Este documento compara el rendimiento térmico de una terma solar básica y un sistema de calentamiento integrado. Realizó pruebas en Arequipa, Perú que midieron la eficiencia efectiva, caída de temperatura y velocidad de calentamiento de ambos sistemas. Los resultados mostraron que la terma solar básica fue más eficiente, pero el sistema integrado respondió mejor a baja radiación. En general, la terma solar básica tuvo un rendimiento diario 13% superior.

1. “ESTUDIO COMPARATIVO DEL RENDIMIENTO
TERMICO ENTRE UNA TERMA SOLAR BÁSICA Y
UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO INTEGRADO ”.
Ponente: Evelyn Edith Gutiérrez Oppe
Autores: Rolando Adriano Peña y Abel Gutarra Espinoza de la Universidad Nacional de
Ingeniería (Lima);
Henry Javier y Evelyn Gutierrez Oppe de la Universidad Católica San Pablo (Arequipa)
XXI SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR ENERGIA RENOVABLES PARA
EL DESARROLLO DEL PAIS – Piura, del 10 al 14 de Noviembre del 2014

2. Objetivo
Comparar el rendimiento térmico entre una Terma
solar básica (TSB) y un Sistema de Calentamiento
Integrado (SCI).

3. Motivación
• El agua caliente constituye un consumo energético importante en la vida diaria.
El calentamiento de agua mediante energía solar es una tecnología
económicamente atractiva y competitiva en varios países comparada con
tecnologías convencionales (Holm, 2005).
• En el Perú poco a poco se va incrementando la utilización de estas tecnologías.
Hoy en día, existen entre 25.000 y 30.000 termas solares instaladas en Arequipa,
Ayacucho, Lima, Puno y Tacna entre otros.
Fuente: Gutierrez, A. (2011)

4. Terma Solar Básica (TSB)
La terma solar básica permite calentar
agua mediante la radiación solar.
Considera básicamente acumulador,
colector solar y tuberías para conexiones.
Según la NTP 399.484 (2008) los atributos
de esta terma son: únicamente solar,
directo (sin intercambiador), lleno,
termosifón, circulante, almacenamiento
externo.

5. Sistema de Calentamiento Integrado (SCI)
El sistema de calentamiento integrado
(SCI) junta el acumulador y colector
solar en un solo dispositivo.
Según la NTP 399.484 (2008) el
almacenamiento es integral porque la
colección y almacenamiento de energía
solar son realizadas dentro del mismo
dispositivo.
En relación a los demás atributos
depende del diseño.

6. Ventajas de usar un Sistema Integrado de
Calentamiento
• Simplicidad
• Bajo costo
• Menor corrosión
Desventajas de usar un Sistema Integrado de
Calentamiento
• Perdida de calor al ambiente, específicamente en la noche y en los
períodos en que no se usa agua.

7. Sistemas de Calentamiento Integrado
En inglés: Integrated Collector Storage Solar Water Heater (ICSSWH)
Primer modelo: creado en USA a finales de 1800 (cap. 29 L, T max.
38ºC)
Fuente: Smyth M. , Eames P.C., Norton B., Integrated collector storage solar water heaters.
Renewable and Sustainable Energy Reviews
10 (2006) 503–538

9. EQUIPOS UTILIZADOS
• La TSB consta de un tanque de 150 L y un colector plano de 1.5 m2 de área.
• El SCI (Barreto, 1999) integra tanque de 150 L y colector de 1.95 m2 en un solo dispositivo, además consta
de intercambiador de calor con fluido caloportador en el interior del tanque. Dicho fluido es impulsado por
una bomba, la cual utiliza energía fotovoltaica, ubicada en la parte inferior izquierda.
• Ambos equipos fueron colocados orientados al norte considerando un ángulo de inclinación de 26°.

10. OKSOL 150

11. CARACTERÍSTICA DESCRIPCIÓN
1. BOMBA DE CIRCULACION
Tipo: Magnética, marca: GRI, Tensión DC: 12 V, 1.5 W. Modelo EX: 315-526,
Caudal: 2,4 a 3 L/min
800-1000 W/m2
2. PANEL FOTOVOLTAICO
Tensión nominal: 1,8 W, Corriente nominal: 150 mA, voltaje nominal: 12 V.
159 mA
3. CUBIERTA Metacrilato (PMMA), espesor: 4 mm, transmitancia: 0.92
4. AISLAMIENTO LATERAL Y TRASERO
Tipo: Poliuretano expandido, espesor: 50 mm, densidad: 40 kg/m3,
conductividad: 0.023 W/m2.K
4. AISLAMIENTO ENTRE DEPOSITO Y ABORBEDOR
Tipo: Lana de Roca, espesor: 25 mm, densidad: 70 kg/m3, conductividad:
0.038 W/m2.K
5. DEPOSITO ALVEOLAR Tipo: PPSU (polifenilsulfona de color negro), capacidad 150 litros. Pmax 5 bar
6. COLECTOR Y 7. SUPERFICIE SELECTIVA
Tipo: Acero inoxidable cromo negro selectivo, capacidad: 4 Litros. Curva de
rendimiento del absorvedor: • Factor de absorción del captador : 0,769; •
Factor de pérdida del captador: a1=4,93; a2=0,026. Captaciòn útil: 1.95 m2
Absortividad:0.97
Emisividad: 0.22
Capacidad: 4 L
Presión máxima de trabajo: 3 bar
8. GRAPA DE ENSAMBLE
9. DETECTOR DE NIVEL
10. BROCAL DE ENGARCE
11. VALVULA ANTIRETORNO Tipo Latón CW 617N, Medida: 45 mm, Temperatura: 90ºC, Presión 12 bar
12. SALIDA DE AGUA DE CONSUMO
13. FLUIDO CALOPORTADOR
Tipo: FRIGOSOL 50%, Anticongelante: Propilenglicol: 50%, Rango de Trabajo:
-35 a 140ºC ( a 3 bar), valor de pH: 8, densidad a 20ºC: 1.08 g/mL. Area: 0.29
m2
14. INTERIOR DE LA CARCASA
15. SERVO CON TRES FUNCIONES
16. SALIDA PURGA Tipo Latón CW 617N, Modelos: 17192 ORKLI-PTEM550856 RELIANCE
17. VÁLVULA DE LLENADO
18. ENTRADA AGUA DE CONSUMO
19. CIRCUITO BIESTABLE

12. Rendimiento del sistema únicamente
solar sobre la base anual de un volumen
de demanda de 150 L/dia
Localidad Qdisponible (MJ) Qperdidas( MJ) F sol %
Stockolm (59.6ºN) 8372 2624 31.3
Wurzburg (49.5º N) 8029 3027 37.7
Davos (46.8 ºN) 9084 4006 44.1
Athens (38 ºN) 6239 4073 65.3
La radiación total solar sobre el plano del colector durante el ensayo de protección
para un exceso de temperatura fue 106 MJ/m2, alcanzando una temperatura de salida
máxima en la salida del acumulador solar de 69.3 ºC.

13. Arequipa
Latitud: 16º20’S
Longitud: 71º30’O
Altitud: 2335 m.s.n.m

14. Métodos
• Eficiencia Efectiva (Valera, 2007).
• Evaluación del rendimiento térmico de las termas solares
(CSTG de la norma ISO 9459-2 - Norma Técnica Europea,
2006).
• Velocidad de calentamiento. En este experimento se realizó
con el objetivo de registrar cuantos °C/min conseguía subir
cada equipo (TSB y SCI).

15. Eficiencia Efectiva
𝜂 𝑒𝑓𝑓 =
𝑄ú𝑡𝑖𝑙
𝑄 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒
(1)
𝑄 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 𝜌𝑉𝑐𝑝 𝑚(𝑇 𝑚 − 𝑇𝑖) (2)
𝑄 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝐼𝑐𝑜𝑙 𝐴 (3)

16. Datos de radiación directa, difusa y reflejada
para los días 04 al 06 de agosto.

17. Comparación de eficiencia efectiva entre la
TSB y el SCI
FECHA TIPO DE
TERMA
Ta
(°C)
Tb
(°C)
Tm
(°C)
Ti
(°C)
Qutil
(MJ)
Qdisponible
(MJ)
eff
(%)
04-ago SCI 40.0 33.4 36.7 11.7 15.63 26.59 58.60
TSB 46.4 42.2 44.3 11.3 20.63 26.06 88.56
05-ago SCI 42.9 36.6 39.8 11.4 17.72 27.75 63.55
TSB 41.5 37.6 39.6 11.2 17.72 24.05 82.62
06-ago SCI 43.3 34.6 38.9 11.6 17.10 27.75 61.30
TSB 40.9 37.7 39.3 11.8 17.19 24.05 80.13

18. Caída de temperatura desde las 2.30 pm
hasta las 8 am del día siguiente
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
4-Aug 5-Aug 6-Aug
DT(°C)
4-Aug 5-Aug 6-Aug
SCI 6.6 6.3 8.7
TSB 4.2 3.9 3.2

19. Desempeño térmico
𝑄𝑖 = ∆𝑉𝑖 𝜌 𝑤 𝐶 𝑝 𝑡 𝑑𝑖 𝑉𝑖 − 𝑡 𝑚𝑎𝑖𝑛
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12
Rad(W/m2)
Tiempo (hh:mm)
I (W/m2) 14281277.3
Qdisponible SCI 27848490.8
Qdisponible TSB 24135358.7
Qútil SCI 19272699.7
Qútil TSB 17608071.1
η(%) SCI 69.2 %
η(%) TSB 72.9 %

20. Velocidad de calentamiento
0
500000
1000000
1500000
2000000
2500000
9 10 11 12 13 14 15
RADIACIÓN(J/m2)
TIEMPO (hora)
DIRECTA
DIFUSA
REFLEJADA

21. CONCLUSIONES
• La TSB evaluada se mostró más eficiente que el SCI, probablemente
una de las razones sea que el acumulador del SCI tiene mayor área de
exposición al exterior que la TSB razón por la que hay mayor pérdida
de calor. Otra de ellas es el periodo de ejecución del ensayo.
• El rendimiento diario de la TSB es 13% superior al rendimiento del
SCI.
• El SCI responde mejor térmicamente respecto a la TSB en
condiciones de baja radiación directa.

22. AGRADECIMIENTOS
• Al FINCyT por el financiamiento de la investigación a través del
proyecto PIBAP 150-IB-2013
• Al IEM – UCSP (Instituto de Energía y Medio Ambiente) por la sesión
del laboratorio donde se realizaron las pruebas, y por el equipo
técnico que apoyó.
• A TERMOINOX por el apoyo en la sesión de la TSB.

23. Referencias
• Barreto, M. ,1999. Colector compacto para energía solar, España. nº 2 120 290. Sta.Cruz de Tenerife, Tenerife. Oficina
Española de Patentes y Marcas.
• Duffie J.; Beckman W; 1980. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley &Sons, inc. New York.
• Fasulo A.; Follari J.; Barral J. 2001. Comparison Between A Simple Solar Collector Accumulator† And A Conventional
Accumulator. Solar Energy v. 71, No. 6, pp. 389–401, 2001
• Gotzberger, A. & Rommel, M. ,1987, Prospects for Integrated Storage Collector Systems in Central Europe,Solar Energy,
Vol. 39, No. 3, pp. 211-219.
• Holm D, 2005. Un Futuro Para el Mundo en Desarrollo Basada en las Fuentes Renovables de Energía.White Paper – ISES
(Internacional Solar EnergySociety).
• Horn M., 2006. El estado actual del uso de la energía solar en el Perú. perúeconómico, Lima, Vol XXIX.
• Massipe, J.; Quispe, M.; Ruiz, J. & Aparicio, I., 2012. Estudio comparativo térmico del colector solar termoacumulativo en
el Perú,XIX simposio peruano de energía solar y del ambiente.
• Norma Técnica Europea, noviembre 2006, Sistemas solares térmicos y sus componentes, versión española, Editada e
impresa por AENOR, EN 12976-2.
• Norma Técnica Peruana NTP 399.404, 2006. Sistemas de calentamiento de agua con energía solar. Fundamentos para su
dimensionamiento eficiente. INDECOPI, Lima, Perú.
• ORKLI, Junio 2012, panel solar con depósito integrado solar OKSOL15O.
• Sadhishkumar S.; Balusamy T., 2014. Performance improvement in solar water heating systems—A review Renewable
and Sustainable Energy Reviews, v.37, p.191–198
• UIDT-Unidad de Investigación y Desarrollo Termoinox, 2011. Perspectivas para uma indústria solar térmica en el Perú.
• Valera A., 2007, Energía Solar II, Asamblea Nacional de Rectores, Lima Perú.

24. ¡GRACIAS !