Segunda y tercera entrega (1)

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Facultad de Ingenierías
Ingeniería Mecánica
	
ANÁLISIS DE UN DISTRITO TÉRMICO EXTRAMURAL, PARA ENFRIAMIENTO DE LAS EMPRESAS (ÉXITO NORTE, CLINICA IMAT, MEDICINA INTEGRAL) EN LA CIUDAD DE MONTERÍA, CÓRDOBA ALIMENTADO POR ENERGÍA RENOVABLE.
Camilo Solipá1, Camilo Medrano2, Fernando Solar3, Juan Otero4.
(1) Estudiante de Ingeniería Mecánica, Universidad de Córdoba. Montería, Colombia Programa de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingenierías – Universidad de Córdoba. csolipaespitia@correo.unicordoba.edu.co
(2) Estudiante de Ingeniería Mecánica, Universidad de Córdoba. Montería, Colombia Programa de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingenierías – Universidad de Córdoba. cmedranopatron48@correo.unicordoba.edu.co 
(3) Estudiante de Ingeniería Mecánica, Universidad de Córdoba. Montería, Colombia Programa de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingenierías – Universidad de Córdoba. fsolardoria@correo.unicordoba.edu.co
(4) Estudiante de Ingeniería Mecánica, Universidad de Córdoba. Montería, Colombia Programa de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingenierías – Universidad de Córdoba. Joterojimenez@correo.unicordoba.edu.co
RESUMEN
El siguiente articulo tuvo como finalidad analizar una alternativa implementando un distrito térmico alimentado por energía renovable (Energía Solar) a las empresas Éxito norte, Clínica Imat, Medicina integral, buscando así optimizar la eficiencia energética, y lograr una gran reducción de emisiones de sustancias contaminantes a la capa de ozono, además de reducir costos. Pues se sabe que en montería los sistemas de enfriamiento en edificios además de funcionar con sustancias dañinas para la capa de ozono son muy ineficientes energéticamente comparados con los distritos térmicos, por lo tanto, Lo convierten en un modelo inadecuado para alcanzar las metas de la estrategia y los planes de desarrollo bajo en carbono de Colombia para el uso razonable y eficiente de la energía. (CONPES 4075 de 2022 – Política de transición energética - Asociación Colombiana de Minería, s. f., 2021)
El ciclo que va a alimentar el distrito térmico es un ciclo de refrigeración por absorción, el cual va a ser
PALABRAS CLAVES
Paneles Solares, Distrito Térmico, Energía renovable, Refrigeración.
LISTA DE SIMBOLOS (SI APLICA)
Incluir lista de símbolos matemáticos, variables, acrónimos y siglas.
COSTOS DE OP: MANTENIMIENTO, RENTABILIDAD, COSTO-EFICIENCIA, EVALUACION FINANCIERA, EVALUACION ECONOMICA.
INTRODUCCIÓN
La ingeniería y urbanización son dos conceptos diferentes que buscan en el diario vivir mejorar la calidad de vida de una población, logrando satisfacer sus necesidades de forma práctica generando una mayor esperanza de vida, reduciendo incluso cualquier tipo de contaminación donde se implemente, cambiando el concepto que se tenía de urbanización pues hoy en día no sólo se busca la construcción de nuevas vías y/o la construcción de edificios, sino también el desarrollo sostenible de energías limpias para un mayor progreso urbano. (Salcedo, 2018). 
Por ello, los distritos térmicos juegan un papel fundamental ya que son centrales térmicas capaces de abastecer, ya sea de refrigeración o calefacción a varias edificaciones en un espacio determinado (Distritos térmicos de Colombia, 2022). Las principales ventajas que nos puede ofrecer un distrito térmico son, la optimización de la eficiencia energética, una gran reducción de emisiones de sustancias contaminantes a la capa de ozono, además de reducir costos. (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, Colombia, 2020). 
Desde un punto de vista económico, el establecimiento de un distrito térmico puede suponer un ahorro para la sociedad, debido al propio diseño del sistema, puesto que un distrito térmico se encarga de distribuir calefacción o refrigeración a través de tuberías de agua fría y caliente lo cual representa una importante reducción en el consumo de energía, ya que no depende del uso de cada usuario de manera independiente, sino que es responsable de un sistema centralizado que, a través de su programación, busca ejecutar procesos eficientes. (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, Colombia, 2020). La implementación de distritos térmicos es un camino para una planeación urbana sostenible, dentro de la cual se incluye todo tipo de edificaciones como las urbanas, las industriales o empresariales, las gubernamentales y las de servicios básicos, públicos, etc. (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, Colombia, 2020). 
Montería, ubicada en el departamento de Córdoba en la zona caribe de Colombia, es una de las ciudades de la región caribe en donde el clima es cálido tropical con una estación de sequía y una de lluvias a lo largo del año, con temperatura promedio anual de entre 27 °C y 40 °C, temperaturas factibles para crear distintos distritos térmicos alimentados por paneles solares, logrando así un gran rendimiento energético al generar energías renovables limpias de máxima calidad en buena cantidad. (Alcaldía de Montería, 2018).
MATERIALES Y MÉTODOS
Para llevar a cabo esta metodología de diseño se espera cumplir con los requerimientos planteados en los objetivos a desarrollar y se ponga en funcionamiento el distrito térmico, con estos requerimientos se deban priorizar las zonas con mayor potencial para el desarrollo del distrito térmico que pueda abastecer diversos tipos de edificios con un alto nivel de consumo energético, el distrito térmico debe de prestar dichos beneficios a un bajo costo y con alta calidad de servicio.
Se debe de tener en cuenta las nuevas tecnologías aplicadas en pro del cuidado del medio ambiente por eso se toma la iniciativa de tener como fuente de alimentación una fuente renovable que no contamine mucho, se escogió como fuente renovable la energía solar así aprovechando esta gran fuente que se presta muy bien por la ubicación de la ciudad donde el sol es constante donde se tiene planeado la construcción del distrito térmico, todo esto se construirá teniendo en cuenta el gasto energético de los usuarios que dispondrán del servicio para ver qué capacidad de energía se tendrá que producir, para todo este proceso se debe implementar un estudio de viabilidad del proyecto, estudiar como afectara a la sociedad, como también afecta al medio ambiente, también se debe estudiar la forma de distribución entre otras cosas para poder construir un buen distrito térmico.
0. Ubicación
Para la propuesta del distrito térmico se ha seleccionado una ciudad con mucho potencial para los distritos térmicos (Montería, Córdoba – Colombia).
Montería genera altas demandas de climatización urbana, ideal para desarrollar distritos térmicos, con potencial para conectar industriad, hoteles, centros de educación, centros comerciales, etc.
En particular para esta investigación se han seleccionado 3 clientes potenciales de la ciudad, los cuales son:
· Éxito, Norte. (Cra. 6A #62 - 21, Montería, Córdoba).
· Clínica Imat. (Ubicada en la Cra. 6 #72-34, Montería, Córdoba).
· Medicina integral. (Cl. 44 #14e2, Montería, Córdoba).
0. Caracterización de clientes potenciales.
-	Éxito, Norte. (Cra. 6A #62 - 21, Montería, Córdoba).
Área1 = 2.188,64 m2 (Medición realizada con google earth)
Figura 3 ÁREA - EXITO NÓRTE 
Tomada de: Google Earth, 2022
-	Clínica Imat. (Ubicada en la Cra. 6 #72-34, Montería, Córdoba).
Área2 = 1.465,08 m2 (Medición realizada con google earth)
Figura 4 AREA - CLINICA IMAT
Tomada de: Google Earth, 2022
-	Medicina integral. (Cl. 44 #14e2, Montería, Córdoba).
Área3 = 1.664,63 m2 (Medición realizada con google earth)
Figura 5 AREA – MEDICINA INTEGRAL
Tomada de: Google Earth, 2022
- Longitud del recorrido de Distrito Térmico: 
Figura 6 Longitud – Recorrido del distrito térmico.
Tomada de: Google maps, 2022.
La longitud total del recorrido del distrito térmico es de 3,06 km aproximadamente.
2. Bases de ingeniería
La refrigeración por absorción es un método de refrigeración que utiliza las propiedades de algunas sustancias para absorber otra sustancia en fase de vapor. (Conforempresarial, 2022) La nueva solución resultante permitealcanzar altas presiones sin el uso de un compresor agregando calor de una fuente externa o usando una bomba eléctrica. (Conforempresarial, 2022)
La refrigeración por absorción es útil para producir agua enfriada utilizando enfriadores de absorción y representa una ventaja para las aplicaciones de aire acondicionado de centros comerciales donde hay una fuente de calor, por ejemplo, de una etapa de generación de energía. (Conforempresarial, 2022)
Este proceso se realiza con un circuito de refrigeración convencional que incluye un separador que separa la sustancia de trabajo. (Conforempresarial, 2022)
Imagen 1 Chiller de absorción 
Figura 7 Chillers de absorción de una etapa de generación.
CARACTERÍSTICAS:
· Usan vapor a baja presión (20 psi o menos). 
· Las fuentes de vapor de baja presión (por ejemplo, 14 psi) normalmente requieren de 18 a 20 libras de vapor por hora para producir una tonelada de enfriadores de absorción de una sola etapa. 
· Estos dispositivos suelen tener un COP de 0,7. 
· Los enfriadores de absorción de una sola etapa pueden funcionar con agua caliente (200-240 °F).
· A menudo se utiliza en unidades de cogeneración CHO e motor alternativo.
· Se utiliza cuando el vapor tiene poco o costo, es decir, de lo contrario, el vapor se desperdicia de otra manera. 
· Cuando la caldera necesita funcionar por otros motivos y el usuario busca otras formas de utilizar el vapor.
Figura 8 Chillers de absorción de dos etapas de generación.
· Se utiliza cuando hay vapor a alta presión, agua caliente a alta temperatura, gas natural.
· Su capacidad es de 10 a 12 libras por hora por tonelada de combustible enfriado cuando la presión de vapor está entre 50 y 130 psig.
· La capacidad se reduce cuando la presión de vapor cae por debajo del valor nominal. Por ejemplo, la capacidad de una planta nominal de 100 toneladas se reduciría a 84 toneladas a una presión de vapor de 78,5 psig. 
· En comparación con los enfriadores de absorción de una sola etapa, los chillers de dos etapas requieren temperaturas de agua caliente (por ejemplo, 350 °F).
· Suelen utilizarse en plantas de cogeneración con turbinas de combustión.
· El vapor suministrado debe estar entre 20 y 140 psi. pulgadas.
· Cuando el gas natural, está disponible a un costo bajo en relación con el costo de la energía eléctrica.
· Es una opción, cuando las calderas deben funcionar por otras razones y el usuario está buscando otros usos al vapor.
· La eficiencia energética del proceso de absorción se puede mejorar recuperando parte del calor que normalmente se rechazaría en el circuito de la torre de refrigeración.
· La reutilización de vapor del generador de primera etapa hace que esta unidad sea más eficiente que un enfriador de absorción de una sola etapa, que suele rondar el 30 %.
· Se calientan directamente con gas natural, fueloil o gas de escape caliente de motores de combustión.
· Los enfriadores de absorción de fuego directo a menudo se pueden modificar para aceptar aire caliente o gases de escape de una turbina de gas o un motor.
Las empresas a las cuales se va a implementar el distrito térmico, disponen cada una de 1 tanque de almacenamiento de agua fría, desde donde se reparte la demanda considerada.
Los depósitos o tanques de almacenamiento estarán equipados con bloques de refrigeración o chillers paralelos formados por uno absorción de una etapa alimentado por colectores solares de tubo de vacío y dos de absorción de dos etapas alimentados por colectores cilindroparabólicos a mayor temperatura (Aproximadamente 170 °C). Para disipar el calor generado por estos sistemas, se utilizan torres de enfriamiento e intercambiadores de calor en serie, utilizando agua del río Sinú.
Imagen 2 Colector solar de tubos de vacío 
Imagen 3 Colector solar cilindroparabolico.
Dado que los enfriadores o chillers de absorción no requieren temperaturas de enfriamiento muy altas (aproximadamente 170 °C para dos etapas y aproximadamente 100 °C para una sola etapa), la elección obvia parece ser los colectores solares de techo típicos, como los que se usan comúnmente. Calentar una piscina o hacer agua caliente en casa a temperaturas relativamente bajas.
Se decide por usa colectores cilindroparabólicos pues son más económicos, y más eficientes.
3. Fuente de energía
La principal fuente de energía que se ha seleccionado para la implementación del distrito térmico es la energía solar, pues el uso del calor solar para la refrigeración de distritos ha despertado un mayor interés, ya que se espera que aumente la necesidad de refrigeración a medida que el clima se calienta, no solo en montería, sino también distintas localizaciones donde el clima sea cálido, Pues las cargas de refrigeración aumentan cada vez más con las temperaturas más altas del verano. 
4. Costos
Para hacer el estudio de los costos hicimos una breve revisión del estado del arte, con el fin de obtener información sobre otros proyectos de distritos térmicos implementados en el mundo, para así obtener unos costos aproximados, de tal manera:
· Distrito térmico de París (Francia)
	Inicio de operación
	1991
	Capacidad
	290 MW
	Inversión
	Cerca de 400 millones de euros
	Longitud de la red
	70 km
	Operador
	Climespace-Engie
	Estado
	En operación
Tabla 1 Características de un distrito térmico implementado en París, Francia.
· Distrito térmico de Ginebra (Suiza)
	Inicio de operación
	2009
	Capacidad
	16 MW (frío) 3MW (calor)
	Inversión
	Cerca de 35 millones de dólares
	Longitud de la red
	6 km
	Operador
	Servicios Industriales de Ginebra (SIG)
	Estado
	En operación
Tabla 2 Características de un distrito térmico implementado en Ginebra, Suiza.
· Distrito térmico de Lisboa (Portugal)
	Inicio de operación
	1998
	Capacidad
	80 MW
	Inversión
	Desconocida
	Longitud de la red
	21 km
	Operador
	Climaespaço
	Estado
	En operación
Tabla 3 Características de un distrito térmico implementado en Lisboa, Portugal.
Figura 9 Potencial de refrigeración en las principales ciudades de colombia.
Como observamos es viable un distrito térmico en la ciudad de montería, contando que nuestro proyecto se basa en energías renovables que es el modelo que más le favorece a Colombia.
Ahora para el costo 
Habiendo dado unos costos de distritos térmicos extranjeros y de resaltas la viabilidad de implementar un distrito térmico en la ciudad de montería Córdoba, colombia.
Ahora como necesitamos una potencia mucho más pequeña que dichos proyectos dividimos la potencia de estos proyectos por la nuestra y el resultado se lo dividimos a su inversión y tendríamos un estimado de nuestra inversión 
	Inicio de operación
	2022
	Capacidad
	15 kW
	Inversión
	2 millones de euros
	Longitud de la red
	3,06 km
	Operador
	desconocido
	Estado
	En proceso 
Tabla 3 Características de un distrito térmico implementado en Montería, Córdoba.
· Evaluación de cargas térmicas
Figura 10 Temperatura media en monteria.
Fuente: http://bart.ideam.gov.co/cliciu/monter/temperatura.htm (IDEAM)
Figura 11 Humedad relativa media en montería.
Fuente: http://bart.ideam.gov.co/cliciu/monter/temperatura.htm (IDEAM)
Para las condiciones de diseño y evaluación de cargas térmicas se analizaron considerando la temperatura máxima en la ciudad de montería en los últimos meses.
	
	Valor
	T [°C]
	37,5 
	Humedad relativa %
	87 %
	V [Km/h]
	5,55
Tabla 4 Condiciones de diseño ambientales.
Ahora vamos a analizar las condiciones externas e internas de los espacios que se van a refrigerar.
	FUERA DEL ESPACIO
	MAX
	Valor
	T [°C]
	37,5
	Humedad relativa %
	85 %
Tabla 5 Condiciones de diseño (max) afuera de los espacios a refrigerar.
	MIN
	Valor
	T [°C]
	26
	Humedad relativa %
	72 %
Tabla 6 Condiciones de diseño (min) afuera de los espacios a refrigerar.
	INTERNO
	
	Valor
	Tinterna [°C]
	21
	Humedad relativa %
	60 %
Tabla 7 Condiciones de diseño (interno) de los espacios a refrigerar.
CARGAS EXTERNAS
Las cargas externas son cargas provocadas por las condiciones ambientales alrededor del espacio a acondicionar. Se indican la transferenciade carga a través de paredes y techos exteriores, la conducción a través de pisos y ventanas, y los efectos de conducción o convección de la radiación solar a través de techos, pisos y paredes.
𝑞 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ 𝐶𝐿𝑇𝐷
Donde
𝑞: Carga de enfriamiento.
𝑈: Coeficiente de transferencia de calor para tumbados y paredes. (0.87 W/mºC)
𝐴: Área de tumbado, paredes o vidrios.
𝐶𝐿𝑇𝐷: Diferencia de temperatura de enfriamiento (Se busca llevar el espacio a unos 21°C)
· Para ÉXITO NORTE: 𝑞 = (0.87 W/mºC)∗(2.188,64 m2)∗(37,5°C -21°C) = 31,40 W/m
· Para MEDICINA INTEGRAL: 𝑞 = (0.87 W/mºC)∗(1.664,63 m2)∗(37,5°C -21°C) = 23,88 W/m
· Para CLINICA IMAT: 𝑞 = (0.87 W/mºC)∗(1.465 m2)∗(37,5°C -21°C) = 21,03 W/m
CARGA DE ENFRIAMIENTO EXTERNO POR RADIACIÓN A TRAVÉS DE VIDRIOS. 
𝑞𝑟𝑎𝑑 = 𝐴 ∗ 𝑆𝐶 ∗ 𝑆𝐶𝐿 
Donde:
𝑞𝑟𝑎𝑑: Carga de enfriamiento causado por radiación solar. 
𝑆𝐶: Coeficiente de sombra. (0,87) para vidrios
𝐴: Área de vidrios. 
𝑆𝐶𝐿: Factor de carga de enfriamiento solar.
CARGAS INTERNAS
Se llaman cargas internas que son necesarias para estimar las ganancias térmicas que generan calor en el interior del espacio donde se va a climatizar. 
Carga de enfriamiento interno por persona
𝑞𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝑁∗𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒∗𝐶𝐿𝐹 
𝑞𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑁∗𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 
Donde
𝑁: Número de personas en el espacio.
𝐶𝐿𝐹: Factor de carga de enfriamiento por hora de ocupación.
Carga de enfriamiento interno debido a las iluminarias
𝑞𝑒𝑙 = 3.41∗𝑊∗𝐹𝑢∗𝐹𝑠𝑎∗𝐶𝐿𝐹
Donde
𝑊: Vatios de consumo eléctrico.
𝐹𝑢, 𝐹𝑠𝑎: Factor de uso, factor especial de fluorescencia.
𝐶𝐿𝐹: Factor de carga de enfriamiento por hora de ocupación.
𝐶𝐿𝐹: Factor de carga de enfriamiento por hora de ocupación.
Carga de enfriamiento interno debido a equipos de potencia
𝑞𝑝 = 2545 ∗ 𝑃 ∗ 𝐸𝑓 ∗ 𝐶𝐿𝐹 
Donde
𝑃: Rango de HP en los equipos electrónicos.
𝐸𝑓: Factor de eficiencia y ajuste a las circunstancias.
𝐶𝐿𝐹: Factor de carga de enfriamiento por hora de ocupación.
Carga de enfriamiento interno debido a la ventilación e infiltración de aire.
𝑞𝑡 = 4.5 ∗ 𝑄 ∗ (ℎ𝑜 − ℎ𝑖) 
Donde
𝑄: CFM de ventilación.
ℎ𝑜, ℎ𝑖: Entalpia del aire exterior e interior.
PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍAS
Asumiendo un caudal Q= 6 l/s = 0.006 m3/s
Sabiendo que Q = A*V
Entonces 
V = Q/A = (0.006 m3/s) /((0.0127m)2)π) = 11.84 m/s
Re = (V*D)/µ = ((11.84 m/s)(0.0127m))/(0.804*10-6 m2/s) = 1.8(105)
Ahora entramos al diagrama de moody 
Figura 12 Diagrama de moody.
Entonces 
Factor de fricción = 0.018
- Ahora para las perdidas mayores:
L= 3060m 
Luego
Hf = f** =(0.018)()( 
Hf = 2617,2 
(Las cuales son las pérdidas de presión del fluido debido a la fricción entre las partículas del fluido y la pared del conductor, así como debido a obstáculos en el conductor.)
· Perdidas menores.
Hf = 
Para K
Unión (k = 0.13)
Codo 90º (k = 1.5)
Cantidad de codos = 8
Cantidad de uniones = 1020
Ahora
K = (8(1.5) + 1020(0.13)) 
K = 144.6
Ahora
Hf = = 
Hfmenores = 1030.17m
Para las pérdidas totales
Hftotal = Hf + Hfmenores
Hftotal = 30988.076m + 1030.17m 
Hftotal = 32018.246m
ANÁLISIS ECONOMICO
En el análisis económico se debe tener en cuenta
- Se tiene en cuenta el 25% del costo suministros de equipos como costos de instalación del distrito de térmico.
- Los costos de inversión del proyecto serán considerados como costos fijos.
- la instalación de la red de tuberías no se consideran al invertir en el proyecto.
- La tarifa eléctrica promedio de la ciudad de MONTERIA es de 120 kwh.
- Esto se considera una operación continua 24/7a la semana, 4 semanas al mes y 12 meses al año.
- Los costos anuales de mantenimiento se basan en el mantenimiento preventivo programado.
	ITEM
	CANTIDAD
	PRECIO UNITARIO
	PRECIO TOTAL
	Chiller de absorción 1 etapa
(Potencia de enfriamiento 350 - 4.650 kW) - (Enfriadoras por absorción de BrLi una etapa: fuente de calor por agua caliente)
	1
	95,472,000 COP
	95,472,000 COP
	Chiller de absorción 2 etapas.
(Potencias de enfriamiento: 290 - 11.630 kW.) - Enfriadoras por absorción de BrLi de doble efecto: fuente de calor por vapor
	2
	119,340,000.00 COP
	238.680.000
	Colectores fotovoltaicos parabólicos
	N 
	8,600,000 COP
Valor tomado de referencia de la página (shorturl.at/pqwy1), La cual ofrece colectores solares al precio especificado a partir de la compra > o = 60 unidades.
	X
	TUBERIA Sconduit sch40 1/2 x 3m. (PVC)
	3060 m.
	4,033 COP (Por METRO)
	12.340.980 COP
	CODOS DE TUBERIA
	8
	1,515 COP
	12000 COP
Referencias:
· Conforempresarial (2022) Inicia Hoy!! Tu Curso Refrigeración Absorción Para Especialistas, ConforempresariaL. Available at: https://www.conforempresarial.com/curso-refrigeracion-absorcion/ (Accessed: December 3, 2022).
· (Guía metodológica – Distrito térmico) (2022) https://www.distritoenergetico.com/wp-content/uploads/2020/11/Guiìa-metodoloìgica-VF_2020.pdf
· 
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