IMPLEMENTACIÓN DE UN DISTRITO TÉRMICO PARA UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN EN EMPRESAS DE LA ZONA NORTE DE MONTERÍA

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FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECÁNICA
	
PLAN DE IMPLEMENTACIÓN DE UN DISTRITO TÉRMICO PARA UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN EN EMPRESAS DE LA ZONA NORTE DE MONTERÍA 
HERNÁN DARIO HERNÁNDEZ ESCUDERO
CAMILO ANDRÉS MEDRANO PATRÓN
FERNANDO DORIA
YAN CARLOS MORALES GERMÁN
ORIENTADOR
JUAN FERNANDO ARANGO MENESES
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
MÁQUINAS TÉRMICAS
MONTERÍA, CÓRDOBA
2022
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN	4
ABSTRACT	5
1.	INTRODUCCIÓN	6
2.	DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA	8
3.	JUSTIFICACIÓN	9
4.	OBJETIVOS	10
4.1.	OBJETIVO GENERAL	10
4.2.	OBJETIVOS ESPECÍFICOS	10
5.	ESTADO DEL ARTE	11
6.	MARCO TEÓRICO	16
6.1.	DISTRITO TÉRMICO	16
6.1.1.	Planta central	17
6.1.2.	Red de distribución	18
6.1.3.	Sistema de consumo final	18
6.2.	CHILLER	18
6.2.1.	Chiller refrigerado por agua	19
6.3.	FUENTES DE ENERGIA RENOVABLES	20
6.3.1.	Energía solar	20
6.3.2.	Free cooling con aguas subterráneas o superficiales	20
6.3.3.	Calor residual	21
6.3.4.	Residuos sólidos urbanos	22
6.3.5.	Cogeneración y Trigeneración	22
7.	METODOLOGÍA	23
7.1.	GEOLOCALIZACIÓN	23
7.2.	DISEÑO CONCEPTUAL	27
7.3.	ANALISIS DE CARGAS	29
7.4.	MÉTODO DE REFRIGERACIÓN PARA LA PLANTA CENTRAL	30
8.	RESULTADOS Y DISCUSIONES	31
8.1.	ANÁLISIS DE CARGA	31
8.2.	DISEÑO PRELIMINAR DE LA PLANTA CENTRAL	32
8.3.	SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS	33
8.3.1.	Chillers	33
8.3.2.	Bombas para sistema de distribución	35
8.3.3.	Torre de Enfriamiento	35
8.3.4.	Fan Coils	36
8.3.5.	Bombas para torre de enfriamiento	36
8.4.	ANÁLISIS ECONÓMICO Y PRESUPUESTAL	37
9.	CONLUSIONES	39
10.	BIBLIOGRAFÍA	40
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1. Componentes de un distrito térmico.	17
Figura 2. Partes del sistema chiller y funcionamiento del circuito de refrigeración.	20
Figura 3. Paneles solares para el distrito térmico del centro comercial Nuestro-Montería.	20
Figura 4. Esquema del sistema free cooling con agua subterránea y superficial	21
Figura 5. Esquema conceptual del equipo de generación de vapor a partir de calor residual.	22
Figura 6. Esquema conceptual de un sistema de cogeneración.	23
Figura 7. Imagen en relieve de Surtigas	25
Figura 8. Imagen en relieve del Centro Comercial Alamedas.	25
Figura 9. Imagen en relieve del Hotel GHL	26
Figura 10. Imagen en relieve de ubicación planta central del distrito térmico	26
Figura 11. Recorrido en la distribución del distrito térmico	27
Figura 12. Guía metodológica del diseño de un distrito térmico.	27
Figura 13. Vista en planta del esquema red de distribución del DT.	28
Figura 14. Esquema red de distribución de DT.	29
Figura 15. Diagrama esquemático de la planta central del DT.	33
RESUMEN
Este artículo describe el estudio parcial para la implementación de un distrito térmico para el hotel GHL, el centro comercial Alamedas del Sinú y la empresa prestadora del servicio del gas Surtigas, en la zona norte de la ciudad de Montería. Para la implementación del distrito térmico se evaluaron las cargas térmicas requeridas para la selección de equipos, elementos y/o herramientas que hacen parte de un distrito térmico, como lo son, Chillers de absorción, Fan Coils, Bombas y Tuberías. Se utilizarán dos chillers de absorción enfriados por agua, los cuales intercambian calor con el refrigerante seleccionado, en este caso amoniaco. El refrigerante enfriado por los chillers se entregará por medio de un sistema de bombeo a la red distribución que conecta la planta central con las edificaciones a climatizar. La demanda total de enfriamiento anual para las 3 edificaciones es de 72’130.139 kWh y la distancia del distrito térmico al hotel GHL es de aproximadamente 227.89m, hasta el centro comercial alamedas 275m y hasta las oficinas de Surtigas el recorrido total es de 668.77m. Se escogieron los equipos ideales que lograrían abastecer el distrito térmico y suplir las necesidades de las empresas involucradas, así como también un análisis financiero y presupuestal para el desarrollo del distrito térmico y la determinación de la viabilidad económica para el desarrollo de este.
PALABRAS CLAVES
Distrito térmico, red de distribución, chillers, amoniaco.
ABSTRACT
This article describes the partial study for the implementation of a thermal district for the GHL hotel, the Alamedas del Sinú shopping center and the Surtigas gas service provider, in the northern area of the city of Montería. For the implementation of the thermal district, the thermal loads required for the selection of equipment, elements and/or tools that are part of a thermal district, such as absorption chillers, fan coils, pumps and pipes, were evaluated. Two water-cooled absorption chillers will be used, which exchange heat with the selected refrigerant, in this case ammonia. The refrigerant cooled by the chillers will be delivered through a pumping system to the distribution network that connects the central plant with the buildings to be heated. The total annual cooling demand for the 3 buildings is 72'130.139 kWh and the distance from the thermal district to the GHL hotel is approximately 227,89m, to the Alamedas shopping center 275m and to the Surtigas offices the total distance is 668,77m. The ideal teams that would supply the thermal district and meet the needs of the companies involved were chosen, as well as a financial and budget analysis for the development of the thermal district and the determination of the economic viability for its development.
KEYWORDS
Thermal district, distribution network, chillers, ammonia.
1. INTRODUCCIÓN
En el marco del uso eficiente de la energía en 2013, se contó con la cooperación y desarrollo del Grupo Técnico de Ozono (UTO) y la Autoridad de Cambio Climático y Gestión de Riesgos del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, la Empresa Pública de Medellín - EPM y la Embajada de Suiza, La Secretaría de Estado de Economía (SECO) dieron inició a la primera fase del proyecto Distritos Térmicas para impulsar el desarrollo de infraestructura urbana en Colombia que ayudará a reducir el impacto ambiental y aumentar el uso de sistemas de aire acondicionado en edificios ahorradores de energía .
Actualmente, Montería es una de las cinco ciudades elegidas para la implementación de distrito térmico según la segunda fase del proyecto Distritos Térmicos en Colombia, esta selección fue gracias al éxito de los análisis técnicos, económicos y financieros que podrían generar la realización de este proyecto en la zona norte de la ciudad. La primera fase del proyecto permitió posicionare a Colombia como la primera ciudad latinoamericana en la ejecución de un distrito térmico, el cual consistía en el diseño y fabricación de una red de distribución de agua fría en la ciudad de Medellín para el funcionamiento de los sistemas de aire acondicionado de empresas ubicadas en el sector la alpujarra, motivando e incentivando a la creación de más distritos térmicos no solo en Colombia, si no en países vecinos frente al éxito logrado con este proyecto. 
“La demanda de aire acondicionado se quintuplicará para 2050, lo que significa que si seguimos utilizando equipos ineficientes para producir aire acondicionado a base de energía fósil como lo hacemos ahora, nunca lograremos nuestro objetivo de neutralidad de CO2 para 2050. Una ciudad como Montería con un clima muy cálido, tiene que aplicar innovaciones en esta área, y las zonas termales no son la única solución, pero sí importante”, afirmó, Thomas Stetter, Consultor Técnico de SECO (Caballero, 2021).
Distritos Térmicos se enmarca en el programa gestión del cambio climático para un desarrollo bajo en carbono y resiliente al clima, dentro del lineamiento de Montería emprendedora y sostenible del “Plan de Desarrollo Gobierno de la Gente” (2020-2023).
En el presente informe se presenta una de las posibles distribuciones de agua fría a tres empresas de la zona norte de la ciudad de Montería (Hotel HGL, Centro comercial alamedas, Empresas de Surtigas), que abastecerá los sistemas de climatización, basado en los lineamientos de ASHRAE.
2.DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Para la primera fase del proyecto se determinó el potencial que tiene la cuidad de montería para el desarrollo de un distrito energético en su zona norte de acuerdo con los hallazgos realizados por UNIDO-ED1 y los acuerdos del comité directivo de ED Montería. En la zona designada como Ciudad-Norte, se identifican 3 empresas potenciales para que participen en el desarrollo del distrito energético que busca generar beneficios en el consumo energético y una generación de un impacto ambiental significativo en la disminución de refrigerantes nocivos. Las empresas escogidas son, el hotel GHL, el centro comercial Alamedas y las oficinas de Surtigas. Estas empresas actualmente tienen aproximadamente un 45% del consumo energético total correspondiente a enfriamiento y climatización.
 Se necesita que se cumpla con una recolección de datos y una evaluación energética de las empresas involucradas con el fin de calcular el costo por unidad de energía de enfriamiento que produce cada una de ellas. Teniendo en cuenta la evaluación energética de las empresas involucradas, se necesita plantear alternativas de diseño en donde se implemente un sistema de distrito energético de enfriamiento que contenga y cumpla con todos los elementos necesarios para un funcionamiento eficiente, rentable y sostenible. 
Para esto, es necesario realizar un estudio en donde se defina la factibilidad técnica por parte de las empresas necesaria para poder realizar y aplicar la solución energética. Esto debe ir sustentado por cálculos y análisis ingenieriles que incluyan planos y dibujos esquemáticos, además de un análisis de costos de readaptación y conexión con remodelaciones de infraestructura que las empresas deberán realizar para que el sistema pueda cumplir con la función de estar interconectado entre sí.
3. JUSTIFICACIÓN
En la Ciudad de Montería existe una gran cantidad de empresas que aun dependen de sistemas de refrigeración independientes para abastecer sus infraestructuras y evidentemente ofrecer el servicio de refrigeración requerido. Pero lo cierto es, que esta modalidad de abastecimiento desde hace un tiempo para acá ha comenzado a considerarse un poco rústica, y se ha quedado estancada a través del sentido en que se mueve la globalización; la era tecnológica y el mundo moderno, porque no se ha visto un avance en el mejoramiento de las condiciones ambientales a las que estos dispositivos someten al entorno, conllevando a una contaminación por la emisión estable de refrigerantes nocivos y el excesivo consumo de energía que es traducido a un mayor costo para la empresa en cuestión. Esto en contraste a nuevas propuestas alternas de optimización de energía que se han venido inquiriendo y desarrollando desde antaño dado que la mayoría de nuevas propuestas sugieren la implementación de los distritos térmicos como nuevo método de refrigeración unificado en las ciudades en pro de su economía y que precisamente, sobre el papel, arroja un mejoramiento a las problemáticas mencionadas anteriormente, es decir; que en la Ciudad de Montería, concretamente en la zona norte de la ciudad, se permita a las empresas involucradas el mejoramiento de las condiciones en la que se movilizan los distintos fluidos refrigerantes para una óptima distribución buscando siempre el cumplir con los parámetros requeridos de las empresas afiliadas a dicha tecnología, de esta manera se mejorarían aspectos básicos de una empresa como lo son cumplimiento de la necesidad a través de un sistema de distribución fiable con el usuario y la empresa misma, así como también ámbito económico que podría entregar dicho sistema. Con este proyecto se pretende un avance en el desarrollo sostenible de la ciudad para que así sea implementado en la mayoría de las empresas del país siendo así un entorno amigable con el medio ambiente.
4. OBJETIVOS
4.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar un distrito térmico basado en los lineamientos de ASHRAE para la distribución de agua fría a tres empresas de la zona norte de la ciudad de Montería, que abastecerá los sistemas de climatización de acuerdo con sus necesidades.
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Evaluar la carga térmica de las empresas seleccionadas de la zona norte de Montería a partir de métodos de diferencias de temperaturas y factores de carga de enfriamiento.
2. Diseñar un sistema eficiente de distribución de agua fría entre el distrito energético hasta la ubicación de las empresas seleccionadas. 
3. Calcular la carga térmica producida por el distrito térmico para proveer a las empresas y realizar un análisis comparativo con los sistemas convencionales. 
5. ESTADO DEL ARTE
Gonzabay Rojas, W. et al. (2021) plantearon el diseño de un distrito térmico para la producción y distribución de agua fría en una urbanización ubicada en la ciudad de Guayaquil, Ecuador. Los distritos térmicos posibilitan una utilización eficiente de la energía gracias al aprovechamiento de recursos energéticos tales como: fuentes naturales geotérmicas y fuentes de energía renovable; pudiendo hacer uso de combustibles convencionales, como el gas natural, y combustibles renovables, como la biomasa o el biogás (Martin Gomez & Garcia de Vinuesa, 2014). Algunos de los beneficios del uso de este sistema centralizado se encuentra la disminución del impacto ambiental, junto con un mayor rendimiento energético. Para esto les fue necesario evaluar las cargas térmicas, pérdidas de presión y pérdidas de temperatura con el fin de evaluar y comparar los sistemas de climatización utilizados en la actualidad. Algunos de los métodos utilizados para el desarrollo del trabajo investigativo fue la diferenciación de temperatura para cargas térmicas, factores de enfriamiento y factor de carga de enfriamiento solar, análisis de ganancia de calor mediante transferencia y algunos otros especificados en la guía de distrito térmico ASHARE, esto con la finalidad de seleccionar de manera adecuada los equipos y tecnología que forman parte del distrito térmico; algunos de estos elementos son chillers de compresión enfriados por aire, fan coils, bombas, tuberías, entre otros. Dentro de las conclusiones de sus resultados se evidencia que el diseño del distrito térmico permite una reducción de costos y mantenimiento del 5%, siendo en moneda hasta un 10 USD menos que los sistemas comúnmente usados para esta función, y con respecto a la huella de carbono, reduce hasta un 83% de emisiones contaminantes de CO2 que son diariamente emitidas por refrigerantes utilizados para aires acondicionados en los sistemas de enfriamiento convencionales.
Arias, C. A. et al (2022) estudian y evalúan las soluciones de transición energéticas, dentro de ellas, la implementación de distritos térmicos, los sistemas de generación de térmica centralizada (principalmente de frío), que permiten el aprovechamiento de energías limpias y renovables no convencionales que disminuyan el impacto ambiental de los sistemas actualmente usados. El distrito térmico de la Babilla del Malecón en la ciudad de Barranquilla, Colombia, es una propuesta de proyecto de que abarca alrededor de 8 fábricas de frío independiente. De forma general realizaron una revisión de la demanda de refrigeración para la ubicación en cuestión, determinaron el agua como alternativa renovable frente al refrigerante convencional utilizado y los equipos y tecnologías usadas para este fin. Seguidamente se hizo un estudio para conocer las áreas y requerimientos energéticos. El estudio evidenció un coeficiente de desempeño global de 4.2 (incluyendo los equipos), usando 14MW de potencia solar térmica y 7 kW de biogás. Para cubrir la demanda total se logró incorporar un 20% de energías no convencionales, siendo esto una ganancia para el impacto ambiental.
El trabajo realizado por Barrera Navarro, D. et al (2020) consistió en el diseño e implementación de un sistema de climatización con aire como recurso alternativo y renovable, impulsado por el uso de energías alternativas y soluciones amigables del medio ambiente para problemáticasde gran envergadura. En este sentido, algunos de los requerimientos para el diseño de la central térmica fueron, capacidad mínima de 2 MW de energía eléctrica y de igual forma cumplir con la demanda energética generando niveles bajos de emisiones con una eficiencia neta igual o mayor al 30%. Para esto los autores hicieron una exhaustiva búsqueda bibliográficas, de equipos, tecnologías, el diseño del sistema, el análisis de costo beneficios y obtención de $/kWh, entre otras variables. De esta forma concluyeron que su diseño cumplía con los requerimientos de carga térmica y energía requeridos; uno de los resultados inesperados es que, la planta genera sobreproducción, por lo que es factible vender la energía sobrante.
Chegwin, R. et al (2021). Estudian la viabilidad del uso de tanques de almacenamiento de energía térmica (TTES) teniendo en cuenta la demanda, condiciones ambientales, y parámetros de operación. Para el estudio y evaluación de factibilidad se implementó un algoritmo que permite el cómputo de las variables involucradas de forma iterativa para determinar la capacidad instalada, factibilidad económica, rendimiento e impacto ambiental de la zona térmica. El sistema de almacenamiento de energía térmica (TES) se refiere al almacenamiento de energía (de forma sensible o latente) durante un periodo de tiempo en un medio de almacenamiento, permitiendo equilibrar el desajuste entre la demanda y el suministro de calefacción o refrigeración, compensando las diferencias en el tiempo y magnitud de la producción de calefacción o refrigeración. Los TES pueden ayudar a mejorar el rendimiento del sistema, suavizando la oferta, demanda y fluctuaciones de la temperatura del sistema, así como mejorando la confiabilidad de la fuente de calefacción y / o refrigeración (Delta Energy & Environment Ltd, 2016). Algunas de las conclusiones y discusiones evidencian que, aunque no exista una diferenciación en la tarifa de electricidad, el TTES puede ser factible, con paybacks menores de 10 años, a partir de distritos con capacidad de 7000 TR para el sector residencial en las ciudades de Barranquilla, Cali y Medellín, y a partir de 13000 TR para Bogotá, con ahorros de energía desde el 11% al 25% y ahorros por operación y mantenimiento (O&M) desde el 6% al 50% en contraste con un sistema convencional.
Martín-Gómez, A. M., & Heras García de Vinuesa, A. D. L. (2014). El presente artículo está dirigido a el desglose de la problemática a la cual se le quiere dar solución por medio de la aplicación de distritos térmicos, los cuales tienen como objetivos la climatización de fluidos por medio de procesos que son entrelazados para generar así un sistema capaz de satisfacer las necesidades de abastecimiento de las distintas unidades, siendo este una alternativa con numerosas ventajas, tales como: mejor aprovechamiento de la energía, mejora de la eficiencia, reducción del impacto ambiental y uno muy importante que es la disminución de gastos debido a que se aprovecha de manera eficiente los recursos utilizados en la generación de energía. Como ya sabemos los distritos térmicos son centrales para la generación de energía a una mayor escala, estos nos brindan la posibilidad de implementar la cogeneración la cual consiste en ubicar el sistema a una distancia cerca de donde se encuentran los consumidores logrando así aumentar la eficiencia el doble a los procesos convencionales.
J.P. Ríos-Ocampo et al. (2022). El presente documento busca implementar un método con el fin de analizar la demanda de enfriamiento el cual será llevado a cabo por medio de distritos térmicos en distintas ciudades de Colombia, entre ellas Montería. Este estudio se aplicó en 13 ciudades basándose en el clima de cada una de estas y la forma de vida comercial. Esta metodología estudia diferentes sectores como el de industria, terminales de transporte, aeropuertos, edificios públicos, educativos y hospitalarios, entre muchos otros, la forma menos compleja de la obtener la demanda de refrigeración es mediante la consideración del área construida por ciudad y la energía requerida para la refrigeración según la temperatura de la ciudad. Todo esto nos permite tener una apreciación general de todo el mercado al cual se le plantea la implementación y la viabilidad de estas nuevas formas de aprovechamiento de energía, a través de los distritos térmicos. Por otra parte, este estudio nos presenta tablas con datos relevantes como la variación de las temperaturas, la potencia frigorífica por unidad de superficies y las ubicaciones estudiadas en distintas ciudades. Todo este análisis permitió llevar a la conclusión del gran potencial que representan estas ciudades para la implementación del abastecimiento por medio de distritos térmicos debido a la gran demanda presentada y la necesidad de la climatización en estas regiones de Colombia.
Abrar I. Raza, (2019). El presente estudio está dirigido a la implementación de distritos térmicos que a través de la energía renovable usados principalmente para la parte de edificación, la cual consume aproximadamente un 40% de los recursos energéticos debido a los sistemas de refrigeración y calefacción. Este problema además de afectar la parte económica influye negativamente en la parte ambiental, debido a la generación de gases de efecto invernadero. Por lo que se propone para estas necesidades un sistema de distrito el cual brindara una mejoría en la eficiencia energética y el confort necesario para edificaciones tanto en la parte residencial como en la zona industrial. En este informe se hará énfasis en gran variedad de energías renovables como la energía solar térmica, energía geotérmica, energía de aguas superficiales, energía solar fotovoltaica, energía térmica residual y la biomasa la cual es una de las más importantes. Estas serán el producto principal para la generación de energía en forma de agua fría, proporcionada para los sistemas de refrigeración y des humificación, a través de este estudio se logró conocer grandes ventajas de la implementación de estos sistemas apoyados en gran variedad de tecnologías, que a diferencia de los convencionales nos permite obtener la energía con distintas materias primas aportando disminución de los impactos ambientales, una menor complejidad a la hora del mantenimiento, disminución de perdidas energéticas y reducción de costos.
José Daniel Ballén Briceño & Adriana López Vargas, (2021). El presente trabajo efectúa el planteamiento de una propuesta la cual es estudiada para su desarrollo en ciudades intermedias, las cuales se les considera en el caso de Latinoamérica, como ciudades con menos de 1 millón de habitantes. En este caso, se tienen en cuenta cada uno de los pasos para la ejecución del distrito térmico, entre estos están los estudios previos que nos permiten conocer la demanda térmica de la zona, todo monitoreado por medio de inventarios y consultas a los distintos puntos donde se llevará a cabo el consumo de la energía generada. Este proyecto, además de implementar un sistema sostenible a través de colectores solares y de reducción de costo, tiene como objetivo el determinar las ventajas que brindan la elaboración de estos sistemas en ciudades intermedias a comparación de las grandes ciudades, lo cual nos permitiría empezar el desarrollo de la implementación de estos proyectos con una menor inversión a la requerida en grandes ciudades, brindando así bases sólidas donde se pueda evidenciar las grandes ventajas que estos nos brindan como su mejoría en la eficiencia y un menor impacto al medio ambiente, además de la variedad de recursos posibles que nos permitirían generar la energía solicitada.
6. MARCO TEÓRICO
6.1. DISTRITO TÉRMICO
Un distrito térmico hace alusión a un sistema de producción centralizada de energía térmica de agua fría y caliente que se distribuye por medio de una red de tuberías a los usuarios que se encuentren conectados a esta. Las fuentes de energía que se pueden utilizar para el desarrollo de este se destacan por ser energías renovables de las cuales se puedendestacar la energía solar, el aprovechamiento del calor residual o de residuos sólidos urbanos, free cooling con aguas superficiales o subterráneas, además de la cogeneración y trigeneración. Un distrito térmico está conformado por el sistema o planta central, el sistema o red de distribución y el sistema de interfaz o de consumo final (Mejía Gamarra, et.al; 2020).
Figura 1. Componentes de un distrito térmico.
Tomado de: (Distritos Térmicos, Guía metodológica, 2020)
6.1.1. Planta central 
Es la parte principal del distrito térmico, esta contiene los componentes principales que producen el agua fría que se dirige a los usuarios por medio de la red de distribución mediante máquinas de refrigeración, equipos de compresión que son accionados eléctricamente, por turbinas de gas o vapor e incluso por sistemas de acción mecánica o energía térmica. Los elementos principales que componen una máquina son los enfriadores o también llamados chillers, las torres de enfriamiento, las bombas, los separadores y dispositivos de eliminación de aire, los tanques de expansión, los sistemas de filtración de agua refrigerada y los sistemas de control (Gonzabay Rojas, et.al; 2021).
Al realizar la construcción de una central de producción se debe tener en cuenta el espacio de alojamiento de las maquinas involucradas en la producción de frio o calor. De igual manera, en el diseño de la planta, se debe tener en cuenta la posición de los enfriadores, por ejemplo, el cual puede ser en serie o en paralelo de acuerdo con la demanda térmica de la planta. La capacidad de la central debe cumplir con los parámetros caracterizados según la demanda de los usuarios y las condiciones climáticas (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, 2020).
6.1.2. Red de distribución 
En un distrito térmico, la red de distribución es la encargada de suministrar a través de una red de tuberías el agua fría que sale de la planta central hasta los usuarios y que luego se devuelven a la planta luego de extraer el calor de los sistemas individuales de cada usuario. Dependiendo del tamaño de la red de tuberías que conforma el sistema de distribución será el costo de este y puede ser uno de los más altos en el desarrollo del distrito térmico. De igual forma se debe tener en cuenta que por lo general estas redes de tuberías son subterráneas, por lo que se debe tener en cuenta elementos de protección que eviten la corrosión de todas las partes metálicas del sistema (Mejía Gamarra, et.al; 2020).
Se debe tener en cuenta que el sistema de distribución se puede clasificar, primero por el esquema de bombeo como lo es el bombeo centralizado en la línea principal de agua de suministros, el bombeo distribuido a cada estación de transferencia o la hibridación de ambos y segundo por las redes de trazado de tuberías en donde se destacan la red ramificada, la red tipo malla y el anillo de distribución. De acuerdo con las ventajas y desventajas de cada uno de estos sistemas, se determina cual será el más eficiente de acuerdo con la ubicación del distrito térmico y a las necesidades de los usuarios. (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, 2020).
6.1.3. Sistema de consumo final
Luego de generarse agua fría desde la planta central y ser distribuida a través de la red de tuberías, esta se transfiere a los usuarios que están conectados al sistema. Este es uno de los aspectos más críticos de un distrito térmico, ya que se debe mantener un diferencial de temperatura entre las líneas de suministro y retorno, lo que genera una rentabilidad mayor debido al uso de tuberías más pequeñas en el sistema de distribución y la energía de bombeo sería menor. Uno de los sistemas de consumo final es un fan coil unit que se encarga de absorber o ceder calor de acuerdo con las necesidades del usuario a través de un equipo compuesto por un ventilador centrifugo y un serpentín por el que pasa agua fría o caliente (Mejía Gamarra, et.al; 2020).
6.2. CHILLER
Un chiller es un sistema de refrigeración de aire que enfría o calienta agua mediante intercambio térmico para que por medio de una Unidad Manejadora de Aire (UMA) se envíe aire a los lugares requeridos por los usuarios. Las partes principales de un chiller son el evaporador el cual absorbe calor en el proceso de entrada y salida de agua cuando el refrigerante pasa a baja temperatura y presión; el compresor eleva la presión del fluido refrigerante para dar continuidad al sistema; el condensador es un serpentín de cobre con láminas de aluminio en forma de disipadores de calor que extrae el calor del fluido al condensar el vapor en liquido; y la válvula de expansión que completa el ciclo permitiendo el paso del líquido de una presión alta a una baja en una mezcla de líquido vapor para su evaporación total en el evaporador. (Airson Ingenieros, 2022)
6.2.1. Chiller refrigerado por agua 
Estos chillers poseen un condensador sellado, al igual que un sistema secundario que bombea agua que recoge el calor del condensador y es liberado por medio de las torres de enfriamiento que tienen un ventilador con el que disipan el calor. Se caracterizan por su gran eficiencia, vida útil mayor y bajos costos de operación, por lo que son utilizados en grandes cargas de enfriamiento y en lugares donde se tenga el espacio suficiente para su instalación debido a la gran cantidad de complementos que tienen, sin embargo, estos equipos tienen altos costos de implementación y mantenimiento (Mejía Gamarra, et.al; 2020).
 
Figura 2. Partes del sistema chiller y funcionamiento del circuito de refrigeración.
Tomado de: (Partes de un chiller, 2022)
6.3. FUENTES DE ENERGIA RENOVABLES
6.3.1. Energía solar
Existen dos formas de aprovechar la energía solar para reducir el consumo energético de un distrito térmico, la primera son los sistemas fotovoltaicos que se enfocarían en la generación de energía eléctrica para alimentar los equipos eléctricos; la segunda es a través de sistemas solares térmicos, con los que se genera agua caliente con temperaturas entre los 40 y 70 °C para usarla en la generación térmica como apoyo.
Figura 3. Paneles solares para el distrito térmico del centro comercial Nuestro-Montería. 
Tomado de: (Distritos Térmicos, 2019)
6.3.2. Free cooling con aguas subterráneas o superficiales
Otra forma de rechazar el calor del agua antes del ingreso a los enfriadores es aprovechando la temperatura del subsuelo, utilizando tuberías geotérmicas y reservorios en capas subterráneas y acuíferos, lo que permite que se puedan utilizar equipos de enfriamiento e incluso el reemplazo de estos, lo que genera en la eficiencia del sistema y la mitigación de los efectos secundarios un impacto positivo en la disminución del tamaño de las instalaciones y del ruido. Para aplicar estas tecnologías es necesario realizar estudios que deben analizarse dentro de la ingeniería del sistema.
Figura 4. Esquema del sistema free cooling con agua subterránea y superficial
 Tomado de: (Free Cooling con agua, s.f.)
6.3.3. Calor residual
Para poder aprovechar este tipo de energía renovable es ideal que el usuario principal sea de tipo industrial ya que existe una alta probabilidad de aprovechar el calor residual de los procesos que se desarrollen por parte del mismo, por lo que se debe tener como primera opción de recurso energético siendo una fuente de bajo costo y que serviría como un insumo energético en los sistemas de transferencia directa en los distritos térmicos de calor y sistemas de absorción para los distritos térmicos de frio, mejorando el desempeño económico y ambiental tanto del distrito térmico, como el de la industria involucrada.
 
Figura 5. Esquema conceptual del equipo de generación de vapor a partir de calor residual. 
Tomado de: (Geniusvap, proyecto para recuperar el calor residual industrial y reutilizarlo como fuente de energía, 2019)
6.3.4. Residuos sólidos urbanos
Esta es una de las mejores fuentes de energía que no se aprovecha, ya que puede ser obtenida mediante procesos de biodigestión aeróbica, anaeróbica, la incineración, entre otros. Hay quetener en cuenta que los proyectos de aprovechamiento de estos residuos son complejos tanto por el aspecto técnico, en el que se deben realizar estudios de caracterización de los residuos, como en el la aprobación de permisos ambientales y la sensibilización de la comunidad; así como también hay que tener en cuenta la factibilidad del aprovechamiento del residuo como tal, por lo que si se quiere usar como una fuente de energía para un distrito térmico lo recomendable es que ya se tenga el estudio de este.
6.3.5. Cogeneración y Trigeneración
Los sistemas de cogeneración en un distrito térmico funcionan por medio de turbinas o motores de combustión interna que alimentan los enfriadores eléctricos y aprovechan térmicamente los gases de escape. Para los sistemas de trigeneración tienen los mismos componentes de la cogeneración y la producción de frio, lo que las diferencia es que la primera se diseña para que su provisión sea simultánea. 
 
Figura 6. Esquema conceptual de un sistema de cogeneración. 
Tomado de: (Tecnología de Cogeneración, 2021)
7. METODOLOGÍA
7.1. GEOLOCALIZACIÓN
Según Google Earth el distrito térmico estará situado en las coordenadas 8°45'54.6"N 75°52'32.7"W con un área 7220 m2, de igual forma el Hotel GHL, Centro Comercial Alamedas del Sinú y las oficinas administrativas de Surtigas, se encuentran situadas en las coordenadas 8°45'54.6"N 75°52'32.7"W, 8°45'49.8"N 75°52'27.8"W, 8°45'47.8"N 75°52'24.4"W y 8°45'55.9"N 75°52'16.4"W respectivamente cómo lo muestran las figuras 7 y 8, en la ciudad de Montería, Córdoba. La figura 11 muestra la distancia en metros de la ubicación del distrito térmico hasta cada una de las empresas seleccionadas para este estudio, del mismo modo la Tabla 1. muestra el área en metros cuadrados de estas mismas.
Tabla 1. Área de las empresas seleccionadas.
	Empresa
	Tipo de edificio
	Área [m²]
	Centro comercial Alamedas
	Comercial
	29.055
	Hotel GHL
	Hotel
	8.460
	Oficinas Surtigas
	Oficina
	800
Figura 7. Imagen en relieve de Surtigas
Tomado de: (Google Maps, 2022)
Figura 8. Imagen en relieve del Centro Comercial Alamedas.
Tomado de: (Google Maps, 2022)
Figura 9. Imagen en relieve del Hotel GHL
Tomado de: (Google Maps, 2022)
Figura 10. Imagen en relieve de ubicación planta central del distrito térmico
Tomado de: (Google Maps, 2022)
Figura 11. Recorrido en la distribución del distrito térmico
Tomado de: (Google Maps, 2022)
La distancia de la central térmica al Hotel GHL es de aproximadamente 227.89m, hasta el centro comercial alamedas 275m y hasta las oficinas de Surtigas el recorrido total de 668.77m como se muestra en la Figura 11. 
7.2. DISEÑO CONCEPTUAL
Figura 12. Guía metodológica del diseño de un distrito térmico. 
Tomado de: (Autores, 2022)
El diseño del distrito térmico que se espera desarrollar es un concepto en el que se establecerán especificaciones en el diseño teniendo en cuenta el abastecimiento de las empresas escogidas, la eficiencia máxima con un impacto ambiental bajo. Definiendo también los requerimientos y criterios de diseño, en los que se incluye la inversión inicial para la construcción del distrito térmico, el espacio e instalación de la planta central, el mantenimiento y la facilidad con la que se puedan reparar los equipos y la probabilidad de que el sistema llegue a cumplir las necesidades de las empresas involucradas. 
 (
Plante Central del DT
) (
Centro Comercial Alamedas
) (
Hotel GHL
) (
Oficinas Surtigas
)
Figura 13. Vista en planta del esquema red de distribución del DT.
 Tomado de: (Autores, 2022)
Para cumplir con la metodología de diseño se espera tener en cuenta un proceso con el que se conceptualice, desarrolle y se ponga en marcha el distrito térmico. Para dar cumplimiento a esto, se deben identificar las zonas de alto potencial para el desarrollo de un distrito térmico como lo puede ser en edificios de alto consumo energético, con acceso a recursos energéticos de bajo costo y teniendo el conocimiento de redes preexistentes. De igual forma se deben tener en cuenta los sistemas de generación de energía térmica que operan con fuentes renovables y la disponibilidad de recursos renovables en el sector donde se piensa ubicar el distrito térmico, para esto también se hace el estudio de los clientes con mayor potencial que estarán conectados al distrito. También se hará una evaluación de viabilidad teniendo en cuenta el impacto social, la reducción de gases de efecto invernadero, la red de distribución, la disponibilidad de un predio para la central térmica, la posibilidad de combinar el distrito por cogeneración con fuentes renovables, entre otras consideraciones para dar cumplimiento a lo establecido para el desarrollo de un distrito térmico.
Figura 14. Esquema red de distribución de DT.
 Tomado de: (Autores, 2022)
7.3. ANALISIS DE CARGAS
Para dar cumplimiento a los objetivos planteados para el diseño del distrito térmico, se debe tener en cuenta la carga térmica que este tendrá. Por esta razón, se tiene en cuenta la caracterización de los sitios escogidos (Hotel GHL, Centro Comercial Alamedas, Oficinas de Surtigas), evaluando el área en m2 en planta como se muestra en la tabla 1 y la estimación que se tiene de la demanda de climatización según su tipología que se muestra a continuación en la siguiente tabla.
Tabla 2. Demanda anual según la tipología de la empresa.
	Tipología
	Demanda anual [kWh/m2-año]
	Oficina
	339
	Hotel
	633
	Comercial
	679
Para hacer el cálculo de la demanda térmica que tendrá cada empresa que está vinculada hay que tener en consideración los niveles o número de pisos que tenga cada una, ya que la información que se está brindando en la tabla X hace referencia al área que se tiene en planta, mas no el área total que se está ocupando.
	𝐴𝑇 = 𝑁 ∗ 𝐴𝑝
	(1)
Teniendo el valor de las áreas totales se puede saber cuál es el valor de la demanda de refrigeración anual para cada una de las empresas con la siguiente ecuación:
	𝐷𝐸𝐸 = 𝐴𝑇 ∗ 𝐷𝑎
	(2)
7.4. MÉTODO DE REFRIGERACIÓN PARA LA PLANTA CENTRAL
Un chiller de absorción enfriado por agua se conoce como el sistema por el cual se intercambia calor a través de un refrigerante que para este caso en específico es amoníaco debido a que nos permite trabajar con temperaturas muy bajas debido a su punto de congelación (-77,7°C). Los chiller se encuentran compuestos por distintas partes que se pueden definir de la siguiente manera: el evaporador que es el encargado de remover el calor del medio de enfriamiento, un deflegmador que es un intercambiador de calor dónde se lleva a cabo la condensación parcial del vapor rico en refrigerante el cual proviene del generador, el condensador que es la parte del sistema donde se condensa el vapor de amoníaco al pasar a través del intercambiador de calor, y el intercambiador de calor a gas, el cual es la parte del sistema que permite la recuperación de calor del amoníaco líquido para ser aprovechado en el vapor de amoníaco lo cual nos brinda un aumento en el COP del sistema (Zuñiga et al.2019).
Para el diseño de la planta central, la cual será la encargada de cumplir con la demanda de las empresas conectadas al distrito térmico se tiene en consideración el uso de chillers de absorción enfriados por agua, los cuales estarán conectados a una red eléctrica. El refrigerante (amoniaco), enfriado por los chillers, se entregará por medio de un sistema de bombeo a una red de tuberías que conecta la planta central con las edificaciones a climatizar, para conectarse al sistema de distribución propio de cada sitio. Para poder realizar la transferencia de calor producida por el refrigerante en el proceso, los chillers necesitarán el ingreso de agua en torres de enfriamiento con sistemas de bombeos que se implementará para que pueda suministrar el caudal necesario a los chillers y cumplir con el proceso de enfriamiento. Gonzabay y Santana (2021) menciona que los chillers de absorción poseen ventaja a los chillers de compresión debido a bajo consumo eléctrico producto a que no poseen compresores, y posibilitanel uso de fuentes libres o residuales.
8. RESULTADOS Y DISCUSIONES
8.1. ANÁLISIS DE CARGA
En cuanto al análisis de carga se obtuvieron los siguientes resultados para las empresas involucradas en el distrito térmico.
· Para el Centro comercial Alamedas:
Se tienen que el área total del centro comercial sabiendo que este cuenta con dos pisos es:
𝐴𝑇 = 2 ∗ 29.055 𝑚2 = 58110 𝑚2
Con el valor del área total se puede hacer el cálculo de la demanda de enfriamiento por año, la cual es:
· Para el Hotel GHL:
El hotel cuenta con 6 pisos, por lo que el área total del mismo es:
𝐴𝑇 = 6 ∗ 8.460 𝑚2 = 50760 𝑚2
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Para las Oficinas Surtigas:
El número de pisos que se encuentran en las oficinas de la entidad es 2, por lo que el área total es:
𝐴𝑇 = 2 ∗ 800 𝑚2 = 1.600 𝑚2
Así, la demanda de enfriamiento anual es:
Teniendo el valor de la demanda de enfriamiento de cada una de las empresas que estarán conectadas al distrito, la demanda de enfriamiento de este al año será la sumatoria de la demanda de enfriamiento anual de cada empresa.
𝐷𝐸𝐸𝑇 = (39456659 𝑘𝑊ℎ) + (32131080 𝑘𝑊ℎ) + (542400 𝑘𝑊ℎ)
𝐷𝐸𝐸𝑇 = 72130139 𝑘𝑊ℎ
8.2. DISEÑO PRELIMINAR DE LA PLANTA CENTRAL
Teniendo en cuenta los cálculos obtenidos, las consideraciones de diseño planteadas en la metodología y el método de refrigeración escogido se mostrará a continuación el diagrama correspondiente al distrito térmico que se piensa implementar.
Figura 15. Diagrama esquemático de la planta central del DT.
 Tomado de: (Autores, 2022)
8.3. SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS
8.3.1. Chillers
Considerando la carga total, se optaron por 2 chillers de compresión absorción, en la 8.1 y 8.2 se detalla los datos técnicos de los chillers del catálogo LG HVAC SOLUTION.
Tabla 8.1 Datos técnicos del chillers 1 
	WCDH045 Enfriador y calentador de absorción de fuego directo 60Hz COP 1.51
	Capacidad frigorífica
	[usTR]
	450,00
	
	[kW]
	1.582,00
	Datos de agua enfriada
	Temperatura
	12°C - 7°C
	
	Caudal [m3/h]
	272.2
	Datos de agua caliente
	Temperatura
	56.2°C - 60°C
	
	Caudal [m3/h]
	272.2
	Combustible (Gas)
	Enfriado [Nm3/h]
	96.3
	
	Calentado [Nm3/h]
	110.7
	Peso
	Operando [ton]
	16,00
	Consumo
	Potencia [KW]
	11,7
Tomada de: (LG Electronics, Home appliance & Air solution company, 2021)
Tabla 8.2 Datos técnicos del chillers 2
	WCDH032 Enfriador y calentador de absorción de fuego directo 60Hz COP 1.51
	Capacidad frigorífica
	[usTR]
	320,00
	
	[kW]
	1.125,00
	Datos de agua enfriada
	Temperatura
	12°C – 7°C
	
	Caudal [m3/h]
	193.5
	Datos de agua caliente
	Temperatura
	56.2°C – 60°C
	
	Caudal [m3/h]
	193.5
	Combustible (Gas)
	Enfriado [Nm3/h]
	68.5
	
	Calentado [Nm3/h]
	77.5
	Peso
	Operando [ton]
	10.4
	Consumo
	Potencia [KW]
	11,2
Tomado de: (LG Electronics, Home appliance & Air solution company, 2021)
8.3.2. Bombas para sistema de distribución
Para el sistema de distribución se requirieron bombas capaces de vencer el cabezal del sistema en ida y vuelta además de los chillers. Se escogió la bomba del catálogo Gomaig SL.
Tabla 8.2 Datos técnicos de la bomba de distribución
	Bomba centrifuga sobre bancada normalizada norma en733 serie ncb/ncbz 2900rpm
	Tipo (catalogo SAER)
	[kw]
	[hp]
	Q
	H [m]
	Ncbz72p 80-250a
	75
	100
	120
	101,8
Tomado de: (Gomaig SL, 2021)
8.3.3. Torre de Enfriamiento
Para el chiller de absorción se necesita torres de enfriamiento con el objetivo de que el agua suministrada absorba el calor generado en los intercambiadores de calor dentro de los chillers.
Tabla 8.3 Datos técnicos de la torre de enfriamiento
	Torre de enfriamiento serie 1500 marca BAC
	Carga térmica
	Tasa de Flujo
	Característica
	92-747 [ton]
	Hasta 3150 [USGPM]
	· Flujo transversal
· Ventilador axial
· Tiro inducido
Tomado de: (Baltimore aircoil company, 2021)
8.3.4. Fan Coils
Para los Fan coils se seleccionaron marca LG, la cual es seleccionada mediante la carga que esta proporciona en este caso se escogieron de 4 capacidades de 2.16, 3.12, 4.55 y 5.36 kW. Realizando un análisis con la carga frigorífica suministrada por los chillers.
Tabla 8.4. 
	MODELO
	02-2T
	03-2T
	04-2T
	06-2T
	Potencia frigorífica [kW]
	2,16
	3,12
	4,55
	5,36
	Pérdida de carga [kPa]
	3,6
	7,9
	17,6
	6,9
	Caudal de aire max. [m3/h]
	495
	540
	745
	875
	Caudal de aire min. [m3/h]
	90
	140
	150
	155
Tomado de: (LG Electronics, Home appliance & Air solution company, 2021)
8.3.5. Bombas para torre de enfriamiento
Cada torre de enfriamiento necesitara una bomba que ayude a suministrar el agua hacia los chillers.
Tabla 8.5 Datos técnicos de la bomba de distribución hacia la torre de enfriamiento
	Bomba centrifuga sobre bancada normalizada Norma en733 serie ncb/ncbz 2900rpm
	Tipo (CATALOGO SAER)
	KW
	hp
	Q
	H (m)
	NCBZ74P 150-400A
	90
	125
	375-475
	55,6 – 59,7
Tomado de: (Gomaig SL, 2021)
8.4. ANÁLISIS ECONÓMICO Y PRESUPUESTAL
Las consideraciones para tener en cuenta para el desarrollo del distrito térmico en la zona norte de la ciudad de Montería abarcando las empresas involucradas mencionadas anteriormente tienen en cuenta los siguientes puntos.
· Para definir el costo de instalación se tuvo en cuenta el costo de los equipos y materiales, con el que se definió que fuera el 25% del costo total de los mismos.
· A pesar de que se define el lugar óptimo para la construcción de la planta central e instalación de la red de distribución hacia las empresas, estos no se incluyeron en el valor total de inversión para el desarrollo del proyecto.
· La tarifa eléctrica promedio de la cuidad de Montería según el sector en el que se encuentran ubicadas las empresas seleccionadas y la planta central es de 899,29$/kWh (Afinia-Grupo EPM, enero 2023)
· Entre las consideraciones de diseño se estima que el funcionamiento del distrito sea continuo las 24 horas del día por los 365 días del año.
· Los gastos de mantenimiento se basarán en un plan de mantenimiento predictivo que se desarrollará posterior a la construcción e instalación de los equipos y previo a la puesta en marcha de este.
Teniendo en cuenta los equipos escogidos en el apartado 8.3. del documento, se estiman los costos de los equipos, accesorios e instrumentos del distrito térmico.
Tabla 8.6. Costos de los equipos y materiales a utilizar en el distrito térmico.
	Costo de equipos materiales en la planta [COP]
	N°
	ITEM
	CANT
	P. unitario [COP]
	P. total [COP]
	1
	Wcdh045 direct fired absorption chiller and heater 60hz cop 1.51
	1
	919’916.000
	1149’895.000
	2
	Wcdh032 direct fired absorption chiller and heater 60hz cop 1.51
	1
	459’958.000
	689’937.000
	3
	Torre de enfriamiento serie 1500
	2
	689’937.000
	300000
	4
	Accesorio de la interfaz de usuario
	192
	160.985
	30’909.177
	5
	Tubería sch. 40
	241
	275.974
	22’997.900
	6
	Accesorio de sistema de distribución
	-
	-
	4’599.580
	7
	Bomba centrifuga sobre bancada normalizada norma en733 serie 125 hp
	2
	91’991.600
	183’983.200
	8
	Bomba centrifuga sobre bancada normalizada norma en733 serie 100 hp
	4
	68’993.700
	275’974.800
Tabla 8.7. Costo de los equipos a utilizar por las empresas.
	Costo de equipos materiales de los usuarios [COP]
	N°
	ITEM
	CANT
	P. unitario [COP]
	P. total [COP]
	1
	Fan coils de 3.12 kW
	600
	2’667.756
	1’600.653.840
	2
	Fan coils de 4.55 kW
	160
	3’357.693
	537’230.944
	3
	Fan coils de 5.36 kW
	96
	5’059.538
	485’715.648
Tabla 8.8 Costo de operación anual del distrito térmico.
	Costo de operación anual [USD/año]
	N°
	ITEM
	Tarifa mensual
[COP/kWh/mes]
	Consumo eléctrico
[kWh]
	Costo de operación
COP/mes
	1
	Distrito térmico según criterios del proyecto
	899,29
	6’010.844
	5.405’491.900
9. CONLUSIONES
Se diseño un distrito térmico basado en los lineamientos de la norma ASHRAE, con el fin de distribuir agua fría generada en el distrito mediante tuberías a las empresas, Surtigas, centro comercial alamedas y hotel GHL, para proporcionar la climatización y confort de acuerdo con sus necesidades.
El análisis de la red de tuberías se realizó considerando que cada empresa tenía internamenteuna red distribución. Además, se consideró que la mejor alternativa para el diseño del distrito térmico era usar chillers de compresión enfriados por agua, teniendo en cuenta que esta ciudad cuenta con un rio el cual se encuentra a una distancia cercana a la planta central.
Este distrito térmico nos ofrece una forma alterna para reemplazar u optimizar el sistema de climatización que existe en cada una de las empresas, en donde se genera un ahorro aproximado del X% con respecto al valor de carga térmica inicial de las mismas
En la implementación del distrito térmico dentro la zona donde se encuentran las empresas involucradas es necesario que se inviertan X [COP], que se verá reflejado en la disminución de los servicios de consumo de energía y en el que habría que realizar estudios para evaluar los sistemas de retorno de inversión.
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