PLAN DE IMPLEMENTACIÓN_EDICION DEF

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FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECÁNICA
	
PLAN DE IMPLEMENTACIÓN DE UN DISTRITO TÉRMICO COMO SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN EN EMPRESAS DE LA ZONA CENTRAL DE MONTERÍA 
HERNÁN DARIO HERNÁNDEZ ESCUDERO
CAMILO ANDRÉS MEDRANO PATRÓN
FERNANDO SOLAR DORIA
ORIENTADOR
JESUS DAVID RHENALS JULIO
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
MÁQUINAS TÉRMICAS
MONTERÍA, CÓRDOBA
2023
RESUMEN
El presente proyecto tiene como objetivo principal mejorar la eficiencia energética y promover la sostenibilidad en el sector de climatización empresarial. Para lograrlo, se propone la implementación de un distrito térmico que involucra a 12 empresas ubicadas en la zona central de Montería. Se fundamenta en una investigación de las características climáticas de la zona, permitiendo determinar las necesidades térmicas específicas de las empresas participantes. Con base en estos datos, se desarrollará un detallado plan de implementación que abarca el cálculo preciso de la demanda energética requerida y la selección de los equipos idóneos para garantizar una solución óptima.
Una de las principales características distintivas de este proyecto es la utilización de biomasa como fuente de energía para generar calor en los chiller del distrito térmico. Para ello, se empleará un horno ciclónico que permitirá una quema eficiente de la biomasa. Esta estrategia no solo contribuirá a reducir el impacto ambiental, sino que también fomentará el uso de fuentes renovables de energía en el sector empresarial.
Además, se llevará a cabo una evaluación económica exhaustiva del proyecto, teniendo en cuenta los costos de inversión necesarios, los beneficios económicos esperados a largo plazo y la rentabilidad global del proyecto. Esta evaluación permitirá demostrar la viabilidad financiera y el potencial económico que conlleva la implementación de un distrito térmico en las 12 empresas participantes de la zona central de Montería.
Palabras clave: distrito térmico, eficiencia energética, sostenibilidad, climatización, empresas, Montería, biomasa, chiller, horno ciclónico.
ABSTRACT
The main objective of this project is to improve energy efficiency and promote sustainability in the business air conditioning sector. To achieve this, it proposes the implementation of a thermal district involving 12 companies located in the central area of Monteria. It is based on an investigation of the climatic characteristics of the area, allowing to determine the specific thermal needs of the participating companies. Based on this data, a detailed implementation plan will be developed, including the precise calculation of the required energy demand and the selection of the ideal equipment to guarantee an optimal solution.
One of the main distinguishing features of this project is the use of biomass as an energy source to generate heat in the chiller of the thermal district. For this purpose, a cyclone furnace will be used, which will allow efficient burning of the biomass. This strategy will not only contribute to reducing the environmental impact, but will also promote the use of renewable energy sources in the business sector.
In addition, a thorough economic assessment of the project will be carried out, taking into account the necessary investment costs, the expected long-term economic benefits and the overall profitability of the project. This evaluation will demonstrate the financial viability and economic potential of implementing a thermal district in the 12 participating enterprises in the central area of Monteria.
Keywords: thermal district, energy efficiency, sustainability, air conditioning, companies, Monteria, biomass, chiller, cyclone furnace.
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 central 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, Oficinas de Surtigas), que abastecerá los sistemas de climatización, basado en los lineamientos de ASHRAE.
2. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Los combustibles fósiles son denominados la principal fuente de energía para el desarrollo social y económico (Word Energy Council, 2013); a partir de estas fuentes se derivan la mayoría de las actividades básicas diarias del ser humano, tales como, la alimentación, producción de energía, transporte, entre otros. La quema de combustibles fósiles para obtener energía comenzó alrededor del inicio de la Revolución Industrial (Ritchie y Roser, 2017); sin embargo, su uso de manera masiva es un fenómeno que se presenta desde el siglo XX (Corredor, 2018). Puente (2019), considera que el mundo actual cada vez es más consciente de las emisiones de gases de efecto invernadero y las energías limpias, además de esto, el sector energético afronta actualmente importantes retos a nivel global gracias al cambio climático (Costa, 2016) (Foster y Elzinga, 2015).
En la zona central de la ciudad de Montería, la mayoría de las empresas utilizan sistemas de climatización obsoletos y poco eficientes, lo que conlleva a un alto consumo de energía eléctrica y emisiones de gases de efecto invernadero, generando una huella ambiental negativa en la región. Además, el aumento de las temperaturas debido al cambio climático hace que el uso de sistemas de climatización sea cada vez más necesario, lo que se traduce en un mayor consumo energético y mayores costos para las empresas.
Por otra parte, la falta de políticas y programas gubernamentales para fomentar la eficiencia energética en las empresas de la región, así como la falta de conciencia ambiental en la población, son factores que dificultan la adopción de tecnologías más eficientes y sostenibles en los sistemas de climatización de las empresas.
Todo lo anterior genera una problemática compleja en la que secombinan aspectos ambientales, económicos y sociales, y que requiere de una solución integral que permita mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad de los sistemas de climatización en las empresas de la zona central de la ciudad de Montería. La implementación de un distrito térmico podría ser una solución adecuada que permita reducir el consumo energético y las emisiones de gases de efecto invernadero, y que, además, genere beneficios económicos y sociales para las empresas y la comunidad.
3. JUSTIFICACIÓN
Hoy en día en la ciudad de Montería hay muchas empresas dependientes de sistemas de refrigeración convencionales para abastecer sus infraestructuras y ofrecer el servicio de refrigeración requerido, a parte la ubicación geográfica de la ciudad demanda una cantidad de refrigeración mayor, lo cual implica un costo de consumos más elevado. Con la implementación de los distritos térmicos en ciertos lugares de Colombia se ha venido evaluando el uso de este tipo de sistemas en otros lugares como Montería. Estas 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, es decir; que en la ciudad de Montería, concretamente en la zona central 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. 
Todo lo que conlleva el uso de un distrito térmico independientemente de la ciudad donde se aplique, está directamente relacionado con la reducción de la huella de carbono que pueden reducir significativamente la emisión de gases de efecto invernadero en la ciudad, el ahorro de energía, costos y, al mismo tiempo, disminuir el consumo de combustibles fósiles. De igual manera los distritos térmicos son una tecnología innovadora que puede ser implementada en la ciudad. Por lo tanto, un proyecto de aula centrado en su implementación puede promover la innovación y el desarrollo tecnológico entre los estudiantes y la comunidad educativa. Sin olvidar también de que un proyecto de aula centrado en los distritos térmicos también puede ser una oportunidad para sensibilizar a los estudiantes sobre la importancia del uso de energías alternas y fomentar prácticas más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente.
4. OBJETIVOS
4.1. OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un plan integral para la implementación de un distrito térmico que permita mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad de los sistemas de climatización en empresas ubicadas en la zona central de la ciudad de Montería, a través de la investigación, análisis, diseño y evaluación de soluciones técnicas y económicas adecuadas.
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Estudiar las características climáticas de la zona central de la ciudad de Montería para determinar las necesidades térmicas de las empresas.
2. Diseñar un plan de implementación para un distrito térmico, que incluya el cálculo de la demanda energética y la selección de los equipos necesarios.
3. Realizar una evaluación económica del proyecto, analizando los costos de inversión, los beneficios económicos que se obtendrían a largo plazo y la rentabilidad del proyecto.
4. 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 Gómez & García 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 problemáticas de 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.
La biomasa como energía proviene en última instancia del sol; esta es entendida como materia orgánica generada de procesos biológicos y ha sido utilizada con fines energéticos desde el descubrimiento del fuego (Velásquez, 2018). Los combustibles renovables pueden clasificarse en cuatro tipos: i) Biogás: se obtiene a partir de materia orgánica como lo son desperdicios de industrias agroindustriales,subproductos orgánicos de bajo valor comercial, residuos cloacales, estiércol, entre otros, lo cual se logra mediante un proceso fermentativo anaeróbico con ayuda de bacterias en ambientes sin oxígeno (Quintero y Quintero, 2015); el biogás producido está compuesto principalmente por dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4) (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, 2019); ii) Biocarburantes o biocombustibles: Son alcoholes, éteres, ésteres y otros compuestos químicos obtenidos a partir de la biomasa, los biocombustibles líquidos más destacados son: el bioetanol, que es un biocombustible obtenido a partir de la fermentación de materia orgánica rica en azúcares (Riaño, 2010); y el biodiesel que es un metilo éster obtenido a partir de aceites vegetales o grasas animales (Tovar, Benítez, Ortiz y Rodríguez, 2013) (Amarís, Manrique y Jaramillo, 2015); iii) Biomasa sólida: Este tipo de biomasa aprovecha la materia orgánica de origen animal y vegetal, como cultivos energéticos y residuos.
En base a lo anterior y según un reporte dado por Enerdata (2019), el 80% de la energía utilizada en el mundo depende de fuentes de combustible fósiles (petróleo, carbón y gas) y solo un 10% es generado a partir de la biomasa, este valor es pequeño con respecto al potencial energético que tiene. En las actividades agrícolas de varios países se producen diferentes tipos de residuos, a los cuales no se les realiza una disposición adecuada (Chávez y Rodríguez, 2016) y el 46% de los residuos generados a nivel mundial son derivados de la actividad agrícola, el porcentaje restante se divide en otras actividades industriales tales como metal, vidrio, plástico, papel y otros (Chávez y Rodríguez, 2016).
El tipo de residuo más abundante está asociado a la industria agrícola, se estimó que para el 2016 la generación de este tipo de industria a nivel mundial fue de 368.329.087.469 ton (Gómez-Soto, Sánchez-Toro y Matallana-Pérez, 2019); la caña de azúcar, el maíz, el arroz y el trigo son los cuatro primeros cultivos más grandes del mundo, en consecuencia, los residuos sólidos asociados son muy abundantes (Millati, 2019) dicho esto en este proyecto procederemos a utilizar la cascarilla de arroz, proveniente del arroz y siendo una de las biomasas con mayor extensión en el mundo.
El aprovechamiento de la biomasa resulta muy económico comparado con otros tipos de energía como el petróleo o carbón (Blanco, García de La Fuente y Álvarez, 2013), además de esto, la biomasa es abundante, ya que está disponible en grandes cantidades en todo el mundo y puede considerarse como una fuente inagotable, pues día a día se generan residuos (Membrillera, 2018). Como se mencionó anteriormente, la fuente de energía principal en el mundo son los combustibles fósiles y Colombia no es la excepción a dicha premisa, en el 2019 el 77% de la energía producida fue derivada del petróleo, carbón y gas, solo un 11% corresponde al aprovechamiento y transformación de biomasa (Enerdata, 2019).
En Colombia, por lo general se dispone de grandes cantidades de recursos de biomasa, en especial residuos forestales y agrícolas (Cáceres, Guío-Pérez y Rincón, 2016), dichos recursos provienen en su gran mayoría de la palma de aceite, caña de azúcar, caña panelera, café, maíz, arroz, banano y plátano. 
El arroz es uno de los cultivos con más interacción a nivel mundial, dado que es un alimento milenario de muchas civilizaciones, por ejemplo, la mediterránea (Tovar, 2018); posee la mayor extensión de tierra cultivada y el mayor número de personas dedicadas a su producción (Chica, Tirado y Barreto, 2016), además de esto, casi el 50% de la población mundial depende del arroz como parte importante de su dieta. El incremento de área sembrada de arroz en Colombia fue de 14% (Fedearroz, 2020), donde anualmente se producen 2’463,689 toneladas de arroz (Escalante, Orduz, Zapata, Cardona y Duarte, 2020), dado que el arroz, después del café, es el cultivo de mayor importancia en la actividad agrícola del país (Montes, Candelo y Muñoz, 2018), la cosecha de este grano se presenta en los meses de enero, febrero y julio, y con mayores volúmenes en agosto y septiembre, reduciéndose un poco en diciembre (DANE, 2017).
5. MARCO TEÓRICO
a. 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 pueden destacar 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: (Guía metodológica, distritos térmicos, 2020)
i. 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).
ii. 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).
iii. 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 compuestopor un ventilador centrifugo y un serpentín por el que pasa agua fría o caliente (Mejía Gamarra, et.al; 2020).
iv. 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)
b. FUENTES DE ENERGIA RENOVABLES
i. 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)
ii. 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.)
iii. 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.
iv. 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 que tener 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.
v. 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 5. Esquema conceptual de un sistema de cogeneración. 
Tomado de: (Tecnología de Cogeneración, 2021)
6. METODOLOGÍA
6.1 Diseño conceptual
Figura 6. 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. 
6.2 información con los datos climáticos promedios de la ciudad de Montería.
La temporada calurosa dura 2,3 meses, del 2 de febrero al 11 de abril, y la temperatura máxima promedio diaria es más de 34 °C. El mes más cálido del año en Montería es marzo, con una temperatura máxima promedio de 35 °C y mínima de 24 °C. La temporada fresca dura 3,5 meses, del 16 de agosto al 1 de diciembre, y la temperatura máxima promedio diaria es menos de 32 °C. El mes más frío del año en Montería es octubre, con una temperatura mínima promedio de 24 °C y máxima de 31 °C.
Figura 7. La temperatura máxima (línea roja) y la temperatura mínima (línea azul) promedio diario con las bandas de los percentiles 25º a 75º, y 10º a 90º. 
6.3 Geolocalización.
Figura 8. Ubicación del distrito térmico.
Figura 9. Bosquejo ilustrativo del distrito térmico, el chiller que enfriaría el agua sacada del rio Sinú, dicha agua seria bombeada por medio de la tubería a nuestros distintos clientes donde luego de hacer todo el recorrido volvería por otra tubería, pero ya a una temperatura ligeramente mayor que sería desechada al rio Sinú y el ciclo se repetiría.
6.4 Área de las empresas seleccionadas y demanda energética según su tipología.
	Empresa
	Tipo de edificio
	Área [m²]
	Centro comercial Alamedas
	Comercial
	29.055
	Hotel GHL
	Hotel
	8.460
	Oficinas Surtigas
	Oficina
	800
	Clínica Imat
	Salud
	4.500
	Clínica Diac
	Salud
	1.967
	Clínica Montería
	Salud
	7.000
	Homecenter Norte
	Comercial
	12.000
	Almacén Éxito Norte
	Comercial
	3,100
	Colegio Sagrada Familia
	Educación
	7,000
	Centro Comercial Buenavista
	Comercial
	33,500 (3)
	Universidad Católica Luis amigó
	Educación
	4,000
	Centro comercial Places Mall
	Comercial
	16.000
Tabla 1. Área de las empresas seleccionadas.
	Tipología
	Demanda anual [kWh/m2-año]
	Oficina
	339
	Hotel
	633
	Comercial
	679
	Educación
	640
	Salud
	650
Tabla 2. Demanda de enfriamiento de las empresas según su tipología en kWh/m2-año. 
6.5 Análisis de cargas y demanda de enfriamiento total de las empresas.
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, evaluando el área en m2 en planta y la estimación que se tiene de la demanda de climatización según su tipología.
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.
	𝐴𝑇otal = 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)
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 comercialsabiendo que este cuenta con dos pisos es:
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:
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:
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Clínica Imat
Cuenta con 10 pisos, por lo que el área total del mismo es:
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Clínica Diac
Cuenta con 5 pisos, por lo que el área total del mismo es:
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Clínica Montería
Cuenta con 4 pisos, por lo que el área total del mismo es:
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Homecenter Norte
Cuenta con 1 pisos, por lo que el área total del mismo es:
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Almacén Éxito Norte
Cuenta con 2 pisos, por lo que el área total del mismo es:
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Colegio Sagrada Familia
Cuenta con 2 pisos, por lo que el área total del mismo es:
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Centro Comercial Buenavista
Cuenta con 3 pisos, por lo que el área total del mismo es:
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Universidad Católica Luis amigó
Cuenta con 3 pisos, por lo que el área total del mismo es:
Y la demanda de enfriamiento por año es:
· Centro comercial Places Mall
Cuenta con 3 pisos, por lo que el área total del mismo es:
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.
Se pasan los kWh/m2-año a TRF.
6.6 Método de refrigeración y obtención de energía para accionar el sistema del distrito térmico.
Figura 9. Horno ciclónico, que ira acoplado sistémicamente al los chiller. 
Con la imagen anterior se explicaría como transformaríamos la cascarilla de arroz en energía por consiguiente dicha energía accionaria nuestro conjunto de Chiller (9).
El sector agrícola se ha establecido en Colombia como un elemento indispensable en su socioeconomía, generando empleos y estabilidad alimentaria. Según la encuesta nacional de arroz mecanizado ENAM (2019) en Colombia se plantan 726.256 hectáreas de arroz, con una producción anual de 2.9 millones de toneladas. El horno ciclónico es versátil en cuanto al uso de diversos tipos de biomasa, para futuras aplicaciones se tendrá en cuenta que si a largo plazo no se obtienen los valores requeridos con la cascarilla de arroz, se puede optar el uso de otra biomasa.
Un chiller de absorción enfriado por agua se conoce como el sistema por el cual se intercambia calor a través de un refrigerante. 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).
De esta manera, 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 acoplados a un horno ciclónico donde se generará la biomasa, El refrigerante 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. 
SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS
Chillers
Considerando la carga total, se optaron por 9 chillers de absorción enfriados por agua, del catálogo YVWA de York. 
Tabla 3. Datos técnicos del chiller
	Chiller de tornillo semi-hermético YVWA .
	Capacidad frigorífica
	[usTR]
	300,00
	
	[kW]
	440-1055
	Datos de agua enfriada
	Temperatura
	12°C - 7°C
	
	Caudal [m3/h]
	272.2
	Datos de agua caliente
	Temperatura
	56.2°C - 66°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)
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 4. 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)
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 5. 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)
Fan Coils
Tabla 6.
	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)
i. Bombas para torre de enfriamiento
Cada torre de enfriamiento necesitara una bomba que ayude a suministrar el agua hacia los chillers.
Tabla 7. 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)
b. 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 cuentalos 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
	Chiller de tornillo semi-hermético YVWA 
	9
	919’916.000
	1149’895.000
	2
	Torre de enfriamiento serie 1500
	2
	689’937.000
	300000
	3
	Accesorio de la interfaz de usuario
	120
	160.985
	30’909.177
	4
	Tubería sch. 40
	347
	195.974
	68’002.900
	5
	Accesorio de sistema de distribución
	-
	-
	4’599.580
	6
	Bomba centrifuga sobre bancada normalizada norma en733 serie 125 hp
	2
	91’991.600
	183’983.200
	7
	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
7. 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, Hotel GHL, éxito norte, clínica Montería, universidad católica Luis amigó, sagrada familia, Homecenter, places mall, Buenavista, Imat y Diac para proporcionar la climatización y confort de acuerdo con sus necesidades.
El análisis de la red de tuberías se realizó considerando que cada empresa tiene internamente una 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 río, el cual se encuentra a una distancia cercana a la planta central.
Este distrito térmico nos ofrece una forma alterna de generar energía gracias al uso de biomasa, en este caso la cascarilla de arroz el cual abunda mucho en la región cordobesa y es de fácil acceso.
En la implementación del distrito térmico dentro la zona donde se encuentran las empresas involucradas, el retorno de inversión se verá reflejado en la disminución de los servicios de consumo de energía dentro de un intervalo de 10 años y en el que habría que realizar estudios para evaluar los sistemas de retorno de inversión más específicos.
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Tecnología de Cogeneración, Absorsistem. (2021, 9 marzo). Absorsistem - Tecnología de enfriadoras por ciclo de absorción y bombas de calor por ciclo de compresión a gas. https://absorsistem.com/tecnologies/cogeneracion/ 
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