UNIVERSIDAD NACIONAL

“SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”

FACULTAD DE CIENCIAS DEL AMBIENTE.

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL.

INFORME DE LA INVESTIGACIÓN:

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TERMA SOLAR EN

HUARAZ”

ASIGNATURA:

BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL.

PRESENTAN:

ALVERTO BAZAN, Octavio.

BUIZA TARAZONA, Maricielo.

CAMILO MAURICIO, Abraham.

COSME COBEÑAS, Franklin.

GONZALES HUAMAN, Lidiana.

HUARANGA FLORES Michael.

JIMENEZ GARCIA, Yenifer.

OBISPO PADILLA Yeny

OROPEZA CAMONES, Kely.

SANTIAGO BAZAN, Frank.

DOCENTE:

Dr. PALOMINO CADENAS, Julio.

HUARAZ – 2014

INTRODUCCIÓN.

El presente trabajo desarrollado en el curso de Biotecnología Ambiental,

pretende otorgar la importancia del uso de la actual tecnología científica y contribuir a

mejorar la calidad de vida de aquellos hogares de la zona rural alejados y además de

difundir el uso de la energía solar que definitivamente significa un ahorro en el

consumo mensual de la energía eléctrica.

Es así, que en la sierra de Ancash existen muchos pobladores, con bajos

recursos económicos que viven en regiones donde la temperatura, durante las

noches, desciende a valores menores a 5 grados centígrados.

Debido a la falta de apoyo gubernamental en el aspecto económico, este año

se inició con el diseño y construcción de termas solares, a costos bajos y con

materiales que están al alcance de comunidad. Siendo el punto de partida la ciudad

de Huaraz, posteriormente se realizara en otras localidades.

El calentamiento del agua en estos sistemas se da por termosifón o circulación

natural, es decir, a medida que el agua se calienta pierde densidad y tiende a subir,

es como si el agua fría empujara al agua caliente para que este se acumule en la

parte superior y el agua fría en el interior ya sea del tanque o bolsa de dichos

sistemas

Se diseñó una terma solar mediante el uso de energía solar para proporcionar

agua caliente a las personas con menores recursos económicos. Finalmente, se

incluye los procedimiento, pruebas de la terma solar planos necesarios para la

construcción de la de la terma solar.

Los estudiantes.

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

1.1. PROBLEMA.

¿Podrá fomentarse el uso de termas solares para el ahorro energético y

la mejora de la calidad de vida de los pobladores de Huaraz?

1.2. OBJETIVOS.

1.2.1. Objetivo general

Fomentar la construcción de termas solares para el ahorro de

energía y mejora de la vida.

1.2.2. Objetivos específicos.

Socializar la población en el uso de e terma solar prototipo.

Construir de manera participativa un prototipo de terma solar

familiar.

Determinar la eficiencia de la terma construida.

Capacitar a la población en temas solares relacionados con la

construcción, operación y mantenimiento de la terma solar.

1.3. JUSTIFICACIÓN.

Ancash cuenta con condiciones favorables para el desarrollo de

proyectos de energía solar. En la zona de la Sierra de nuestro

departamento y país, la energía solar alcanza niveles promedios de

radiación de 5 a 6 kWh/m2/día (una de las mejores radiaciones a nivel

mundial).

La energía solar se puede transformar con facilidad en calor, de hecho

el calentamiento del agua en estos sistemas se da por termosifón o

circulación natural, es decir, a medida que el agua se calienta pierde

densidad y tiende a subir, es como si el agua fría empujara al agua caliente

para que este se acumule en la parte superior y el agua fría en el interior del

tanque.

Una alternativa de obtención de agua caliente para uso higiénico en

zona sierra de Ancash es la autoconstrucción de terma solares caseras,

donde con materiales de la zona y otros de fácil obtención podemos

disponer de agua caliente para el aseo personal.

Se presume a priori que el desarrollo del proyecto sea viable, porque

existen trabajos de investigación (tesis, monografías, proyectos de

investigación, etc.). Por lo que se prevé que nuestro trabajo se realizara

con la contrastación de la información.

II. MARCO TEÓRICO.

2.1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS.

Cáceres, Richard y otros. (2012). Realizo una investigación Universidad

Nacional del Centro del Perú de: "Diseño de un sistema de agua caliente

para un hotel de 30 personas", concluyendo que, Para la implementación

de agua caliente (40ºC) en un hotel de 30 personas, será necesario la

instalación de una terma con un colector de 28.87 m2 de área, con 03

tanques de 600 litros cada uno.

Herrera, Ronald. (2011). Realizo una investigación en la Ponteficie

Universidad Católica del Perú de "Diseño de una cama calefactora para

regiones frías", concluyendo que, Se diseñó una cama calefactora

mediante el uso de energía solar para proporcionar el confort térmico al

campesino en las noches. El campesino necesita un suministro de calor

de 35 W durante 10 horas lo cual resulta en una carga térmica de 1300

kJ. La pila de piedras tiene un volumen de 0.5m3 y se calienta hasta una

temperatura de 22°C durante el día y disminuye hasta una temperatura

de 15°C mientras que dentro del cuarto se encuentra a 5°C y afuera a

5°C bajo cero. Este cambio de temperatura libera 2200kJ, lo cual nos

asegura que la pila de piedras proporcionará la cantidad de calor que

necesita el hombre para encontrase en confort térmico.

Montoya, Luis y otros.(2011). Realizo una investigación en la

Universidad Nacional de San Agustín de "Evaluación de un calentador

solar de agua de acuerdo a Norma Técnica Peruana", concluyendo que,

Los valores típicos del factor de remoción para el tipo de colectores como

el que se evalúa van de 0,82 a 0,85 (Chasseriaux, J.M., 1990); para el

caso del colector evaluado se ha obtenido un valor de 0,722; esto es

debido a un mal contacto térmico entre la placa absorbedora y los tubos

de la rejilla.

Rivasplata, César. (2012). Realizo una investigación en la Universidad

Nacional Jorge Basadre Grohmann de: "La industria y el desarrollo

cnológico de colectores solares planos para calentamiento de agua",

concluyendo que, Arequipa está en condiciones de competir con

mercados extranjeros.

2.2. BASES TEÓRICAS.

2.2.1. ENERGIA SOLAR

Energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones

nucleares de fusión. Llega a la Tierra a través del espacio en

cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la

atmósfera y la superficie terrestres. La intensidad de la radiación

solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la

Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante

solar, y su valor medio es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas 2

cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que

parece ser que varía un 0,2% en un periodo de 30 años. La

intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es

menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión

de la radiación que origina la interacción de los fotones con la

atmósfera.

La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado

de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día

del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía

solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo

receptor.

2.2.2. ENERGIA SOLAR TÉRMICA

Un sistema de aprovechamiento de la energía solar muy extendido

es el térmico. El medio para conseguir este aporte de temperatura

se hace por medio de colectores.

El colector es una superficie, que expuesta a la radiación solar,

permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido. Existen tres

técnicas diferentes entre sí en función de la temperatura que puede

alcanzar la superficie captadora. De esta manera, los podemos

clasificar como:

Baja temperatura, captación directa, la temperatura del fluido es por

debajo del punto de ebullición.

Media temperatura, captación de bajo índice de concentración, la

temperatura del fluido es más elevada de 100ºC.

Alta temperatura, captación de alto índice de concentración, la

temperatura del fluido es más elevada de 300ºC.

2.2.3. APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA SOLAR

ENERGIA SOLAR EN EL PERÚ

La energía solar en el Perú es en muchos lugares del territorio, lo

suficientemente alta y uniforme (comparada con otros países) para

ser considerada como una fuente energética utilizable para

fomentar el desarrollo de nuestras comunidades.

Según el atlas de energía solar, la radiación solar en el Perú es más

alta en la zona de la Sierra (5-6 Kwh/m2-día) que en la selva y la

costa (4-5 Kwh/m2-día) con una variación de +/- 20% durante el

año. Esta cifra aumenta de norte a sur. Por ejemplo, Lima tiene en

promedio 5.13 Kwh/m2-día, mientras que Arequipa 6.08 Kwh/m2-

día.

Las principales aplicaciones solares utilizadas en el Perú son los

sistemas fotovoltaicos y los sistemas de calentamiento de agua

(termas solares). Según un estudio del Ministerio de Energía y

Minas del 2004 (2) existen alrededor de 10000 termas solares

instaladas principalmente en Arequipa, Ayacucho, Lima, Puno,

Tacna y Ancash. Cabe resaltar que en Arequipa hay toda una

industria dedicada a esta tecnología. La misma fuente menciona

que hasta esa fecha se habían instalado 640 cocinas solares en

todo el país y cerca de 764 secadores solares. También se

menciona que la potencia Fotovoltaica instalada hasta esa fecha

era de 3.73 Mwp, siendo las principales aplicaciones la

electrificación domiciliaria y las telecomunicaciones. Cabe destacar

en esta área el proyecto PER/98/G31 Electrificación Rural a Base

de Energía Fotovoltaica mediante el cual se han instalado cerca de

5424 SFV domiciliarios de 50 Wp en los departamentos de

Cajamarca, Pasco, Loreto y Pucallpa.

Hay muchas razones por las cuales a pesar de que tenemos altos

niveles de radiación solar, este tipo de tecnologías no han tenido el

despegue que merecen, entre ellas la falta de una política

energética gubernamental que fomente su uso, experiencias fallidas

que fomentan el escepticismo (experiencias fallidas principalmente

por un mal planeamiento y o ejecución de los proyectos más que

por la tecnología en sí), falta de desarrollo de la industria local en

este tema, etc.

La energía solar a través de sus múltiples aplicaciones pueden sin

duda mejorar las condiciones de vida de los pobladores de las

zonas rurales de nuestro país y también ser una alternativa

energética viable para las zonas urbanas (hay que tomar en cuenta

por ejemplo el ahorro producido con el calentamiento de agua).

Esperemos que este panorama cambie pronto para bien.

2.3. TERMA SOLAR CON CIRCULACIÓN NATURAL: EFECTO

TERMOSIFÓN.

Cuando la radiación solar golpea la superficie del absorbente, se

convierte rápidamente en calor. Las pérdidas de calor se reducen gracias a

la cubierta y al aislamiento, de modo que el calor es recogido y transferido

al agua en los tubos. El agua se calienta y sube por el conducto superior

hacia el tanque de almacenamiento.

El agua caliente es más ligera que el agua fría, por lo que siempre

encuentra su camino hacia el punto más alto del circuito.

Entonces, habrá un flujo que va desde el colector hacia el tanque de

almacenamiento. A su vez, el agua caliente que sube desde el colector es

sustituida por agua fría, vía el conducto inferior.

Por lo tanto, el agua fluirá desde la parte más baja del tanque de

almacenamiento hacia la parte más baja del colector. De este modo se

genera una circulación natural: el agua caliente sube desde el colector y,

simultáneamente, el agua fría fluye del tanque de agua al colector. El agua

fría en el colector será calentada nuevamente por la radiación solar,

cerrando así el circuito. Un sistema basado en el principio de circulación

natural es denominado sistema de efecto termosifón; es decir, sistema

donde el sol constituye la fuente de energía. Dependiendo de la

temperatura del medio ambiente y del grado de aislamiento del sistema,

éste alcanzará temperaturas entre los 40º C y 90º C.

2.4. TANQUE DE ALMACENAMIENTO.

Por lo general, el agua calentada por el colector no se utiliza

inmediatamente, por lo que debe ser almacenada en un tanque. Puede

construirlo o comprarlo (nuevo o usado). Para los sistemas más pequeños

hasta los sistemas de 1000 litros, se pueden utilizar cilindros de aceite o

contenedores de plástico en buenas condiciones.

III. HIPÓTESIS.

Considerando que la terma solar no hace uso de la energía convencional, la

inversión de población beneficiaria en la construcción operación mantenimiento,

será recuperada en 26 meses por lo que formulamos la siguiente hipótesis:

“Sí, es posible fomentar la construcción y uso de termas solares en los

pobladores de zona sierra de Ancash”.

IV. MATERIALES Y METODOLOGÍA.

4.1. EQUIPOS Y HERRAMIENTAS.

Taladro de mano.

Aplicador de silicona.

Arco de cierra.

Hoja de cierra.

Martillo.

Desarmador.

Llave francesa.

Alicate.

Cúter o cuchilla.

Tijera.

4.2. MATERIALES.

Bienes y servicios Unidad Cantidad

Bidón de 35 litros Unidad 1

Tubos de PVC ½” 5.50 m. 2

Codos de PVC ½” Unidad 8

Tees de PVC ½” Unidad 10

Empaque de PVC ½” Unidad 8

Llave de paso ½” Unidad 2

Adaptador PVC ½” Unidad 10

Unión mixta PVC ½” Unidad 5

Válvula flotadora, varilla y flotador Unidad 1

Tuerca de ½” Unidad 1

Pegamento nicoll 1/8 L 1

Silicona (sikasil) 300 ml 2

Tecnopor de 1” Unidad 2

Vidrio 1.15x0.65x0.004 m Unidad 1

Angulo ¾” Aluminio 6 m. 2

Tornillos (½”x3/32”, para Aluminio.) Unidad 20

Calamina de 0.14 Unidad 1

Abrazaderas ¾” Unidad 6

Pintura spray (negro) Unidad 1

Manguera de ¾” x 5 m. Unidad 1

Cinta teflón. Unidad 1

Pedazo de cámara de llanta (usada) Unidad 1

4.3. METODOLOGÍA.

4.3.1. DISEÑO DEL COLECTOR DE LA TERMA SOLAR.

La energía necesaria para elevar la temperatura de una

sustancia es una propiedad física conocida como el “calor específico”

de dicha sustancia. El calor específico del agua (Cp) es 4200 J/kg/ºC.

Eso significa que se necesitan 4200 joules de energía para elevar en

un grado centígrado la temperatura de un kilogramo de agua.

Cp - Calor específico (J/kg/ºC);

I - Radiación solar (kWh/m2);

M - Cantidad de agua caliente requerida (litros);

T1 - Temperatura del agua caliente requerida (ºC);

T2 - Temperatura del agua fría;

Eeff - Eficiencia de la terma sol.

4.3.1.1. Características técnicas.

Departamento Ancash

Latitud

Longitud

Capacidad 35 litros por día.

Temperatura inicial 5 °C

Temperatura final 40 °C

Radiación solar (I) promedio 5.79 KWh/m2 – día.

Costo total S/. 777.00 (No incluye IGV)

Costo de mantenimiento S/. 100.00 por año.

Costo de energía eléctrica

para una terma de 50 litros. S/. 35.00 aprox. por mes.

Tiempo de recuperación de la

inversión. En 26 meses.

Tiempo de vida útil 12 años

En primer lugar, se debe calcular la energía necesaria

basándose en la diferencia de temperatura requerida entre el agua

fría y caliente. La fórmula está dada en la siguiente ecuación.

Q = M x Cp x (T 1 - T 2) (1)

Para efectuar esto se debe saber la cantidad de agua a ser

calentada, en el cuadro 1.

CALCULO CAPACIDAD DEL TANQUE DE

ALMACENAMIENTO 2 Personas 15 Litros

1 Lavadero. 5 Litros

TOTAL 35 Litros

Entonces el consumo aproximado de 35 litros/día a 40 °C,

siendo la temperatura del agua en la fuente en el caso más

extremo de 5°, por lo que la Energía de Calor (Q) será:

M = 35 litros/día.

Cp= 4184 J/kg/ºC.

T2-T1= 35 ºC

Q= 35 x 4184 x 35 = 5125400 J

Q =1.42 kWh/dia.

Una vez calculada la energía necesaria, se puede calcular el

área de la superficie del colector, tomando en cuenta la radiación

solar (I) y la eficiencia del sistema (Eef).

(2)

La radiación global varía durante el día, durante el año y

también según la altitud y latitud. Para realizar los cálculos, se

utilizará la radiación registrada en Huaraz cuyo valor es de 5.79

Kwh/m2-dia.La eficiencia del colector depende, entre otras

cosas, del tipo de colector, el aislamiento, la instalación, etc. Por lo

general, la eficiencia de un sistema completo (colector y tanque), si

se utiliza adecuadamente, está entre 25 - 50%. Podemos decir,

como regla básica, que se puede utilizar un promedio de 35 - 40%.

Para nuestro caso hemos elegido una eficiencia de 35%, con

los datos de calor y de radiación se obtiene el área del colector,

como sigue:

Área del Colector = 1.42 /(5.79 x0.35) = 0.70 m2.

Por lo que, se necesita un área de superficie de paneles total

de 0.70 m2 para calentar 35 litros de agua a 40º C.

4.3.2. PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN.

4.3.2.1. Construcción del panel o colector.

a) El ángulo de aluminio es cortado solo un lado en 1. 15 m y a

0.65 m finalmente lo doblamos formando un rectángulo, en

las uniones del dobles hacemos orificios con el taladro de

mano, luego aseguramos con un tornillo, lo mismo hacemos

otro, posteriormente realizamos cortes de 0.14 m, estos son

colocados en las esquinas formando un cubo, aseguramos

con el tornillo como en el caso anterior. Cortamos teknopor 2

unidades de 0.14x0.65 m, 0,14x1.15 m y 0.65x1.15 m estos

son colocados en la parte interior de los ángulos y pegados

con silicona.

b) Realizamos cortes de 0.94 m del tubo ½’’ seis unidades y

uno de 1.15 m. adherimos pegamento PVC y lo unimos a

presión los seis tubos con los tees y codos. Luego

realizamos cortes de 7 cm, 12 unidades para unir tees con

tees o con codos, quedando al final como una parrilla y

pasamos una mano de pintura negra con spray.

c) Cortamos una calamina de 0.86 m por 6 canales de forma

que dé en los canales las 6 tuberías, pintamos la calamina

una mano una vez seca aseguramos la calamina con la

tubería y pintamos la última mano de pintura a los dos. Los

laterales de la parte interna de la caja se forra con papel

aluminio pegando con silicona, posteriormente se ubica la

parrilla de tubería y aseguramos teniendo en cuenta que por

los orificios de la parte superior la tubería sobre pase al

menos 5 cm. Hay que tener en cuenta que la tubería libre es

para agua fría y por lo tanto no debe ser pintada ni cubierta

con calamina. Y por último pegamos el vidrio con la silicona.

4.3.2.2. Construcción del tanque de almacenamiento de agua

caliente.

a) Realizamos 4 agujeros de ½’’ al bidón de PVC, uno en la

parte baja a 4 cm de la base (conexión entre el tanque y el

colector), uno a 2/3 de la base (salida de agua de consumo),

una 40 cm de la base para el ingresos de agua caliente del

colector o panel y uno 45 cm de la base (entrada de agua de

la red). Colocamos una boya a la entrada de agua de red

para controlar automáticamente el nivel de agua en el bidón y

en los demás orificios ira un adaptador con una unión mixta

de modo que entre estos debe estar la empaquetadura.

b) Planchamos la calamina, haciendo uniones de gancho

formamos un cilindro (debe ser más 5 cm más radio que el

bidón de almacenamiento) y sobre la basa se asegura con

alambre, por la parte interna en la base colocamos teknopor

(cortar 4 círculos dos para la base y para la parte superior).

En el espacio entre el cilindro de calamina y el bidón

colocamos teknopor como aislante térmico para que no se

pierda el calor por conducción ni convección.

c) Instalamos el sistema tanque colector para el cual hacemos

uso de los tubos de mangueras de 3/4’’ para agua fría y

caliente tal como se muestra en la figura.

V. RESULTADOS.

5.1. EFICIENCIA TÉRMICA DEL COLECTOR SOLAR.

La eficiencia del colector solar es evaluada con los datos

experimentales que se obtuvieron en 2 días de medición, todas la

evaluaciones se realizaron en las horas de más alta intensidad de

radiación solar. Temperatura de salida del colector, fue de 57 – 60 °C.

5.2. PERDIDAS TÉRMICAS DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE

AGUA.

Se cargó el tanque de la terma por dos días a las 10 am y se

controlaron en diferentes horarios a las 4 pm teníamos una temperatura de

agua de 48 °C y a las 10 pm teníamos una temperatura de 35 °C. Con lo

que podemos comprobar la eficiencia de nuestro aislante por 4 horas.

VI. CONCLUSIONES.

Se llegó a construir la terma solar, promoviendo el ahorro de energía y

mejora de la vida.

Se concientizo a la población de la Av. Malecón sur del río Quillcay con el

prototipo de la terma solar.

Se construyó de manera participativa con equipo de trabajo un prototipo de

terma solar familiar.

Se determinó la eficiencia de la terma construida, hasta las 10 pm.

VII. RECOMENDACIONES.

Construir un panel o colector de la terma con policarbonato y comparar la

eficiencia con el vidrio.

Construir la parrilla del colector con tuberías de agua caliente.

BIBLIOGRAFÍA.

Cáceres, Richard y otros. Diseño de un sistema de agua caliente para un hotel

de 30 personas. Tesis, Huancayo: Universidad Nacional del Centro del Perú,

2012.

Herrera, Ronald. Diseño de una cama calefactora para regiones frías. Tesis,

Lima: Ponteficie Universidad Católica del Perú, 2011.

Montoya, Luis y otros. Evaluación de un calentador solar de agua de acuerdo

a Norma Técnica Peruana. Tesis, Lima: Universidad Nacional de San Agustín,

2011.

Rivasplata, César. La industria y el desarrollo cnológico de colectores solares

planos para calentamiento de agua. Tesis, Tacna: Universidad Nacional Jorge

Basadre Grohmann, 2012.

Sánchez, Pedro. «Termas Solares usos y aplicaciones en el Perú.» Solartec

(Solartec), s/a: 24.