos obtenemos los parmetros finales. Cabe resaltar que al rea efectiva se le multiplic por el nmero de colectores, para as incrementar el rea y obtener los resultados pertinentes.Eficiencia de transferencia convectiva

DiDim0.0092

Area interna de los tubosAim20.0001

Velocidad del agua dentro de los tubosv(m/s)0.0953

ReynoldsRe-2420.03

PrandltPr-2.23

Nusselt4.86

hfhfW/m2.K351.25

UL(D+(W-D)F))-0.34

F'-0.97

exp(-ULF'Ae/mCp)-0.91

SSW/m2.K716.97

Factor de remocin de calorFR-0.9206

Calor til ganado por el aguaQ utilWatt216.25

Tp(promedio)TpK350.00

Temperatura de salida del aguaTsK323.26

Eficiencia ins.-0.79

Temperatura de salida del aguaTsC50.26

Calor total ganado por el aguaQ totalWatt1081.26555

Tabla 9. Clculos finales.Donde el nmero de colectores obtenidos es 5.Los resultados finales entonces sern:Resultados finales

Potencia necesariaPneckW1.1328

Nmero de colectoresNcsup5

Alto mnimo del equipo1.83

Ancho mnimo del colector0.42

Tabla 10. Resultados finales.

Con estos resultados, vamos a seleccionar un colector solar de dimensiones similares en catlogos comerciales del Per.0. Dimensionamiento de la instalacin

Para un adecuado funcionamiento de la instalacin se necesitara una seleccin exhaustiva de los diversos elementos, para lo cual se deber escoger entre diferentes tipos de insumos como tuberas, bombas, radiador, etc.El primer insumo a verificar fueron los radiadores, pensndose inicialmente en colocarlos de manera vertical en las paredes de las viviendas siendo as la transferencia de calor bastante efectiva, pero se observo que de manera muy probable estos conduciran al secado de los adobes en primer lugar y tendra que optarse por un refuerzo en las paredes pues se dedujo que el material con mayor constante para un transferencia de calor optima seria el hierro fundido y su peso estimado seria aproximadamente de 150 kg por lo que se pens en una segunda alternativa: serpentines en el piso, pues para esta opcin no ser necesaria la consideracin de algn tipo de resistencia extra en la vivienda y se aprovechara las ranuras dejadas por la construccin de la casas en la cimentacin. Estos serpentines sern de polietileno tratado para una mayor transferencia de calor.Seguidamente necesitaremos recurrir a una fuente de agua para el llenado de los tanques en el proceso, pensndose as en disear canales y tuberas hacia el rio aledao, siendo este un problema mayor pues al ser una fuente impura se necesitaran mayores cuidados en el mantenimiento del sistema, como filtros, y bombas para cada una de las diversas tuberas necesitndose as fuentes de poder para cada una de ellas optando de esta manera por la utilizacin de un medio poco usado, bombas por energa solar, estas sern puestas y utilizadas en cada una de las casas sin necesidad de una fuente externa de energa como un motor elctrico, resolviendo as el problema de energa para cada una de la bombas, y obteniendo as una solucin de mayor viabilidad, agua re circulantes mediante una bomba de 1HP para un domicilio de un piso, siendo esta calentada hasta aproximadamente 50C para calentar el ambiente interno de la casa hasta 21C.Gracias a esto se podr ambientar una casa promedio en el poblado estudiado pero suceder un problema extra: la vaporizacin del agua por el efecto del calor; teniendo este como solucin la intervencin de purgadores o trampas de vapor, elevando la presin hasta el punto de condensacin y disminuyendo as las perdidas por vapor.El siguiente punto ser idear la instalacin completa teniendo en cuanta el diseo en cada una de las casas y las resistencias a los diversos esfuerzos que sern aplicados a estas, utilizando un modelamiento en ANSYS para su simplificacin y corroborando de esta manera que la instalacin es factible, se instalara un tanque de almacenamiento y 5 colectores solares en cada uno de los techos de las casas teniendo estos la capacidad de mantener el calor del agua circulante durante 6horas aproximadamente.Los dimensionamientos de las bombas y las tuberas utilizadas han sido determinadas mediante clculos hechos por terceros para una correcta cotizacin.65. Bomba solar

Para este sistema requeramos alimentar una bomba de 1 HP, la cual era de marca Pedrollo modelo Cpm 620. Sin embargo en una de las cotizaciones, se nos incluy una bomba con corriente continua con las mismas caractersticas. El kit se ve en la figura siguiente:

Figura 17. Kit con bomba DC y paneles solares.1. 2 Paneles solares de 120 Watts1. 1 Regulador digital de 20 Amp1. 1 Conversor robusto de 2000 W1. 2 Bateras solares de 100 AH1. 12m Cable 12 AWG1. 1 Tablero de control con llave general del sistema,conectores y otros

Su costo tambin fue incluidoEl detalle de la bomba es el siguiente:

Figura 18. Bomba solar.1. Anlisis econmico

Para la correcta eleccin de una alternativa de solucin, es necesario efectuar un anlisis econmico teniendo en cuanta una planificacin hipottica para el proceso de construccin y organizacin de la comunidad a atender.Se podr efectuar dicho proyecto solo si se tiene un anlisis profundo de cada una de las alternativas conceptuadas, siendo descartada la de mayor costo de inversin, no siendo este el nico criterio de descarte pero si el de mayor peso.Dicho anlisis se realizo entre dos opciones distintas de solucin, quedando asi despus del estudio ya realizado la siguiente opcin:Proyecto Alternativo N1: Colectores solares

ActividadesTiempo (Das)

FASE 1: Pre-inversin30

Expediente Tcnico30

FASE 2: Inversin54

Etapa 1: Construccin e Instalacin44

Trabajos Preliminares 32

Construccin de Casas8

Instalacin de Bombas Solares2

Instalacin de Tanques de Almacenamiento y calentadores2

Etapa 2: Organizacin de Usuarios10

Organizacin y Orientacin de Usuarios2

Capacitacin de Administracin y Uso5

Capacitacin en Mantenimiento3

FASE 3: Post-inversin7300

Operacin de Mantenimiento7300

Tabla 11. Planificacin para colectores solares

La alternativa requiere de una lista de materiales cuya presencia es absolutamente necesaria para un correcto anlisis econmico por lo que se elaborara dicha lista.Los precios deben de ser hallados mediante cotizaciones a distintas empresas proveedoras para hallar la manera menos costosa de efectuar el proyecto en mencin, dichos precios se ven en le siguiente cuadro:

Proyecto Alternativo N1: Colectores solares

UnidadesDescripcinCosto Unitario (soles)

NTipo

22unidadespurgador400

44tubostuberas de cobre 0.0127 m dimetro163.212

4796mtubera de CPVC1.5276

22unidadestanque300

3520unidadesmadera20

2310kgarcilla10.72

1000kgichuichu0

2310kgarena0

22conjuntoaccesorios200

60peones24

5conjuntoHerramientas de Construccin50

22unidadesbombas solares 0.5HP4663.2

5unidadestransporte2936-hora

110unidadescolectores1300

1tcnico50

1tcnico social100

396mplstico2

Tabla 12. Lista de materiales colectores solaresTeniendo dichos precios es posible hacer un flujo de costos detallado para cada una de las etapas de las alternativas del proyecto, pero al ser este un proyecto de margen social se utilizaran factores especiales para este tipo de situaciones, dichos factores se pueden obtener del Ministerio de Economa y Finanzas, y sern estos los que se utilicen para poder hallar un costo a nivel socialrubrofactores sociales

mano de obra no calificada0.62

mano de obra semicalificada0.68

mano de obra calificada0.98

materiales de origen nacional0.84

materiales importados0.82

Tabla 13. Factores sociales

Estos factores sern adheridos tanto a los costos de inversin como a los costos de post-inversin en cada uno de los rubros correspondientes; se debe tener excesivo cuidado al analizar los rubros pues cada uno de ellos difiere notablemente de los otros, as pues el anlisis de costos puede convertirse en un anlisis de costos sociales.

Proyecto Alternativo N1: Colectores solares

Costos Totales a Precio de MercadoCosto TotalCosto Social

Pre inversin + Inversin878623.3284714085.213

Expediente Tcnico60005880

Trabajos Preliminares 452773.2370184.388

Insumos y Materiales de Origen Nacional406443.2341412.288

Insumos y Materiales de Origen Importado250202.5

Remuneraciones4608028569.6

Construccin de Casas97219.697678694.91506

Insumos y Materiales de Origen Nacional7119259801.28

Insumos y Materiales de Origen Importado14507.697611751.23506

Remuneraciones115207142.4

Instalacin de Bombas Solares109970.488820.624

Insumos y Materiales de Origen Nacional44003696

Insumos y Materiales de Origen Importado102590.483098.224

Remuneraciones29802026.4

Instalacin de Tanques de Almacenamiento y calentadores152580123202.4

Insumos y Materiales de Origen Nacional00

Insumos y Materiales de Origen Importado149600121176

Remuneraciones29802026.4

Organizacin y Orientacin de Usuarios700616

Insumos y Materiales de Origen Nacional500420

Remuneraciones200196

Capacitacin de Administracin y Uso12501155

Insumos y Materiales de Origen Nacional500420

Remuneraciones750735

Capacitacin en Mantenimiento650567

Insumos y Materiales de Origen Nacional500420

Remuneraciones150147

Subtotal 1821143.2976669120.3271

gastos generales (6% SUBTOTAL 1)49268.5978639344.27523

gastos por imprevistos (1% SUBTOTAL 1)8211.4329765620.610747

Post inversin17572.4665713291.46191

Operacin de Mantenimiento16422.8659512454.51828

Insumos y Materiales de Origen Nacional12317.149468430.916121

Remuneraciones4105.7164884023.602158

Subtotal 216422.8659512454.51828

gastos generales (6% SUBTOTAL 2)985.3719571732.3256748

gastos por imprevistos (1% SUBTOTAL 2)164.2286595104.6179535

Total896195.795727376.6749

Tabla 14. Costos a precio de mercado y sociales para colectores solares

No olvidemos que este es un proyecto de inversin pblica orientado a la mejorar de la calidad de vida a poblados afectados por las inclemencias de la naturaleza, especficamente, para este proyecto, el frio intenso, por lo que se deber saber previamente que dicho proyecto no tendr un retorno monetario pues el poblado en estudio no posee ningn tipo de solucin alternativa para sustituir el proyecto.

Pero para tener una idea de la viabilidad del proyecto en mencin para un mbito distinto se efectuara la comparacin de los costos de nuestro proyecto y la energa elctrica utilizada para sustituirlo, visto en un periodo anual para determinar as distintos indicadores econmicos que aseguraran la factibilidad de nuestro proyecto.

Proyecto Alternativo N1: Colectores solares

Flujo de CostosAos

Flujo de Costos Pre-inversin e Inversin123-20

Expediente Tcnico5880.00

Trabajos Preliminares 370184.39

Construccin de Casas78694.92

Instalacin de Bombas Solares88820.62

Instalacin de Tanques de Almacenamiento y calentadores123202.40

Organizacin y Orientacin de Usuarios616.00

Capacitacin de Administracin y Uso1155.00

Capacitacin en Mantenimiento567.00

Gastos Generales39344.28

Gastos por Imprevistos5620.61

Flujo de Costos Post-inversin

Operacin de Mantenimiento13291.4613291.4613291.46

Tabla 15. Flujo de costos para colectores sociales

De esta manera utilizaremos la energa elctrica hipottica para poder determinar una comparacin entre la instalacin de un sistema de calefaccin elctrica y la utilizacin de energa renovable, para lo cual se utilizara:Tarifa elctrica: BT5B 38.4 centavos de dlarTasa de incremento anual de tarifa: 2.38 % anualSe utilizara una tasa de descuento social del 6%, y se tendr en cuenta que el nico gasto anual para el proyecto sern los costos por mantenimiento, de esto se podr deducir un tiempo de retorno como se muestra en la siguiente tabla:

aosenerga elctrica necesariacosto de inversindiferencia nominaldiferencia actualacumulado

00714085.21-714085.21-706944.361-706944.361

1457710.0013291.46444418.54417753.426-289190.935

2470434.3413291.46457142.88429714.304140523.368

3483512.4113291.46470220.95442007.694582531.062

4496954.0613291.46483662.60454642.841037173.9

5510769.3813291.46497477.92467629.2431504803.15

6524968.7713291.46511677.31480976.6691985779.81

7539562.9013291.46526271.44494695.1532480474.97

8554562.7513291.46541271.29508795.0112989269.98

9569979.5913291.46556688.13523286.8443512556.82

10585825.0313291.46572533.56538181.5514050738.37

11602110.9613291.46588819.50553490.3314604228.7

12618849.6513291.46605558.19569224.6945173453.4

13636053.6713291.46622762.21585396.4735758849.87

14653735.9613291.46640444.50602017.8286360867.7

15671909.8213291.46658618.36619101.2566979968.95

16690588.9113291.46677297.45636659.6037616628.56

17709787.2813291.46696495.82654706.0738271334.63

18729519.3713291.46716227.91673254.2348944588.86

19749800.0113291.46736508.55692318.0349636906.9

20770644.4513291.46757352.99711911.80810348818.7

Tabla 16. Tasa de retorno de inversin para Colectores solares

Se puede observar que el tiempo de retorno es de 2 aos, siendo los costos totales iguales a los costos en toda la poblacin durante un ao. Por lo tanto podemos hallar los indicadores econmicos para este proyecto:

tasa social de descuento6%

vanpayback

-866537.2342 aos

Tabla 17. Indicadores econmicos

Teniendo as un anlisis completo del proyecto considerando costos de oportunidades y tasas de retorno en un tiempo determinado, casi siempre el tiempo de vida del proyecto (20 aos)Se debe de considerar que el VAN es negativo pues es un proyecto de inversin pblica y no existe medio de sustitucin para la solucin dada por lo que no habr un retorno efectivo, como se dijo anteriormente estos datos son para la comparacin del proyecto y su posible utilizacin en otro mbito

7. DESCRIPCION DE SUBSISTEMAS

La finalidad de esta tarea es la divisin de forma lgica en subsistemas de diseo con la finalidad de reducir complejidad y adquirir facilidad de entendimiento de los mismos.En nuestro caso el sistema denominado: Confort Trmico para Viviendas Azotadas por Frio Intenso en el Departamento de Puno, fue dividido en 4 subsistemas para su posterior planeamiento y ejecucin los cuales sern:

Tabla 18. Divisin de subsistemas

72. Subsistema N 1: 0. Colectores solares: Como antes se mencion, esta seccin tiene por finalidad la descripcin total de los colectores solares por lo que se empezara diciendo que este subsistema posee una divisin extra para su entendimiento:1. Colector solar propiamente dicho1. Circuito de tuberas1. Cimentacin en el emplazamientoSe proceder a describir cada uno de ellos:

0. Colector solar propiamente dichoEl colector solar es un artefacto que genera el calentamiento de un fluido de trabajo, como agua, aire o fluido trmico, a travs de la conversin de la radiacin electromagntica proveniente del Sol en energa trmica.

Figura 19. Descripcin den la eficiencia de los colectores solares.

Como se puede observar el tipo de colector utilizado para calentamiento ambiental es del tipo cerrado plano y est formado por:

Caja externa: generalmente fabricada en perfil de aluminio, chapa doblada o material plstico; soporta todo el conjunto.

Aislamiento trmico: minimiza las prdidas de calor hacia el medio. Est en contacto directo con la caja externa, revistindola. Los materiales aislantes ms utilizados en los colectores son: lana de vidrio o de roca y espuma de poliuretano.

Tubos (paralelos / cabeceros superior e inferior): tubos interconectados, a travs de los cuales circula el fluido en el interior del colector. Normalmente, la tubera se fabrica de cobre debido a su alta conductividad trmica y resistencia a la oxidacin.

Placa de absorcin (aletas): cumple la funcin de absorcin y transferencia de la energa solar hacia el fluido de trabajo. Las aletas metlicas, en aluminio o cobre, se pintan de negro opaco o reciben tratamiento especial para mejorar la absorcin de la energa solar.

Cubierta transparente: generalmente de vidrio, policarbonato o acrlico, que permite el paso de la radiacin solar y minimiza las prdidas de calor por conveccin y radiacin hacia el medio ambiente.

Empaque: importante para mantener el sistema exento de la humedad externa. Para temperaturas ms elevadas, se recomiendan los colectores solares de tipo tubo evacuado, mostrado en la Figura 1.5. Este producto se fabrica, principalmente, por empresas chinas o joint-ventures chino-internacionales.

Figura 20. Colectores solares

0. Tanques trmicos

Este elemento est encargado de la retencin trmica del fluido, es decir, mantiene el fluido a una temperatura determinada, sus partes sern:Cuerpo interno: permanece en contacto directo con el agua caliente y, por ello, debe ser fabricado con materiales resistentes a la oxidacin, tales como el cobre y el acero inoxidable en los tanques cerrados. En los tanques abiertos se utiliza tambin el propileno.

Aislante trmico: minimiza las prdidas de calor hacia el medio. Se coloca sobre la superficie externa del cuerpo interno, siendo la lana de vidrio y la espuma de poliuretano los materiales ms utilizados.

Proteccin externa: tiene la funcin de proteger el aislante de la intemperie como la humedad, daos en el transporte o instalacin, etc. Esa proteccin es normalmente de aluminio, acero galvanizado o acero al carbono pintado. No se recomienda la utilizacin de lona plstica.

Figura 21. Tanque Trmico

0. Tuberas:En esta instalacin se debe d tener en cuenta las perdidas por calor radiante y convectivo a travs de las tuberas q une cada uno de los componentes de este subsistema por lo q cada una de ellas ira revestida con un aislamiento especial de polietileno y aluminio.

Figura 22. Aislamiento de tuberas.

0. Purgadores:Sern los encargados de evacuar el agua parcialmente evaporada a causa de baja de presiones.

Figura 23. Purgador superior.0. Soporte Metlico

La adecuacin perfecta de los colectores solares normalmente ocurre a travs del uso de soportes metlicos, garantizando la orientacin e inclinacin deseables para mayor captacin de energa del sistema.Al definir un modelo de soporte que se ajuste a los colectores y al rea disponible para instalacin, deben observarse los siguientes aspectos:

1. Verificar si la estructura del local donde se instalarn soportar el peso total del conjunto (soportes metlicos, colectores solares y accesorios hidrulicos)

1. El soporte deber soportar las cargas de viento de la localidad donde se instalar

1. Ser resistente a intemperies y oxidacin

1. Ser de fcil montaje

Seguir las especificaciones de montaje de los colectores suministrada por el fabricante.

Figura 24. Soporte metlico .

Figura 25. Soporte metlico-vista posterior.

Como se vio en el anlisis econmico, la viabilidad de construir un calefactor era muy baja de acuerdo a la serie de costos elevados y componentes los cuales no se encuentran en el pas por lo que se opto por cotizar dichos aparatos de los cuales se tienen los datos tcnicos necesarios y obtenidos en los clculos.

Tabla 19. Datos tcnicos del colector79. Subsistema 2

Este es el subsistema que incluye todo lo referente a los paneles solares que se encargarn de alimentar elctricamente a la bomba de recirculacin. Su dimensionamiento no fue necesario porque dentro de las cotizaciones propuestas se encontr la solucin ms rentable, la cual, ya estaba dimensionada.

1.2.1. Paneles solares C(2.1)

Aqu tenemos a los convertidores de energa solar fotovoltaica en energa elctrica til, que consta de dos paneles solares de 120 W.

Figura 1. Detalle de los elementos que conforman el subsistema.

1.2.3. Bateras C(2.3)

Para este caso se emplearon dos batera recargables de litio de 24 V con una profundidad de descarga del 70% y una capacidad de carga de 100 amperios hora (A-h). No se tuvo que dimensionar ya que vienen incluidas en el kit.

1.2.4. Controlador de carga C(2.4)

Se utiliza un regulador digital de 20 A y un conversor de 2000W, que se encargan de desconectar el sistema en caso haya una sobrecarga, para proteger los paneles. Asimismo previenen un uso excesivo de energa elctrica (en caso se conecten otras cargas,)

1.2.5. Conexiones elctricas C(2.5)

Para las conexiones elctricas se utiliza un cable AWG nmero 12, con 4 metros para cada fase de la bomba (corriente continua requiere positivo y negativo) y el resto para cableado entre el tablero, paneles y los otros elementos.

1.2.5.1. Conductores P(2.5.1)

Los conductores en este caso son los cables, que en este caso fueron 12 metros de cable AWG numero 12. Como se menciona son 8 metros para la conexin de la bomba al sistema de alimentacin, y el resto para conexiones menores.1.2.5.2. Empalmes P(2.5.2)

En este caso, como no hay una diferencia de materiales entre los conductores de la instalacin, se pueden realizar empalmes tradicionales con cobertura de cinta aislante

1.2.5.3. Borneras P(2.5.3)

Estos elementos se encargan de facilitar las conexiones dentro de una placa o circuito. Son incluidos en el tablero.1.2.5.4. Interruptores al tacto P(2.5.4)

Sern necesarios para apagar el sistema cuando se hayan cumplido los requerimientos por el usuario final. En este caso son incluidos en el tablero de control.

1.2.5.5. Llave general P(2.5.5)

Esta llave o seccionador, sirve para desconectar todo el sistema de la red de energa, en este caso, la salida del controlador de carga. En este caso est incluido en el tablero.

1.2.5.6. Interruptor termo magntico P(2.5.6)

Para este caso como hablamos de corriente continua, de baja potencia y con instalacin fuera de la casa, no se requiere una proteccin de este tipo. Con una con fusibles bastar.

1.2.5.7. Fusible P(2.5.7)

Los fusibles se activarn en base a una sobrecarga y son incluidos en el tablero de control, por lo que no hizo falta su dimensionamiento.

1.2.5.8. Tablero P(2.5.8)

Esta es una de las partes fundamentales de este subsistema. Contiene a todos los elementos englobados y mencionados en las partes anteriores, dndole un orden a todo y asegurando un buen funcionamiento de la instalacin elctrica.

1.2.5.9. Canaletas P(2.5.9)

Las canaletas van a servir para llevar a los conductores y evitar su deterioro. En este caso se llevarn desde la bomba hasta el tablero y desde los paneles hasta los controladores de carga.

1.2.6. Emplazamiento C(2.6)

Este componente describe todo lo necesario para ubicar a las partes de el subsistema y asegurar que operen correctamente. Tiene que ver con los soportes, cubiertas, carcazas, etc. ya que unas adecuadas condiciones de operacin asegurarn la durabilidad de nuestros equipos.

1.2.6.1. Estructura soporte paneles P(2.6.1)

Esta estructura se encarga de elevar del piso y de colocar a 15 a los paneles solares, asegurando un amplio rango de captacin solar. Pueden soportar dos paneles

Figura 2. Soporte para 2 paneles.

1.2.6.2. Caja para las bateras P(2.6.2)

Es muy necesario para evitar la corrosin en los bornes, el desgaste y un posible cortocircuito por las lluvias. Estas cajas tambin son modulares e incluyen un rak para 2, 4 y hasta 6 bateras.

Figura 3. Caja para 2 bateras.

Bomba de recirculacin C(3.2)

Esta bomba se encarga de recircular el agua por el sistema de tuberas cuando la temperatura del fluido de trabajo dentro de los intercambiadores es ms baja que la requerida. Para este caso se utiliz una bomba de corriente continua especificada en la cotizacin realizada, que viene con todo el paquete y es adecuada adems para nuestras instalaciones.

Figura 4. Bomba Solar.La seleccin de la bomba se hizo consu Datasheet.Para este sistema requeramos alimentar una bomba de 0.5 HP, la cual era de marca Pedrollo modelo Cpm 620. Sin embargo en una de las cotizaciones, se nos incluy una bomba con corriente continua con las mismas caractersticas. El kit se ve en la figura siguiente:1. 2 Paneles solares de 120 Watts1. 1 Regulador digital de 20 Amp1. 1 Conversor robusto de 2000 W1. 2 Bateras solares de 100 AH1. 12m Cable 12 AWG1. 1 Tablero de control con llave general del sistema, conectores y otros

Su costo tambin fue incluido

85. Subsistema N 3: 0. Intercambiadores de Calor: Mediante clculos realizados con anterioridad se dedujo que para el xito de este proyecto era necesario un adecuado estudio de los intercambiadores de calor y su posicionamiento puesto que en la parte principal del sistema.Este subsistema al igual que los anteriores se divide en partes para un mejor entendimiento y una descripcin adecuada:1. Circuito de tuberas1. Bomba de recirculacin1. Cimentacin del emplazamiento0. Circuito de tuberas

Esta parte del subsistema describir mediante planos la posicin y orientacin de las tuberas, sirviendo as de medio para su posible construccin y puesta en marcha.Se vio por conveniente poner estas tuberas en el piso para un intercambio de calor ms eficiente y con una mayor rea de contacto con el ambiente a calentar; tambin se obtuvo de forma matemtica la siguiente aclaracin: el sistema a calentar depende bsicamente de un coeficiente convectivo ambiental por lo que el material de la tubera no tiene mayor influencia en la operacin de calefaccin, siendo su papel ms importante la longitud. Sus componentes sern:

0. Tuberas:

Al ser su mayor influencia en el sistema la longitud, el material ser escogido con un criterio de prevencin a la corrosin (por tratarse de agua el fluido empleado como calefactor) y un factor econmico; se vio que el material con mejores expectativas en ambos sentidos seria uno fabricado con plstico, y al saber que la temperatura del fluido no sobrepasa los 50 C no habra problema por su deterioro, teniendo como opciones:

Tubera CPVC:

Figura 26. Tubera CPVC

Tubera polietileno:

Figura 27. Tubera Polietileno.

Sabiendo que la mejor disposicin de tuberas para un completo intercambio de calor ser un serpentn a lo ancho de la vivienda con codos en cada una de las vueltas por lo que el polietileno tendra un mayor consto en accesorios que una tubera de CPVC por lo que ser descartada.0. CodosEstos sern los accesorios de mayor relevancia y por ende de mayor perdida en la presin en cuyo caso la bomba debe vencer.Figura 28. Codo de radio largo.

0. PurgadoresEste ser usado para el escape del vapor generado en el sistema, para as evitar el incremento de la presin interior de las tuberas, este principalmente ser puesto sobre el tanque de retencin trmico.

Figura 29. Purgador

0. Bomba de Recirculacin:Este elemento ser utilizado para el aumento de energa potencial y cintica del fluido, para as vencer las prdidas generadas en las tuberas y accesorios del circuito, as como la posterior elevacin del mismo hacia el tanque de retencin trmico.Al no contar con un servicio elctrico se proceder a evaluar la opcin de una bomba solar, por lo que no ser posible contar con un plano de fabricacin pero si con sus especificaciones tcnicas.

SL308-TFull sunshineA few cloudsHazy

20 m422327242

30 m345266201

40 m282210155

50 m221167112

Tabla 20. Datos de la bomba solar

NItemUnitSL308-T

1Max. voltageV.35 (+/-1.0)

2Max. powerW.36 (+3,0)

3Working currentA.0,05-1,10

4Including solar panelPieces3

5Working temperatureC+1.0 +25

6Min. Water depth for operationcm.36

7Operationhanging

8Diameter of pumpcm.4,90 (+0,05)

9Diameter inclusive filtercm.80,0 (+2,0)

10Length of pumpcm.52

11Diameter of cablemm.7,5 (+/-0,2)

12Internal diameter of water pipemm.9,2 (+/-0,2)

13External diameter of water pipemm.11,0 (+/-0,2)

14Length of cablem.30,50 (+/-0,2)(special treatment possible)

15Length of water pipem.30,50 (+/-0,2)

16Net / Gross weightkg.14.5 / 15.5

18Size of box (LWH)cm.542629

19Volume of boxm.0.041

20Net / Gross weightkg.29.0 / 34.2

21Size of transportbox (LWH)cm.585830

22Volume of transportboxm.0.101

Tabla 21. Datos Tcnicos de la bomba

88. Subsistema N 4:Reconstruccin de las casas: 1. CimentacinLas zanjas para la cimentacin de la vivienda fueron de 0.8m x 0.8m y de 0.4m x 0.4m, para el invernadero. Las excavaciones se realizaron teniendo cuidado que las paredes y el fondo de las zanjas estn limpios y nivelados.El cimiento se hizo con piedras grandes asentadas con barro, cuidando que queden totalmente embebidas en el barro, sin chocar unas con otras.1. Elaboracin de adobesLa unidad de adobe se fabrico con barro sin cocer, utilizando como estabilizante natural la paja o ichu.Para la construccin de la vivienda se fabricara 1756 adobes de las dimensiones mencionadas en los planos adjuntos.

1. Construccin de murosAntes de realizar el alzado de los muros se procedi a limpiar los adobes, con el fin de evitar problemas de resistencia por falta de adherencia entre adobe y mortero. Los adobes deben estar bien secos para que no sufra imperfecciones en su colocacin.El mortero se prepara con barro, que es una mezcla de tierra cernida, arcilla y agua, que sirve para pegar los adobes, tanto en forma horizontal como vertical durante el alzado de los muros, se hace verificando su verticalidad y alineamiento con ayuda de una plomada.El alzado de los muros, se hizo a razn de 1.20m por dia con el fin de evitar que el mortero

1. Construccin de vigasLas dimensiones de las vigas se encuentran en los planos posteriores.1. Levantamiento de techoEl techo se hizo con viguetas de eucalipto para los cual las dimensiones de los palos usados se encuentran en los planos posteriores.1. Construccin de invernaderosSe encuentra ubicado a lo largo de la pared que colinda con los cuartos. Toda informacin esta en los planos.

8. PLANIFICACIN Y PUESTA EN MARCHA1. Planificacin y estructuracin del proyecto

Para realizar el proyecto de forma ordenada, recurrimos a un planeamiento previo para su realizacin. Esto se realiz en el software MS Project.

1. Planificacin de construccin

Fabricacin de adobesUnidad de adobe:La unidad de adobe se fabricar con barro sin cocer, utilizando como estabilizante natural la paja o ichuichu.Para la construccin de la vivienda se fabricaran 1751 adobes.Preparacin del barroPrimero se ubica una cantera cercana libre de piedras mayores de 0.05m. Con ese fin se elimina una capa superficial orgnica (tierra negra) de 0.2m de espesor, recomendable para hacer adobes.Para verificar si la tierra de la cantera es buena se toma una porcin de barro y se deja una huella (palma de la mano o huella del pie) observndose que por estar bien definida tiene buenas condiciones para fabricar adobe, posteriormente se humedece totalmente la tierra arcillosa mezclndose uniformemente y deshaciendo las masas compactas existentes y se fue aadir ichu de 0.1 m para ser mezclado con el barro hasta lograr una mezcla uniforme.Luego se deja en reposo durante 24 horas antes de proceder al moldeado.Moldeo:Para darle forma a los adobes se usarn moldes. El barro se distribuye en todo el volumen del molde. Se usa una rejilla para retirar los excesos de barro. Despus de cada operacin el molde se limpia y se deja mojado, para evitar que el barro se le adhiera.Una vez elaborado los adobes se deja pasar entre 3 y 5 das para observar su consistencia y manipularlos sin riesgo de daarlos se les colocar en posicin vertical para asegurar un secado ms rpido completo y uniforme.Seguidamente de dejar los adobes en posicin vertical se apilarn para que circule el aire entre ellos, hasta que complete su secado. El tiempo del secado de los adobes por las condiciones climticas del lugar, ser de dos semanas.

1. Planificacin de instalacin

Se tendr en cuenta los materiales necesarios para la construccin y operaciones previas a ella. En los cuadros mostrados anteriormente se puede observar dichos materiales.Se necesitara trabajos preliminares para un asentamiento de la poblacin as como para la construccin de los adobes y la cimentacin de las viviendas rediseadas.En los cuadros anteriores se mostr una divisin de tiempo aproximado para cada una de las etapas de construccin, teniendo en cuenta clculos precios para la resistencia de los techos y la instalacin de los taques as como los colectores solares en una de las alternativas; as como la orientacin de los paneles y su posicin para mayor aprovechamiento en otra de las alternativas.

1. Planificacin de mantenimiento

Para el mantenimiento, que fue considerado en nuestro anlisis econmico, hemos de considerar el mantenimiento de la bomba, que es cada 6 meses. El mantenimiento del tanque que se realizar con la bomba.Para el caso de los paneles solares solamente se requiere limpiar con un trapo la parte en contacto con el Sol. Los colectores solares deben ubicarse de manera que no choquen con ninguna persona en su trayecto y de esa forma, evitar accidentes.

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