jorgeluis frobaco instalacion del sistema termosolar para provision de ACS en la cafetera UTPL

Instalacin de un sistema termosolar para provisin de agua caliente sanitaria a la cafetera UTPL1Franklin Obaco, 2Carlos Caldern, 2Jorge Jaramillo#1Profesional en formacin de la titulacin de IET, Universidad Tcnica Particular de Loja#2Docentes de la SEE del DCCE, Universidad Tcnica Particular de LojaLoja-Ecuador 20131frobaco@utpl.edu.ec, 2cacalderon@utpl.edu.ec, 2jorgeluis@utpl.edu.ecAbstract Se describe la instalacin, y, operacin de un sistema para provisin de agua caliente sanitaria ACS en la Cafetera UTPL, construido con una arquitectura hbrida termosolar GLP.

Keywords sistemas de provisin de ACS, sistemas hbridos de provisin de ACS, sistemas hbridos termosolares GLP para provisin de ACS.I. INTRODUCCIN

En este trabajo se describe la instalacin y operacin de un sistema termosolar para provisin de agua caliente sanitaria ACS en la Cafetera Universitaria CU UTPL CU, basado en una arquitectura hbrida termosolar GLP [1].

II. Implementacin del sistema hbrido para provisin de ACS a la CU UTPL

A. Descripcin general de la instalacin del sistema

El sistema se instal en mayo de 2010, en la azotea de la CU (ver Fig.1), bajo responsabilidad de la Seccin de Energa y Electrnica SEE del Departamento de Ciencias de la Computacin y Electrnica DCCE, con el apoyo de la Direccin de Infraestructura de la UTPL, y, de la empresa LojaGAS.

De acuerdo al diseo descrito en un trabajo anterior, el sistema hbrido termosolar - GLP instalado, est conformado por tres bloques constitutivos: bloque termosolar, bloque de control, y, bloque de GLP [1] (ver Fig.2). La instrumentacin se instal de acuerdo a los requerimientos y caractersticas descritas en un trabajo anterior.

En el bloque termosolar, se instalaron 7 colectores de placa plana (con una conexin en paralelo y un rea til de 14 m2), 1 termotanque, y, 1 sensor analgico de temperatura TA-2 (termocupla RTD PT100) (ver Fig.2).

En el bloque de control se estructuraron 2 sub-bloques: monitoreo y control. Se instal 2 flujmetros analgicos para medir el caudal del ACS (FA-1 y FA-2) (ver Fig.2), y, con la ayuda de 4 electrovlvulas (EV1 - EV4), se conform un circuito hidrulico para el flujo del ACS. La Tabla 1 lista los elementos que conforman la estructura operativa del bloque de control.

Fig. 1. Vista general del sistema hbrido termosolar GLP para provisin de ACS a la CU. Fotografa de los autores

TABLA IComponentes instalados en el bloque de controlCantidadDetalle

1Logo 12/24rc mdulo lgico 8e/4s 12-24vdc siemens

1Fuente de alimentacin: 85 265 V.A.C, 24 V.D.C 3A

1Mdulo de Expansin. p/pt-100 am2 siemens

1RTD/PT-100, cabeza NPT 1/2", 100 a 250C

4Electrovlvula p/uso general, 3/4", 10-80C, 120 V.A.C

1Gabinete metlico liviano: 30x30x16 cm

1Varios: switch, cables, canaleta ranurada, terminales, etc.

En el bloque de GLP, se reutiliz calefones, tanques de reserva, y, 2 contadores analgicos de GLP (FG-1 y FG-2) que formaban parte del antiguo sistema de provisin de ACS. La inversin en la adquisicin e instalacin del sistema hbrido para provisin de ACS a la CU lleg a un aproximado de USD 11000, de los cuales 91% correspondi a la inversin en el bloque termosolar, y, el 9% restante a la inversin en el bloque de control.

B. Operacin del sistema

El agua de la red pblica (a una temperatura To) ingresa al termotanque (de 800 l de capacidad) a travs del circuito de agua fra. Bajo el efecto termosifn, el agua almacenada circula hacia los colectores solares en los que eleva su temperatura desde To a Ts. fluyendo de regreso al termotanque y ocupando la parte superior de ste. La temperatura Ts es registrada por el sensor TA-2, ubicado en la parte superior del termotanque (ver Fig.2).

Fig. 2. Estructura general del sistema hbrido termosolar GLP para provisin de ACS a la CU instalado. Diseo de los autores.

Desde el termotanque, el ACS fluye hacia los tanques de respaldo (de 175 l de capacidad cada uno), para luego ser enviada a los circuitos de aprovisionamiento (circuito 1 y circuito 2) (ver Fig.2). El volumen de ACS circulante en cada circuito de aprovisionamiento, es registrada en los flujmetros FA-1 y FA-2.

El bloque de control permite al usuario predeterminar, para cada circuito, una temperatura mnima requerida para el ACS (Tu1 para el circuito 1, y, Tu2 para el circuito 2). La comparacin entre la temperatura registrada por el sensor TA-2, y, la temperatura mnima requerida por el (Tu1 y Tu2), reconfigura el circuito hidrulico de tal forma que los circuitos de aprovisionamiento de ACS se alimenten desde el termotanque o desde los calefones de GLP. La Fig. 3 resume el algoritmo de operacin del bloque de control, y, la Fig. 4 muestra una vista del tablero sobre el que se implement el bloque de control.

La Fig. 5 muestra un esquema general del circuito hidrulico para provisin de ACS en la CU, mientras que en la Tabla 2, se describe el estado de las electrovlvulas del circuito hidrulico durante la operacin del sistema.

Fig. 3. Algoritmo de operacin del bloque de control del sistema hbrido para provisin de ACS en la CU. Diseo de los autores.

Fig. 4. Vista general del bloque de control del sistema hbrido para provisin de ACS en la CU. Fotografa de los autores.

Fig. 5. Esquema general del circuito hidrulico para provisin de ACS a la CU. Diseo de los autores.

TABLA IIEstados de electrovlvulas durante la operacin del bloque de control del sistema hbrido para provisin de acs en la cu. diseo de los autores.Modo de operacin del sistema de provisin de ACSEstado de las electrovlvulas

EV1EV2EV3EV4

Termosolar1010

Termosolar-GLP1001

Termosolar-GLP0110

GLP0101

Las lecturas de los sensores TA-2, FA-1, FA-2, FG-1, y, FG-2, se utilizan tanto para monitoreo del desempeo del sistema como para control del sistema. La Tabla 3, resume las principales caractersticas de estos sensores.

TABLA IIIElementos de monitoreo y control del sistema hbrido para provisin de acs en la cu. diseo de los autores.NotacinMagnitudPrincipioUnidadRangoResolucinVariable medida

TA-2TemperaturaTermocupla RTD Pt100 / Sensor AnalgicooC-100 a 2000,1 CTs

FA-1Volumen de ACSDe membrana / contador analgicom30 a 999990,0001 m3VA_1

FA-2m30 a 999990,0001 m3VA_2

FG-1Volumen de GLPTurbina de chorro / contador analgicom30 a 99990,001 m3VG_1

FG-2m30 a 99990,001 m3VG_2

III. Upgrade del sistema hbrido termosolar GLP.Entre noviembre y diciembre de 2012, considerando la acumulacin de sedimentos y otros problemas ocasionados por la operacin del sistema de provisin de ACS a la CU (ver Fig.6), se realiz un mantenimiento correctivo mayor. Esta tarea se asign a un profesional en formacin, bajo la coordinacin del SEE DCCE y con apoyo de la Direccin de Infraestructura de la UTPL.

Fig. 6. Estado del sistema de provisin de ACS a la CU en noviembre de 2012. Fotografa de los autores.Como parte del mantenimiento correctivo mayor, se realiz la limpieza del emplazamiento, el reemplazo de acoples universales, la limpieza interna y externa de los colectores solares, y, la renovacin del aislante en los colectores solares. El 12 de Diciembre de 2012, se puso nuevamente el sistema en funcionamiento (ver Fig. 7).

Fig. 7. Estado del sistema de provisin de ACS a la CU, luego del mantenimiento correctivo mayor. Fotografa de los autores.

En esta fase, tambin se decidi realizar un upgrade del sistema. La Tabla 4 lista los sensores (y sus caractersticas) propuestos para mejorar el monitoreo del desempeo del sistema. Al final, se decidi implementar un nodo de telemetra para monitorear los diversos sistemas de aprovechamiento de energa de fuentes renovables implementados en el campus (como se describir en un trabajo posterior), con lo que el upgrade programado se limit a la instalacin de un sensor analgico de temperatura TA-1 (montado sobre una termocupla RTD PT-100), para registro de la temperatura del agua a la entrada del sistema (ver Fig.8).

Fig. 8. Instalacin del sensor TA-1, para registro de la temperatura del agua a la entrada del sistema de provisin de ACS a la CU. Fotografa de los autores.

TABLA IVPropuesta para ampliar la capacidad de monitoreo del desempeo del sistema. Diseo autorestemPrincipioElementoCaractersticas

CaudalMagntico Inductivo-Compacto

caudales: min: 3lit/min. Mx: 62lit/min

Potencial HidrognicoElectrodo + Transmisor

Salida: 4-20 mA. Rango: 0-14 pH

Radiacin Solar GlobalTermopilaAlmacenamiento de datos mx: 90 das. CLASE II

Radiacin Solar DirectaTermopilatrta= 1s, ngulo de apertura: 5 deg.

Datalogger3 entradas analgicas de 4-20mA. 2 entradas analgicas de 0-50mV, Interfaz Ethernet, Software Datalogger (1)

IV. Conclusiones

El sistema de provisin de ACS para la CU UTPL se instal en mayo de 2010, en la azotea de la CU, bajo responsabilidad de la Seccin de Energa y Electrnica SEE del Departamento de Ciencias de la Computacin y Electrnica DCCE, con el apoyo de la Direccin de Infraestructura de la UTPL, y, de la empresa LojaGAS. El sistema hbrido termosolar - GLP instalado, est conformado por tres bloques constitutivos: bloque termosolar, bloque de control, y, bloque de GLP. En el bloque termosolar se instalaron 7 colectores de placa plana (con una conexin en paralelo y un rea til de 14 m2), 1 termotanque, y, 1 sensor analgico de temperatura (usando una termocupla RTD PT100) El bloque termosolar opera bajo el efecto termosifn. En el bloque de control se estructuraron 2 sub-bloques: monitoreo y control. Se instal 2 flujmetros analgicos para medir el caudal del ACS, y, con la ayuda de 4 electrovlvulas, se conform un circuito hidrulico para el flujo del ACS. El funcionamiento de este bloque permite al usuario predeterminar, para cada circuito, una temperatura mnima requerida para el ACS En el bloque de GLP, se reutiliz calefones, tanques de reserva, y, 2 contadores analgicos de GLP que formaban parte del antiguo sistema de provisin de ACS. Del monto total correspondiente a la inversin en la adquisicin e instalacin del sistema hbrido para provisin de ACS a la CU, el 91% correspondi a la inversin en el bloque termosolar, y, el 9% restante a la inversin en el bloque de control. En base a la comparacin entre la temperatura de salida del bloque termosolar (registrada en la parte superior del termotanque) con la temperatura requerida por parte del usuario (predeterminada en el bloque de control), se reconfigura el circuito hidrulico de tal forma que los circuitos de aprovisionamiento de ACS se alimenten desde el termotanque o desde los calefones de GLP. Entre noviembre y diciembre de 2012, considerando la acumulacin de sedimentos y otros problemas ocasionados por la operacin del sistema de provisin de ACS a la CU, se realiz un mantenimiento correctivo mayor. Con fines de mejorar del monitoreo del desempeo del sistema se plante la adquisicin de sensores adicionales, propuesta que se desech y se limit a la instalacin de un sensor analgico de temperatura (montado sobre una termocupla RTD PT-100) ya que se decidi implementar un nodo de telemetra para monitorear los diversos sistemas de aprovechamiento de energa de fuentes renovables implementados en el campus.

V. Referencias

[1] Jaramillo J., Obaco F.. Diseo de un sistema termosolar para provisin de agua caliente sanitaria a la cafetera utpl, mayo de 2013.[2] Jaramillo J., Caldern C., Obaco F.. Prediseo de un sistema termosolar para provisin de agua caliente sanitaria a la cafetera utpl, mayo de 2013.