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Desarrollo de modelos analíticos para el estudio de colectores acumuladores integrados bajo distintas condiciones climáticas y de demanda de agua
(Facultad de Ciencias Exactas - Universidad Nacional de Salta, 2023) Barral, Jorge Raúl; Lesino, Graciela (Directora)
Los colectores con acumulación integrada son equipos que realizan la absorción de energía radiante y el almacenamiento de energía en el mismo componente, que se encuentra separado del medio exterior por un sistema de cubierta transparente. Esta concentración de funciones que los hace más económicos que los sistemas tradicionales, es a su vez la que les ocasiona unas pérdidas nocturnas relativamente altas.
Se presentan en esta Tesis los estudios experimentales y analíticos de distintos modelos de colectores con acumulación integrada, llevados a cabo con el objeto de comprender en detalle su funcionamiento, y poder así desarrollar modelos físicos matemáticos que sirvan para correr simulaciones anuales que muestren las capacidades de estos equipos para satisfacer demandas domiciliarias de agua caliente.
Estas investigaciones fueron llevadas adelante durante varios años, comprendiendo trabajos realizados en distintas instituciones, pero mayormente en el laboratorio del Grupo de Energía Solar de la Universidad Nacional de Río Cuarto, Argentina. De la mayoría de los equipos estudiados fueron construidos prototipos, los cuales se instrumentaron convenientemente para poder seguir la evolución de las variables involucradas en su funcionamiento, principalmente las temperaturas en distintos puntos de los equipos, como así también se midieron las variables climáticas y el flujo de agua que se les demanda. Los modelos experimentados fueron de tipo tubular, monotanque con recubrimiento de policarbonato alveolar, bitanques con superficies reflectantes internas, equipos con el absorbedor-almacenador de perfil oval y de perfil rectangular.
Por otro lado, cada unidad fue estudiada analíticamente en profundidad para poder hacer representaciones termodinámicas y estudios de pérdidas de calor interrelacionando cada una de sus partes. Se trabajó también la incidencia de la radiación solar, las otras variables climáticas y la demanda de agua caliente de los usuarios en función del tiempo. Luego, combinando estos elementos se modelaron físicamente los equipos para poder confeccionar algoritmos computacionales que permitieran la simulación de los procesos que estos equipos ejecutan. Los modelos fueron validados comparando los resultados simulados con los datos reales de los experimentos y verificando su congruencia dentro de márgenes razonables.
En la búsqueda de determinar el tamaño apropiado de cada equipo para el desempeño que de él se espera para cada clima, otra variable muy importante que fue estudiada especialmente, fue la relación Volumen/Área. Se inició este estudio con los colectores tubulares, para luego utilizar una norma internacional para comparar el comportamiento de dos equipos con distintas relaciones Volumen/Área.
Los resultados de las simulaciones fueron representados gráficamente y en tablas para poder analizar su comportamiento y realizar las comparaciones relativas a los tipos de extracciones de agua, la influencia del clima y la relación volumen/área en la performance de los equipos. Los resultados mostraron que es válida la representación de los equipos mediante el modelo de nodos isotérmicos, que la fracción solar es el medio idóneo para comparar las performances de los sistemas, y que tanto la fracción solar como la relación volumen/área permiten determinar la factibilidad de aplicación de estos equipos para los distintos tipos de clima.
Estrategias de funcionamiento de un muro acumulador de energía solar para climas templados
(Facultad de Ciencias Exactas - Universidad Nacional de Salta, 2022) Vitale Lucas, Luis Gerardo; Flores Larsen, Silvana Elinor (Directora); Bove Vanzulli, Ítalo Carlos (Codirector)
Existen numerosas formas de acondicionar térmicamente un ambiente en la temporada fría, muchas de ellas necesitan el aporte de energía eléctrica o algún combustible fósil. Pero existe también una batería de estrategias pasivas que generalmente utilizan fuentes de energías renovables. Una de ellas son los muros acumuladores de energía solar o muros solares.
Estos sistemas son una tecnología añeja usadas generalmente para calefaccionar viviendas en climas fríos donde la radiación solar es considerable, y en algunos casos usados para favorecer la ventilación en climas cálidos, ya que al aumentar la temperatura del aire provocan corrientes convectivas. Pero por otro lado no se conocen muchos trabajos sobre la aplicación de estos sistemas a climas templados.
Para este trabajo se construye un dispositivo experimental simulando una habitación con un sistema de muro solar de adobe orientado al norte. Al sistema se le añade una persiana de PVC programable con el fin de regular las ganancias y pérdida de energía. Este experimento se realiza en un clima templado húmedo como lo es el de Salto, Uruguay. Al dispositivo experimental se lo equipa con numerosos sensores para medir variables meteorológicas por un período de tres años consecutivos.
Se ensaya el sistema en diferentes configuraciones en función del uso o no de la persiana y se toman medidas en cadencia minutal. Del análisis de los resultados experimentales se determina la energía aportada por el muro en cada configuración y la constante de tiempo del muro a la hora de entregar energía. Por otro lado a partir de modelos preexistentes en la literatura se calculan distintos parámetros determinantes en el comportamiento térmico del sistema. Los parámetros determinados son: el albedo del suelo frente a la cara norte del sistema, la transmitancia solar de la cubierta transparente, los coeficientes de transferencia de calor combinados de las superficies componentes del dispositivo experimental, y la difusividad térmica del muro de adobe.
Utilizando el programa informático SimEdif (diseñado en la Universidad Nacional de Salta, Argentina) se arma un modelo numérico para cada configuración ensayada que ajusta de forma satisfactoria con los datos experimentales con una desviación menor al % para la temperatura del interior de la habitación.
A partir de los modelos numéricos se estudia el comportamiento térmico de la habitación con muro solar a lo largo de año meteorológico típico para la ciudad de Salto. Se determina que para un muro de adobe en climas templados, el espesor óptimo es en torno a los 20 cm y la superficie para la habitación ensayada es de 6 m². Además se encuentra que para mejorar el de mejor rendimiento para un y se definen estrategias para un óptimo uso del mismo. De esta manera se aumenta así su beneficio en la temporada fría y disminuyendo su efecto en la temporada calurosa.