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Dise�o y simulaci�n de un sistema de aire acondicionado basado en energ�a solar t�rmica para aplicaciones residenciales en una vivienda est�ndar

 

Design and simulation of an air conditioning system based on solar thermal energy for residential applications in a standard home

 

Projeto e simula��o de um sistema de ar condicionado baseado em energia solar t�rmica para aplica��es residenciais em uma resid�ncia padr�o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: ctopac@uteq.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 18 de noviembre de 2024 *Aceptado: 20 de diciembre de 2024 * Publicado: �22 de enero de 2025

 

        I.            Universidad T�cnica Estatal de Quevedo, Quevedo, Los R�os, Ecuador.

      II.            Universidad T�cnica Estatal de Quevedo, Quevedo, Los R�os, Ecuador.

   III.            Universidad T�cnica Estatal de Quevedo, Quevedo, Los R�os, Ecuador.

   IV.            Universidad T�cnica Estatal de Quevedo, Quevedo, Los R�os, Ecuador.

 

Resumen

El presente estudio tuvo como prop�sito dise�ar y simular un sistema de climatizaci�n residencial eficiente y sostenible, adaptada a las condiciones clim�ticas de la ciudad de Quevedo, caracterizada por una alta radiaci�n solar. El enfoque principal fue reducir tanto la demanda de energ�a el�ctrica como las emisiones de gases de efecto invernadero mediante la implementaci�n de un sistema de aire acondicionado por absorci�n alimentado por energ�a solar t�rmica, para ello, se utilizaron colectores solares como fuente principal de energ�a t�rmica. Se llev� a cabo un an�lisis de las cargas t�rmicas de la vivienda conforme a los lineamientos establecidos en el Manual ASHRAE, complementado con la simulaci�n de los procesos termodin�micos en la plataforma DWSIM. Este enfoque permiti� desarrollar una alternativa eficiente y ambientalmente responsable frente a los sistemas convencionales de refrigeraci�n, los cuales emplean refrigerantes hidrofluorocarbonados (HFC), conocidos por su significativo impacto negativo sobre la capa de ozono y su contribuci�n al calentamiento global. La investigaci�n propone un sistema de refrigeraci�n por absorci�n amon�aco-agua como una soluci�n viable y sostenible, priorizando la selecci�n �ptima de componentes clave como el absorbente, evaporador y condensador.

Palabras clave: entalp�a; amoniaco; sistema de absorci�n; temperaturas.

 

Abstract

The purpose of this study was to design and simulate an efficient and sustainable residential air conditioning system, adapted to the climatic conditions of the city of Quevedo, characterized by high solar radiation. The main focus was to reduce both the demand for electrical energy and greenhouse gas emissions through the implementation of an absorption air conditioning system powered by solar thermal energy, for this, solar collectors were used as the main source of thermal energy. An analysis of the thermal loads of the home was carried out in accordance with the guidelines established in the ASHRAE Manual, complemented by the simulation of thermodynamic processes in the DWSIM platform. This approach allowed us to develop an efficient and environmentally responsible alternative to conventional refrigeration systems, which use hydrofluorocarbon refrigerants (HFC), known for their significant negative impact on the ozone layer and their contribution to global warming. The research proposes an ammonia-water absorption refrigeration system as a viable and sustainable solution, prioritizing the optimal selection of key components such as the absorber, evaporator and condenser.

Keywords: enthalpy; ammonia; absorption system; temperatures.

 

Resumo

O objetivo deste estudo foi projetar e simular um sistema de ar condicionado residencial eficiente e sustent�vel, adaptado �s condi��es clim�ticas da cidade de Quevedo, caracterizada por alta radia��o solar. O foco principal foi reduzir tanto a demanda de energia el�trica quanto as emiss�es de gases de efeito estufa atrav�s da implanta��o de um sistema de ar condicionado por absor��o alimentado por energia solar t�rmica, para isso foram utilizados coletores solares como principal fonte de energia t�rmica. Foi realizada uma an�lise das cargas t�rmicas da habita��o de acordo com as diretrizes estabelecidas no Manual ASHRAE, complementada pela simula��o de processos termodin�micos na plataforma DWSIM. Esta abordagem permitiu-nos desenvolver uma alternativa eficiente e ambientalmente respons�vel aos sistemas de refrigera��o convencionais, que utilizam refrigerantes hidrofluorocarbonetos (HFC), conhecidos pelo seu impacto negativo significativo na camada de ozono e pela sua contribui��o para o aquecimento global. A pesquisa prop�e um sistema de refrigera��o por absor��o de am�nia-�gua como uma solu��o vi�vel e sustent�vel, priorizando a sele��o ideal de componentes-chave como absorvedor, evaporador e condensador.

Palavras-chave: entalpia; am�nia; sistema de absor��o; temperaturas.

 

Introducci�n

El calentamiento global y la creciente demanda de energ�a han impulsado la b�squeda de soluciones sostenibles para satisfacer las necesidades energ�ticas de los hogares (Tovar & Pazu�a, 2023; P�rez & M�ndez, 2024). En este contexto, la energ�a solar t�rmica se ha convertido en una alternativa viable, especialmente para aplicaciones residenciales (Osornio et al., 2022), donde el consumo energ�tico asociado al acondicionamiento de aire representa una proporci�n significativa del gasto total de electricidad del conjunto residencial (De La Hoz et al., 2021).

El aire acondicionado representa una tecnolog�a ampliamente utilizada para regular la temperatura y garantizar el confort t�rmico en espacios interiores de sitios habitables (Jover, 2023; Garc�a et al., 2024). Sin embargo, su implementaci�n conlleva costos significativos, principalmente asociados al elevado consumo de energ�a el�ctrica derivado de su operaci�n continua durante varias horas (Pocasangre & Gonzalez, 2021). A estos gastos operativos se le suman los costos relacionados con el mantenimiento peri�dico del equipo, lo que en conjunto supone una inversi�n muy considerable a largo plazo (Torres et al., 2022).

Los sistemas tradicionales de aire acondicionado, que dependen de refrigerantes fluorocarbonados y de la red el�ctrica convencional, no solo son costosos sino tambi�n perjudiciales para el medio ambiente debido a las emisiones de gases de efecto invernadero y su impacto en la capa de ozono (Amirov et al., 2022). Las investigaciones parten de la premisa de que la implementaci�n de un sistema de acondicionamiento de aire basado en energ�a solar t�rmica puede reducir significativamente el consumo energ�tico y contribuir a la sostenibilidad ambiental (Zhovkva, 2020).

Los sistemas de refrigeraci�n por absorci�n, como el utilizado en este proyecto, emplean mezclas de amon�aco-agua para generar el efecto refrigerante, aprovechando la energ�a t�rmica captada por colectores solares (Zacar�as et al., 2024). Esta tecnolog�a, aunque no es nueva, ha ganado relevancia debido a los avances en materiales, dise�o de colectores y herramientas de simulaci�n computacional, como DWSIM, que permiten optimizar el rendimiento de estos sistemas (Camacho, 2022).

El objetivo principal de esta investigaci�n fue contribuir al desarrollo de sistemas de climatizaci�n m�s eficientes y sostenibles, alineados con los objetivos globales de reducci�n de emisiones de gases de efecto invernadero y transici�n hacia una matriz energ�tica m�s limpia.

 

Metodolog�a

El dise�o para el presente trabajo se desarroll� bajo un enfoque cuantitativo y experimental, combinando m�todos anal�ticos y computacionales para el dise�o y simulaci�n de un sistema de aire acondicionado basado en energ�a solar t�rmica. El estudio se llev� a cabo en una vivienda tipo ubicada en Quevedo, Ecuador, una zona con alta disponibilidad de radiaci�n solar.

La vivienda seleccionada que constaba de un �rea superficial total de 73,46 m² estuvo ubicada en la direcci�n Transversal Central y Av. Revoluci�n Ciudadana de la ciudad de Quevedo, provincia Los R�os � Ecuador. Caracterizada por un clima c�lido y h�medo, con temperaturas promedio que oscilan entre 24 �C y 34 �C. Las mediciones de radiaci�n solar y otras variables clim�ticas se realizaron mediante software especializado, como El Tiempo y herramientas de medici�n locales.

 

 

Procedimiento de dise�o del sistema:

An�lisis de cargas t�rmicas: Se calcul� la carga t�rmica de la vivienda utilizando el Manual ASHRAE como referencia principal. Se consideraron cargas t�rmicas sensibles y latentes, as� como factores externos como radiaci�n solar y temperatura ambiente

Selecci�n de componentes: Se seleccionaron colectores solares t�rmicos, evaporadores, condensadores, generadores y absorbedores �ptimos para el sistema. Los materiales para aislamiento t�rmico, como lana de vidrio y paneles de poliuretano, fueron considerados para minimizar las p�rdidas de calor.

Simulaci�n del sistema: Se utiliz� el software DWSIM para modelar el sistema de refrigeraci�n por absorci�n. Las simulaciones permitieron evaluar el rendimiento energ�tico, la eficiencia del sistema y el comportamiento de los componentes bajo diferentes condiciones operativas.

Herramientas de simulaci�n y an�lisis

Software DWSIM: Para la simulaci�n de los procesos termodin�micos del sistema de refrigeraci�n.

Manual ASHRAE: Como referencia para el c�lculo de las cargas t�rmicas.

El Tiempo: Para obtener datos clim�ticos precisos de la zona de estudio.

 

Resultados y discusi�n

En la Tabla 1 se puede apreciar los diferentes valores de consumo de los electrodom�sticos y equipos electr�nicos que se encuentran en la vivienda que se asemejan a valores referenciales de su tipo (Vargas, 2024).

 

Tabla 1. Valores de consumo de electrodom�sticos y equipos electr�nicos

 

Despu�s de realizar un inventario detallado de los electrodom�sticos y equipos electr�nicos en el hogar, se determin� que la sumatoria del consumo energ�tico de todos los dispositivos ascend�a a 3,4 kW.

Para la simulaci�n se correlacion� cada etapa del sistema de absorci�n seg�n los softwares especializados.

 

Figura 1. Esquema del sistema de absorci�n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2. Simulaci�n del rectificador

 

Figura 3. Simulaci�n del condensador

 

Figura 4. Simulaci�n del evaporador

 

Figura 5. Simulaci�n del absorbedor

 

 

 

 

 

Figura 5. Simulaci�n del generador

 

Al analizar las cargas t�rmicas en el presente estudio revela que el techo constituye el principal punto de transferencia de calor en comparaci�n con las paredes, debido a su elevada transmitancia t�rmica. Esta caracter�stica incrementa significativamente la ganancia de calor en el interior de la vivienda, afectando el rendimiento energ�tico del sistema de climatizaci�n y el confort t�rmico de los ocupantes. Para mitigar este efecto y optimizar la eficiencia energ�tica, se recomienda la instalaci�n de un sistema de aislamiento t�rmico en la cubierta, empleando planchas de poliuretano como material aislante, dada su baja conductividad t�rmica y alta capacidad para reducir las p�rdidas y ganancias de calor.

 

 

 

 

 

 

 

Figura 6. Aislamiento t�rmico del techo

Nota: Muestra los valores de carga por superficie en el techo de las 2 secciones

 

Para maximizar la eficiencia energ�tica del sistema de climatizaci�n, se propone la implementaci�n de un sistema de aislamiento t�rmico conformado por 31 paneles de poliuretano con un espesor de 2 pulgadas. Cada panel, con un �rea superficial de 2.4 m�, ser� estrat�gicamente instalado en ambas

secciones de la cubierta. Esta medida tiene como finalidad minimizar las p�rdidas de calor, optimizar el desempe�o energ�tico del sistema y garantizar un mayor confort t�rmico en el interior de la vivienda.

En las Figuras 7, 8, 9, 10, 11 y 12 con los resultados de cada estado del sistema de absorci�n.

 

Figura 7. Estados del sistema vs temperatura

Nota: Muestra los resultados de temperatura en cada estado del sistema de absorci�n

 

Figura 8. Estados del sistema vs presi�n

Nota: Muestra los resultados de presi�n en cada estado del sistema de absorci�n

 

Figura 9. Estados del sistema vs flujo m�sico

Nota: Muestra los resultados de flujo m�sico en cada estado del sistema de absorci�n

 

 

 

Figura 10. Estados del sistema vs flujo volum�trico

 

Figura 11. Estados del sistema vs entalp�a

 

 

 

 

 

Figura 12. Estados del sistema vs entrop�a

 

Conclusiones

El sistema solar t�rmico mostr� ventajas significativas frente a sistemas tradicionales, especialmente en t�rminos de sostenibilidad y reducci�n de huella de carbono. Sin embargo, persisten desaf�os relacionados con la estabilidad de la operaci�n en condiciones clim�ticas variables.

La eficiencia del sistema est� directamente relacionada con la disponibilidad de radiaci�n solar, lo que puede afectar su rendimiento en d�as nublados o lluviosos.

Es necesario continuar con estudios que eval�en el comportamiento del sistema en diferentes condiciones clim�ticas y optimizar la integraci�n de tecnolog�as de almacenamiento t�rmico para garantizar un suministro constante de refrigeraci�n. El sistema de refrigeraci�n solar t�rmico representa una herramienta clave para la transici�n hacia una matriz energ�tica m�s limpia y eficiente.

 

Referencias

1.      Amirov-Belova, D. (2022). Transici�n Energ�tica Alemana ��Camino verde�? : An�lisis en t�rminos sustitutivos de energ�a, de coste privado, y de emisiones carb�nicas. ANDULI. Revista Andaluza De Ciencias Sociales, (21), 1�28. https://doi.org/10.12795/anduli.2022.i21.01

2.      Camacho Benalc�zar, A. B. (2022). Simulaci�n dinamica y comparaci�n de dos sistemas de refrigeracion-absorci�n amoniaco/agua y agua/bromuro de litio [Tesis de pregrado, ESPOCH]. Archivo digital. http://dspace.espoch.edu.ec/handle/123456789/16934

3.      De La Hoz, J., Guerrero, B., & Bele�o, K. (2021). Dispositivo de Monitoreo de Consumo para el Ahorro de Energ�a en el Hogar. CESTA, 2(1), 1-18. https://doi.org/10.17981/cesta.02.01.2021.01

4.      Garc�a, S. Q., Izquierdo, M. A. E., Mora, H. S., & Labarrios, M. A. P. (2024). Refrescando el hogar: t�cnicas pasivas para un ambiente fresco. Revista Digital Universitaria, 25(3). https://revista.unam.mx/ojs/index.php/rdu/article/view/2616

5.      Jover, L. N. (2023). � Es el mundo un �gran interior�? Interiores espec�ficamente dise�ados, espacios geogr�ficamente desplazados. Constelaciones. Revista de Arquitectura de la Universidad CEU San Pablo, (11), 161-171. https://doi.org/10.31921/constelaciones.n11a9

6.      Osornio-C�rdenas, J. I., Dom�nguez-Barreto, O., Miranda-Hern�ndez, A., Reyes-Sandoval, F. A., & Vargas-Rosas, E. M. (2022). Energ�a Solar T�rmica. TEPEXI Bolet�n Cient�fico De La Escuela Superior Tepeji Del R�o, 9(18), 41-43. https://doi.org/10.29057/estr.v9i18.8879

7.      P�rez-Garc�a, V., & M�ndez-M�ndez, D. (2024). Calentamiento global y refrigerantes: realidad y futuro. CIENCIA ergo-sum, 32. https://doi.org/10.30878/ces.v32n0a30

8.      Pocasangre, C., & Gonzalez, M. (2021). Medidor de relaci�n de eficiencia energ�tica de bajo costo para aires acondicionados de ventana y unidades separadas. Revista Minerva, 4(2), 102-123. https://doi.org/10.5377/revminerva.v4i2.12401

9.      Torres-Moscoso, D. F., Cordero-Moreno, D. G., Tonon-Ord��ez, L. B., & Fern�ndez-Palomeque, E. E. (2022). An�lisis Financiero para la Implementaci�n de un Bus El�ctrico Urbano en la Ciudad de Cuenca. Econom�a Y Negocios, 13(1), 133�149. https://doi.org/10.29019/eyn.v13i1.939

10.  Tovar Montece, A. M., & Pazu�a Naranjo, W. P. (2023). An�lisis de generaci�n en sistemas de energ�a h�bridos usando el biog�s para suministro el�ctrico. Tesla Revista Cient�fica, 3(2), e285. https://doi.org/10.55204/trc.v3i2.e285

11.  Vargas, M. D. M. (2024). Expansi�n del consumo dom�stico de bienes industriales en Costa Rica entre 1953-1984: Diffusion of industrial goods domestic consumption in Costa Rica between 1953-1984. Di�logos. Revista Electr�nica de Historia, 25(1), 1-25. https://doi.org/10.15517/dre.v25i1.55347

12.  Zacar�as, A., San Germ�n, D. R., Flores, A. I. G., Garc�a, E. E. B., Fuentes, J. G. S., Romage, G., ... & Bernal, M. D. C. V. (2024, October). Modelaci�n y simulaci�n de un refrigerador solar para medicamentos mediante refrigeraci�n por absorci�n. In Avances en Ciencias y T�cnicas del Fr�o-12. Actas del XII Congreso Ib�rico y X Congreso Iberoamericano de Ciencias y T�cnicas del Fr�o CYTEF 2024. https://doi.org/10.21134/hpy1ch59

13.  Zhovkva, O. (2020). Los principios de eficiencia energ�tica y respeto al medio ambiente para complejos multifuncionales. Revista ingenier�a de construcci�n, 35(3), 308-320. http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732020000300308

 

 

 

 

 

 

 

 

� 2025 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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