Bayside Park Farm/Solar hot water/es

Nuestro proyecto consistía en reconstruir el calentador de agua solar de Bayside Park Farm ^{[ 1 ]} , que se desmontó durante la construcción de la nueva estación de lavado de platos y verduras. Comenzamos nuestro proyecto evaluando cómo queríamos volver a configurar el sistema, cómo queríamos mejorarlo e investigando el sistema. Una vez que supimos lo que queríamos y comprendimos completamente el calentador, comenzamos la construcción y la completamos por pasos. El paso 1 fue reparar la plomería rota del fregadero. El paso 2 fue construir un soporte para el colector solar. El paso 3 fue completar la plomería de entrada y salida solar. El paso 4 fue conectar el calentador al fregadero para la entrada de agua fría y la salida de agua caliente. El paso 5 fue conseguir que los viejos paneles solares instaláramos la bomba del calentador de agua. A lo largo de todo el proyecto, estuvimos probando el sistema y buscando las formas más sencillas y económicas de completarlo. También intentamos proporcionar a la granja materiales educativos sobre el sistema, así como orientación para el mantenimiento.

Nuestro equipo de Tecnología Apropiada de Engr305 ( Trevor , John y Annika ) decidió ayudar a la granja a reconstruir su calentador solar de agua para el fregadero exterior y la estación de lavado de verduras. Lo desmontaron y nunca lo reconstruimos; determinamos qué piezas funcionaban correctamente e intentamos mejorar el sistema en la medida de lo posible.

Enunciado del problema

El objetivo de este proyecto es volver a ensamblar el calentador de agua solar de Bayside Park Farm y conectarlo al fregadero en la nueva estación de lavado de manera que sea fácil de mantener y sea eficaz para las necesidades de la granja.

Criterios

Los siguientes criterios se basan en una escala del 1 al 5, siendo 5 el más crucial y 1 el menos.

Revisión de la literatura

Esta es una revisión de la literatura disponible pertinente al calentador de agua solar en Bayside Park Farm .

caliente solar

Los colectores solares para calentar agua captan y retienen el calor del sol y lo transfieren a un líquido. El calor solar térmico se atrapa mediante el "efecto invernadero", que consiste en la capacidad de una superficie reflectante para transmitir la radiación de onda corta y reflejar la radiación de onda larga. El calor y la radiación infrarroja (IR) se producen cuando la radiación de onda corta incide en el absorbedor de un colector, que queda atrapado en su interior. El fluido, generalmente agua, en contacto con el absorbedor recoge el calor atrapado para transferirlo al almacenamiento. ^{[ 2 ]} El núcleo de un calentador solar de agua es un colector solar y un tanque de almacenamiento. Un colector solar es básicamente una caja acristalada y aislada con un interior oscuro y, generalmente, un conjunto de tubos o conductos para el flujo de agua. El colector solar convierte la radiación solar en calor. El tanque de almacenamiento se encarga de almacenar el agua. ^{[ 3 ]}

Preocupaciones sobre el agua caliente solar

Existen algunas preocupaciones con el uso de agua caliente solar, la principal es que no siempre se garantiza. El sol calienta todo el agua, así que sin ella no se calienta. Los días nublados pueden producir agua tibia, pero no caliente. Además, a primera hora de la mañana el agua no estará caliente; el tanque podría haber retenido algo de calor del día anterior, pero no caliente. El agua caliente solar alcanzó su auge en la década de 1980, pero con la bajada del costo de la energía, la gente optó por el calentador de agua tradicional. Este calentador aún no se ha recuperado mucho, pero se están fabricando sistemas de muy alta calidad. Un problema es que los sistemas que vale la pena tener no son baratos, sino caros, y requieren personal cualificado para su instalación. Cuestan más que un calentador de agua tradicional y la inversión inicial es difícil de afrontar. Con la combinación de eficiencia y un costo de energía relativamente bajo, el mercado del agua caliente solar en Estados Unidos no es tan grande como podría ser. ^{[ 4 ]}

de agua

Todos los calentadores solares de agua utilizan colectores, que son los componentes del sistema similares a paneles que se calientan con el sol, y tanques de almacenamiento, que almacenan el agua para uso doméstico. Los calentadores solares de agua tienen estos componentes básicos, pero por lo demás se dividen en activos y pasivos. Los sistemas activos utilizan bombas de circulación, mientras que los pasivos no. ^{[ 5 ]} Los sistemas también pueden ser de circuito cerrado o abierto. Los sistemas de circuito cerrado hacen circular continuamente un fluido aislado... del cual se extrae calor mediante un intercambiador de calor, mientras que los sistemas de circuito abierto hacen circular la misma agua que saldría del grifo a través del colector. ^{[ 6 ]} Los sistemas de circuito abierto solo deben utilizarse en climas cálidos, debido al riesgo de que el agua se congele en el colector. ^{[ 7 ]} Sin embargo, los colectores también pueden instalarse dentro de la casa para evitar la congelación, mientras que en climas cálidos los colectores solares pueden colocarse en el tejado. ^{[ 8 ]}

Tipo 1:

Hay dos tipos de calentadores de agua solares activos:

• Sistema de circulación directa
  • Las bombas hacen circular el agua directamente a través del colector para calentarla y luego la transfieren a la casa/grifo. Esto se considera un sistema de circuito abierto.
• Sistema de circulación indirecta
  • Las bombas hacen circular un fluido de transferencia de calor a través del colector para su calentamiento. Este puede ser una variedad de fluidos, como agua, refrigerantes, siliconas e incluso aire. Tras calentarse con la luz solar, el fluido se transporta al tanque de almacenamiento para calentar el agua potable. El fluido de transferencia realiza este proceso a través de un intercambiador de calor, normalmente de cobre u otro buen conductor. Dentro del intercambiador, el fluido de transferencia de calor pasa por el agua potable para transferir energía térmica. Esto se logra mediante diversos métodos: un serpentín que atraviesa el tanque de almacenamiento de agua y diseños de carcasa en tubo/tubo en tubo. Los diseños de carcasa/tubo en tubo hacen circular el fluido de transferencia y el agua potable por tuberías, de modo que estén en contacto térmico. Este es un sistema de circuito cerrado. ^{[ 5 ]}

Tipo 2:

Los calentadores de agua solares pasivos no utilizan bombas y, por lo tanto, son más económicos, pero posiblemente menos eficientes. Existen dos tipos de calentadores de agua solares pasivos:

• Sistema pasivo de almacenamiento-colector integral
  • También conocido como sistema por lotes, el sistema integral de colector-almacenamiento hace que el agua doméstica fluya directamente a través del colector hasta un tanque de almacenamiento. Este sistema se suele usar junto con un calentador de agua de gas o eléctrico y puede ser necesario vaciarlo y dejarlo fuera de servicio durante los meses fríos de invierno. Se trata de un sistema de circuito abierto. ^{[ 6 ]}
• Sistema de termosifón
  • El colector se ubica debajo del tanque de almacenamiento de agua. El agua del colector se calienta y fluye naturalmente hacia el tanque. Desde allí, el agua fría se vierte para rellenar el colector. Este es un sistema de circuito abierto. ^{[ 5 ]}

Construcción

Paso 1

Al iniciar el proyecto, nos informaron que la tubería de PVC que llevaba agua fría al fregadero se había roto durante una helada invernal. Necesitábamos repararla primero para que a) la granja pudiera volver a usar el fregadero y b) pudiéramos instalar una tubería de PVC hasta el calentador para la entrada de agua fría.

Empezamos cortando la tubería hasta donde estaba agrietada. Tras una inspección más detallada, nos dimos cuenta de que la rotura no se debía solo al frío, sino también a que la tubería estaba colocada de forma torcida y sometida a mucha presión. Intentamos mejorar la plomería instalando la nueva tubería de PVC para que quedara correctamente asentada. También mejoramos el sistema instalando una válvula de bola en la entrada de agua fría del calentador. Esto era para que, si alguna vez había algo que reparar en el calentador de agua, los agricultores pudieran cerrar el suministro de agua, pero seguir usando agua fría del fregadero.

A medida que avanzábamos, descubrimos cómo debían ir las tuberías de PVC y usamos cuerdas de madera para mantener las tuberías en su lugar, ya que eran gratis y estaban disponibles.

Paso 2

El siguiente paso de nuestro proyecto fue colocar el calentador donde queríamos y el colector sobre él. Queríamos que el colector estuviera sobre el calentador para minimizar el espacio que ocuparía el sistema y la cantidad de tuberías necesarias. También decidimos apuntalar la parte superior del colector sobre el techo de la estación de lavado de verduras para ocupar menos espacio y utilizar menos madera.

Juntos, los tres diseñamos el estante y determinamos la altura de cada pieza. Nos inspiramos en la construcción del estante anterior y partimos de ahí. Sabíamos que queríamos que el colector estuviera en un ángulo de aproximadamente treinta grados para obtener la máxima exposición al sol durante el día. Tuvimos esto en cuenta durante la construcción.

Primero cavamos dos agujeros de 60 cm de profundidad para los postes de 10 x 10 cm que sostendrían la base del bastidor. Usamos postes de 1,8 m de 1,8 m para que 60 cm quedaran bajo tierra y 1,2 m sobre el suelo. Colocamos los postes en el suelo con hormigón. Una vez fraguado el hormigón, colocamos un poste de 5 x 10 cm a través de los dos postes para sostener el bastidor y darle soporte. Perforamos dos postes de 5 x 10 cm más cortos para fijar el colector en su posición exacta. Luego, perforamos la parte superior del muro exterior para colocar un soporte de madera, ligeramente elevado sobre el techo. Una vez completados todos estos componentes, colocamos el colector y comprobamos su robustez.

Los materiales utilizados fueron donados por Almquist Lumber Company. Usamos madera tratada a presión para que el estante durara más tiempo en exteriores y lo pintamos del mismo color que la estación de lavado de verduras. La pintura también fue necesaria como medida de precaución para sellar el cobre con el que se trató la madera. También usamos tornillos para terraza de tres pulgadas de largo donados por Almquist.

Paso 3

Una vez que colocamos el calentador solar de agua en un ángulo de 30 grados y lo montamos de forma segura, comenzamos a conectar los componentes con tuberías de cobre. Nos quedaba cobre de la instalación anterior para conectar el colector solar al tanque de almacenamiento; sin embargo, los ángulos de soldadura no eran suficientes. Afortunadamente, pudimos calentar las juntas con un soplete de propano y separarlas, lo que nos permitió aprovechar el valioso cobre. Usamos las tuberías de cobre de ¾" existentes y compramos tuberías y juntas adicionales para crear el circuito de agua desde el tanque hasta el colector de almacenamiento, utilizando soldadura sin plomo. Una vez completado el circuito, llenamos el tanque de agua y pudimos probar la bomba conectándola a una batería. Comenzamos a hacer circular agua por el colector, calentando el tanque de almacenamiento.

Paso 4

Nuestro siguiente paso fue conectar la entrada de agua fría al tanque y, desde este, al fregadero. Perforamos un pequeño orificio en la pared y usamos tubería de acero trenzado para conectar el agua presurizada desde la tubería de PVC al intercambiador de calor del tanque. Esto implicó más soldadura para crear las conexiones adecuadas entre el cobre y el acero trenzado. A partir de ahí, pudimos completar el circuito presurizado del intercambiador de calor conectándolo de nuevo al lado de agua caliente del grifo del fregadero. Para ello, tuvimos que reducir la tubería de cobre de ¾" a ½".

Paso 5

Los paneles fotovoltaicos de la granja son muy antiguos, pero funcionan bien para esta operación. Están conectados a una batería de 12 voltios, que se mantiene cargada porque la bomba no funciona constantemente. El sistema cuenta con un controlador solar Eagle D2. Este controlador utiliza termistores para leer las temperaturas del agua en el tanque y en el colector solar. Luego, utiliza la diferencia de temperatura y las lecturas máximas y mínimas para determinar el tiempo de funcionamiento. La bomba se enciende siempre que puede calentar el agua del tanque. Conectamos los termistores y la bomba del controlador al calentador de agua. Para el agua del tanque, conectamos el termistor a la tubería del intercambiador de calor justo donde sale del tanque. Para el colector solar, conectamos el termistor a la tubería de cobre justo a la salida del panel. A partir de ahí, solo tuvimos que revisarlo y asegurarnos de que funcionara correctamente. Al día siguiente de terminar, la temperatura máxima en Arcata superó los 80 grados, y el agua del tanque llegó a 110 grados al final del día. Durante las siguientes semanas, la temperatura del agua del tanque fluctuaba entre 88 y 105 grados, alcanzando temperaturas altas en días soleados y tranquilos, y nunca bajando de 85 grados en días nublados. El agua se mantiene caliente gracias a su gran masa térmica, a que nuestro tanque es muy grande y cuenta con un buen aislamiento, y a que la temperatura exterior rara vez baja de los 50 grados.

• 
  Fijación de PVC
• 
  PVC roto
• 
  Producto terminado
• 
  Entrada y salida del colector
• 
  ¡Genial!
• 
  Fijación de tuberías

Costos

A continuación se detallan las piezas necesarias para completar el calentador solar de agua, junto con sus costos. Recibimos todas las piezas localmente y algunas fueron donadas.

de la línea de tiempo

Este proyecto se realizó en la primavera de 2014.

Operación

El sistema debería funcionar automáticamente. Si no se inicia y se detiene automáticamente, consulte la tabla de solución de problemas a continuación.

Mantenimiento

Este sistema requiere muy poco mantenimiento. El mantenimiento necesario implica mantener el colector y los paneles solares a pleno sol (podando cualquier árbol o planta que pueda estorbar) y reemplazar cualquier pieza (tubería de PVC, batería, etc.) que pueda romperse en el futuro. No prevemos que sea necesario reemplazar ninguna pieza en un futuro próximo y creemos que nuestro proyecto se mantendrá en pie durante bastante tiempo.

Conclusión

Resultados de las pruebas

Después de configurar el sistema, realizamos varias pruebas para asegurarnos de que el calentador funcionara bien.

Fuimos a la granja varias veces durante la semana posterior a la finalización para revisar los termómetros del tanque y asegurarnos de que el agua alcanzara una temperatura lo suficientemente alta. También comprobamos que la bomba arrancara y se detuviera en los momentos correctos. Esto se logró modificando la diferencia de temperatura en el control solar y asegurándonos de que la bomba arrancara cuando la temperatura del colector superara en 8 grados o más la del tanque. Cuando la diferencia de temperatura era inferior a 8 grados, la bomba se apagaba de nuevo.

Descubrimos que el agua solía estar a unos 32-38 °C todos los días, incluso si estaba parcialmente turbia. Por lo tanto, la prueba fue exitosa. La prueba de control de temperatura también tuvo éxito. La bomba se encendió y se detuvo automáticamente según la temperatura.

Discusión

Tras las pruebas, nos sorprendió que el agua se mantuviera entre 32 y 38 grados Celsius incluso en días nublados. El calentador de agua parecía tener una masa térmica mayor de la que esperábamos y proporcionó agua caliente durante más tiempo del esperado (podía funcionar durante unos 10 minutos o más antes de bajar la temperatura).

Al principio, el control de temperatura de la bomba fue complicado de entender. No estábamos seguros de si la bomba arrancaba cuando la temperatura del colector era superior a la del tanque, y tuvimos que crear escenarios donde cambiábamos manualmente la temperatura del colector. También tuvimos que probar dónde estaban los mejores lugares para los termistores (piezas de cobre que miden la temperatura del agua para el control solar) en la tubería de cobre.

Lecciones aprendidas

Descubrimos que la bomba sí arrancaba cuando el colector alcanzaba una temperatura más alta. Otra lección aprendida fue que los mejores lugares para los termistores eran: en la parte superior del colector y en la tubería de cobre que sale del tanque de agua caliente antes de mezclarse con agua fría y llegar al fregadero.

Solución de problemas

ACTUALIZACIÓN DE OCTUBRE DE 2014

Tras un examen exhaustivo del sistema de plomería, la red eléctrica, los paneles calefactores, el conjunto de paneles fotovoltaicos y el depósito, determinamos que el sistema sigue funcionando perfectamente tras 6 meses de uso. La parte más desgastada parece ser el conjunto de paneles fotovoltaicos, que presenta acumulación de polvo o residuos en su superficie, así como una ligera oxidación. Una pequeña cantidad de follaje cubre una pequeña parte de algunos paneles, que podría recortarse. Parte de la cinta adhesiva que se utilizó para asegurar el aislamiento alrededor de algunas tuberías se ha secado y descascarillado, y podría reemplazarse. Los paneles calefactores, la estructura de madera, la bomba, el cableado eléctrico y las tuberías internas parecían estar en las mismas condiciones que cuando se instalaron, y no hay fugas visibles. Tras comprobar manualmente la temperatura del agua caliente, se observó que se calentaba relativamente rápido y estaba significativamente más caliente que el agua fría. Esto demuestra que el sistema puede soportar razonablemente las condiciones ambientales de Arcata y su demanda actual.

La bomba estaba funcionando cuando llegamos a examinar la instalación, y durante el período de inspección, la temperatura del agua del depósito subió varios grados, lo que indica que el sistema funcionaba y era eficaz. Algunas ideas para cambiar o actualizar el sistema incluían eliminar el sistema de intercambio de calor actual y, en su lugar, usar un depósito central calentado del que extraemos agua caliente directamente. Además, podríamos cambiar la ubicación de los termistores en nuestro circuito de detección de temperatura para que el "Controlador Solar" se utilice de forma más eficaz y eficiente.

Actualización de octubre de 2016

El sistema de agua caliente solar está actualmente fuera de servicio debido a una bomba de agua rota. La bomba dejó de funcionar en la primavera de 2016, pero Bayside está en proceso de repararla o reemplazarla. A principios de octubre de 2016, el panel solar se trasladó al otro lado del sistema de agua caliente debido al crecimiento de la higuera en su ubicación original. Bayside también planea acercar la batería a la nueva ubicación del panel solar.

Agradecimientos especiales

Gracias a Jayme y a todos en Bayside Park Farm por darnos esta oportunidad y alimentarnos. Gracias a Almquist Lumber Co. de Arcata por donar toda la madera que necesitábamos para este proyecto. Gracias a todos los que nos prestaron sus herramientas. Gracias a Norm de Six Rivers Solar por orientarnos y responder a nuestras preguntas. Gracias a todos los que nos apoyaron y apoyaron nuestro proyecto.

Proyectos relacionados

Referencias