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I Congreso sobre Arquitectura Bioclimática y Frio Solar
Almería, 2010
ANÁLISIS DE VIABILIDAD DE UN SISTEMA SOLAR TÉRMICO CON
ACUMULACIÓN ESTACIONAL EN ZARAGOZA.
Autor: Luis Guirala/ Miguel Angel Lozano
a/ Fernando Palacín
b
GITSE-I3A (Universidad de Zaragoza)a/ Centro Nacional de Energías Renovables (CENER)
b
Resumen: La necesidad de reducir la dependencia energética con otros países y disminuir las
emisiones contaminantes al medio ambiente, abren el camino a las energías renovables. En Europa,
especialmente en países como Alemania, Austria, Dinamarca y Suecia, se apuesta claramente por la
energía solar térmica para cubrir las necesidades de agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción.
Incluso se han diseñado sistemas a gran escala que atienden la demanda térmica de un conjunto de
viviendas (distritos) o incluso de localidades de reducido tamaño.
En España, a través del código técnico de la edificación (CTE), solamente se apuesta por cubrir la
demanda de ACS con sistemas solares, aunque por otro lado, dadas sus favorables condiciones
climáticas, nuestro país posee, en el campo de la energía solar térmica, un potencial mucho mayor
susceptible de ser aprovechado.
El objetivo a medio plazo debería considerar los planes y acciones de los países europeos
mencionados, que poseedores de una amplia experiencia con sistemas térmicos solares consiguen
alcanzar fracciones solares de hasta un 50% de la demanda de calefacción. Como ejemplo de estos
sistemas, se citan las centrales solares para distrito con acumulación estacional. Su característica
principal reside en la capacidad de desacoplar la oferta y la demanda energética. Es decir, los
acumuladores estacionales se diseñan para cargarse completamente en los periodos estivales,
aprovechando la gran radiación solar existente; para posteriormente descargarse en invierno para
suministrar la demanda de calefacción requerida por el edificio. Por lo tanto, para que el sistema
solar ceda energía no es necesario que exista una radiación solar suficiente en ese mismo momento,
sino que haya sido acumulada en el depósito estacional con anterioridad.
Aquí se analiza la viabilidad técnico-económica de la instalación de un sistema solar térmico con
acumulación estacional que cubra parcialmente las demandas de ACS y calefacción de un conjunto
de viviendas situadas en la ciudad de Zaragoza.
Tras un estudio previo se sondea el mercado para encontrar los principales componentes del sistema
y realizar una estimación de la inversión necesaria. Posteriormente, con la ayuda de la herramienta
informática TRNSYS se elabora un modelo físico-matemático del sistema y se estudia su
comportamiento dinámico realizando un análisis de sensibilidad para los parámetros más
influyentes. El trabajo concluye mostrando los resultados obtenidos, tanto económicos cono
energéticos, correspondientes al diseño final del sistema solar.
1. Introducción
Tras la entrada en vigor del código técnico de la edificación (CTE), el Gobierno de España
comienza a impulsar tímidamente la instalación de sistemas con aprovechamiento térmico de la
energía solar. En concreto, el CTE establece la exigencia de que entre un 30% y un 70% del
consumo de agua caliente sanitaria (ACS) se cubra con energía solar. En Europa se tiene una gran
experiencia con la energía solar térmica y se han diseñado sistemas a gran escala que atienden la
demanda térmica de distritos urbanos e incluso de localidades/regiones enteras.
Fig. 1. Mapa europeo de la irradiación global anual sobre módulos óptimamente inclinados y orientados al Sur.
Las mejores condiciones de radiación solar que posee España (ver Fig. 1) sugieren apostar por las
centrales solares para calefacción de distrito con acumulación estacional en aquellas zonas con
consumos significativos de calefacción en invierno, aprovechando así la tecnología que vienen
desarrollando nuestros vecinos europeos.
En este trabajo, se pretende evaluar técnica y económicamente la instalación de un sistema solar
térmico con acumulación estacional que cubra parcialmente (al menos en un 50%) las demandas de
ACS y calefacción de un conjunto de 100 viviendas situadas en la localidad de Zaragoza (España).
De este modo, se desacopla la oferta de la demanda térmica entre periodos de mayor radiación solar
(Verano) y periodos de gran consumo de calefacción (Invierno), obteniéndose independencia
energética, ahorro energético y reducción de emisiones contaminantes.
Tras estudios previos, se decide un diseño del sistema térmico requerido que servirá de base para
dimensionar/seleccionar los equipos necesarios y valorar económicamente de su viabilidad. Para
ello se procede al estudio de su comportamiento dinámico con el programa TRNSYS.
2. Sistema
En el sistema propuesto, cuyo esquema se muestra en la Fig. 2, la energía captada por los colectores
se transfiere al acumulador estacional o al acumulador de ACS (con preferencia). Tener un
acumulador independiente para el ACS, de pequeño tamaño, facilita la obtención de la temperatura
de servicio en pocas horas y permite, como se verá, atender casi toda la carga térmica con energía
solar. El proceso dinámico de carga/descarga del acumulador estacional es mucho más lento, pues
se pretende atender parcialmente la demanda de calefacción en invierno con la energía acumulada
en verano. Las calderas auxiliares apoyaran (y garantizarán) la atención de las demandas cuando no
se alcance la temperatura necesaria en los acumuladores respectivos.
Fig. 2. Esquema del sistema solar (b1 a b6: bombas; hx1 a hx3: intercambiadores; c1, c2: calderas)
La demanda térmica diaria se genera a partir de la demanda de un día tipo de cada mes para un total
de 100 viviendas de la zona residencial Parque Goya en Zaragoza. Esta demanda alcanza un valor
anual de 101,5 MWh para el ACS y de 479,5 MWh para la calefacción, resultando una demanda
total de 581 MWh/año.
La red de calefacción propuesta es una red de baja temperatura (50 ºC), favorable en general para la
generación, acumulación y distribución de la energía en los sistemas solares térmicos. Un sistema
típico de calefacción de baja temperatura es, por ejemplo, el suelo radiante.
La selección de equipos se realiza para: colectores solares, acumuladores, calderas auxiliares,
intercambiadores de calor y bombas. La prioridad es dimensionar el equipo adecuado y, de las
posibles opciones, elegir el más económico a partir de catálogos comerciales (acumulador ACS,
calderas, intercambiadores y bombas) o realizar una estimación de su valor a partir de información
publicada en la bibliografía científica (campo colector y acumulador estacional).
2.1 Colectores solares
Los colectores solares elegidos son del tipo cubierta plana. Estos colectores alcanzan superficies de
captación por encima de 10 m2 y su instalación puede ser tanto en la cubierta de los edificios como
en el propio terreno. La superficie que se propone instalar, sobre terreno, es de 801 m2, lo que
corresponde a un ratio de 1,375 m2/ (MWh/año). En la Tabla 1 se muestran las características
técnicas de los colectores solares, instalados con orientación Sur y 50º de inclinación, y operados
con un caudal “low flow” de 20 kg/(m2·h).
Tabla 1. Características técnicas de los colectores solares
Modelo ARCON HT-SA
Dimensiones exteriores 2,27 x 5,96 x 0,14 m
Área bruta/ apertura 13,57/12,57 m2
Fluido de trabajo Agua-Glicol (33,3% vol. de etilenglicol)
Caudal de test 1499,9 l/h
Curva de eficiencia η = η0 – a1·T*m – a2·G·T
*m
2
η0 0,738
a1 1,63 W/(m2·K)
a2 0,0299 W/(m2·K
2)
2.2 Acumuladores
Para dimensionar el acumulador de ACS se considero cubrir un suministro diario de 6,52 m3/día
correspondiente al día tipo de mayor demanda. El volumen de acumulación se estableció en 7 m3.
Las características técnicas del acumulador seleccionado se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Datos técnicos del acumulador inercial de ACS
Modelo Ibersolar Keramtech
Volumen 7 m3
Tª max. de operación 100 ºC
Altura 2751 mm
Diámetro interno 1800 mm
Aislamiento 50 mm poliuretano flexible de alta densidad
El volumen del acumulador estacional necesario para alcanzar una fracción solar próxima al 50% de
la demanda de calefacción se estimo en 2402 m3. Debido a sus dimensiones este acumulador debe
construirse in situ. Como guía del proceso de construcción puede considerarse la instalación del
acumulador tipo tanque de agua (TTES) realizada en la ciudad alemana de Munich en el año 2006.
En la Fig. 3 se puede ver una sección de dicho acumulador y en la Tabla 3 los parámetros más
importantes del acumulador estacional diseñado para el estudio realizado.
Fig. 3. Detalles del acumulador instalado en Munich (www.solites.de)
Tabla 3. Datos técnicos del acumulador estacional
Tipo Tanque de agua
Volumen 2402 m3
Tª max. de operación 100 ºC
Altura 10326 mm
Diámetro interno 17210 mm
Coeficiente de perdidas térmicas 0,278 W/(m2·K)
2.3 Calderas auxiliares, intercambiadores de calor y bombas
Las calderas auxiliares con potencia térmica de 39 kW (ACS) y 395 kW (calefacción) pueden
suministrar el 100% de las demandas térmicas, independientemente de la instalación solar.
Para los intercambiadores de calor se estableció por cálculo el coeficiente global UA que permitiera
una eficiencia de 0,95 en las condiciones más adversas de trabajo.
El dimensionado de las bombas de impulsión se estableció a partir de los caudales máximos y la
pérdida de carga asociada en los circuitos correspondientes. Esta pérdida de carga es la suma de las
pérdidas de los equipos con los que se encuentre conectada en serie la bomba, más las pérdidas de
carga asociadas a la longitud de las tuberías del circuito y los elementos accesorios. Para el cálculo
de las perdidas en tuberías se utiliza la formula de Darcy-Plandtl para tubos lisos.
3. Modelo TRNSYS
TRNSYS es una herramienta informática que proporciona un entorno completo para la simulación
dinámica de sistemas energéticos, incluidos edificios. El esquema del sistema propuesto en el
apartado 2 tiene ahora su reflejo grafico en la Fig. 4.
La radiación solar anual se generó con el programa METEONORM, que crea ficheros en formato
TMY2 reconocible por el entorno de TRNSYS. Estos datos se obtuvieron para la localidad de
Zaragoza (Altitud: 247 m; Latitud: 41,39º N; Longitud: 1,00º W).
Fig. 4. Sistema solar térmico con acumulación estacional representado en TRNSYS
Tabla 4. Modelos TRNSYS de los componentes del sistema diseñado y parámetros característicos
Nombre Definición Type Parametros Valor
Tiempo Modelo de radiación solar incidente 109 Inclinación de la superficie 50º
Archivo externo Zarahour.tm2
Terreno Modelo de la Tª del terreno 77
Nº de nodos 6
Temperatura media de superficie 14,76 ºC
Calor especifico del terreno 0,73 kJ/(kg·K)
Profundidad de los nodos 1,...,6 12,...,2 m
Control 1, 2, 3 Controles diferenciales de Tª 2b
∆T superior 20 ºC
∆T inferior 10 ºC
Tª de corte 100 ºC
Demanda calefacción Lector de la demanda de calefacción 6 Archivo externo Demanda Heating
100Viv.txt
Demanda ACS Lector de la demanda de ACS 6 Archivo externo Demanda ACS
100Viv.txt
Colectores Modelo de colector plano 1a
Numero de colectores 59
Área del colector 13,575 m2
Calor especifico del fluido 3,84 kJ/(kg·K)
Caudal de test 1499,9 l/h
a0 0,738
a1 1,63 W/m2·K
a2 0,0299 W/m2·K2
Acum. Estacional Modelo de acumulador estacional 4c
Volumen 2402 m3
Calor especifico del fluido 4,18 kJ/(kg·K)
Densidad del fluido 980 kg/m3
Coeficiente de perdidas térmicas 0,278 W/m2·K
Numero de nodos 10
Acum. ACS Modelo de acumulador de ACS 4a
Volumen 7 m3
Calor especifico del fluido 4,22 kJ/(kg·K)
Densidad del fluido 980 kg/m3
Coeficiente de perdidas térmicas 0,556 W/m2·K
Numero de nodos 6
c1 Modelo de caldera auxiliar de ACS 6
Potencia máxima 43 kW
Rendimiento 0,93
Tª de servicio 60 ºC
c2 Modelo de caldera auxiliar de calefacción 6
Potencia máxima 395 kW
Rendimiento 0,92
Tª de servicio 50 ºC
hx1, hx2 , hx3 Modelo de intercambiadores de calor 5b
Coeficiente global UA hx1 3544 W/m2·K
Coeficiente global UA hx2 4529 W/m2·K
Coeficiente global UA hx3 4289 W/m2·K
b1, b2, b4 Modelo de bombas 3b
Caudal máximo b1 8,6 m3/h
Potencia nominal b1 1100 W
Caudal máximo b2 8,3 m3/h
Potencia nominal b2 1100 kW
Caudal máximo b4 8,3 m3/h
Potencia nominal b4 200 kW
b3 Modelo de bomba de caudal variable 110 Caudal máximo b3 0,62 m3/h
Potencia nominal b3 550 W
p1, p2, p3, p4 Modelo de tuberías de conexión 709
Diámetro interior 0,040 m
Diámetro exterior 0,042 m
Longitud de tubería p1, p3 175 m
Longitud de tubería p2, p4 125 m
Las demandas térmicas horarias anuales, tanto de ACS como de calefacción, se registran en un
archivo tipo texto y se introducen en el modelo. Ya se comentó antes que las demandas se
obtuvieron a partir de medidas reales en un grupo de viviendas de la zona residencial Parque Goya
en Zaragoza.
En la Tabla 4 se recogen los modelos de equipos utilizados en TRNSYS para simular los equipos
así como los parámetros más importantes del sistema diseñado.
3.1 Balance de energía anual
El balance térmico completo para un año regular de operación de la instalación diseñada se muestra
en la Fig. 5. Como puede apreciarse el rendimiento anual del colector solar es del 42%. Como es
lógico el acumulador de ACS tiene un rendimiento (86%) mucho mayor que el acumulador
estacional (68%). Una de las conclusiones más importantes, obtenidas del análisis de resultados
operacionales de las instalaciones europeas, es la importancia de un buen aislamiento térmico del
acumulador estacional. En la práctica, se han observado perdidas de calor superando las
estimaciones de diseño en 30% hasta 300%. Esto produce una disminución apreciable en la fracción
solar alcanzada con relación a la supuesta en diseño.
Fig. 5. Balance térmico anual del sistema diseñado
3.2 Comportamiento dinámico de la instalación
En las Figuras 6 a 8 se muestra el comportamiento mensual para un año regular de operación de la
instalación diseñada. Según vemos en la Fig. 6 el mes con mayor oferta solar es Agosto. Sin
embargo, desde Marzo a Julio se consigue captar más energía que en Agosto. Esto se debe a que
conforme se va cargando el acumulador estacional la temperatura del líquido caloportador en los
colectores solares aumenta y, por tanto, disminuye su rendimiento. La Fig. 7 muestra como la
cobertura solar de la demanda de ACS se mantiene elevada (superior al 50%) a lo largo de todo el
año. De Junio a Septiembre la cobertura es prácticamente del 100%. En conjunto la cobertura anual
es del 73%. La Fig. 8 muestra como la cobertura solar solo es elevada durante los primeros meses
de la temporada de calefacción. En conjunto la cobertura anual es del 49%. Agrupando ambas
demandas, la de ACS y calefacción, el sistema diseñado consigue una cobertura anual del 53%.
Fig. 6. Energía solar incidente, captada (rojo) y desaprovechada (azul) en kWh/mes
Fig. 7. Producción mensual (kWh) y fracción solar del ACS
Fig. 8. Producción mensual (kWh) y fracción solar de la calefacción
Fig. 9. Comportamiento térmico mensual del acumulador estacional (kWh)
Fig. 10. Temperaturas (ºC) en el techo (rojo), media (azul) y fondo (rosa) del acumulador estacional
El acumulador estacional (Fig. 9) se descarga por completo atendiendo la demanda de calefacción
en los meses de Octubre, Noviembre y Diciembre. De Enero a Marzo, cuándo la demanda de
calefacción es todavía alta, el acumulador descarga todo el calor que le llega. A partir de Abril se va
cargando hasta alcanzar el máximo nivel de temperatura en Septiembre. La Fig. 10 muestra las
temperaturas en el acumulador estacional para un año regular de operación de la instalación
analizada.
3.3 Consumo de auxiliares
En este trabajo se ha tenido en cuenta el consumo auxiliar de energía para el funcionamiento del
sistema diseñado. Este consumo tiene dos partes bien diferenciadas. En primer lugar, el consumo de
combustible de las calderas auxiliares que atenderán la demanda de ACS y calefacción no atendida
con energía solar. En segundo lugar, pero también importante, la energía eléctrica necesaria para el
funcionamiento de las bombas hidráulicas que hacen circular el agua por la instalación. En la Tabla
5 se representan estos consumos mes a mes a lo largo del año.
Tabla 5. Consumo de energías auxiliares
Consumo bombas (kWh) Consumo calderas (GJ)
b1 b2 b4 b3 Total c1 c2 Total
Jan 236 186 14 247 683 19 409 428
Feb 251 198 15 199 664 15 247 262
Mar 325 257 18 180 780 9 90 99
Apr 345 273 15 126 760 6 9 16
May 391 309 16 0 715 5 0 5
Jun 360 284 14 0 659 2 0 2
Jul 350 276 12 0 638 0 0 0
Aug 277 219 9 0 505 0 0 0
Sep 260 206 11 0 477 1 0 1
Oct 233 184 13 118 548 5 0 5
Nov 214 169 12 190 586 17 0 17
Dec 192 151 15 261 619 18 223 241
Anual 3436 2713 165 1320 7634 98 978 1076
4. Análisis económico
4.1 Coste energético
Considerando un precio para el gas consumido por las calderas de 11,2 €/GJ se obtiene un coste
anual de unos 12050 €. Considerando un precio de 0,16 €/kWh para la energía eléctrica consumida
por las bombas se obtiene un coste anual de 1220 €. En total los costes energéticos de operación a lo
largo del año son de 13270 €.
4.2 Estimación de la inversión
La inversión inicial a realizar, sin incluir el IVA ni ayudas, se ha estimado en 1,3·106 € aprox. La
estimación incluye los precios de compra de los equipos que conforman el sistema, así como la
instalación de los mismos y un margen industrial para imprevistos del 15%. En la Tabla 6 se
muestra un desglose de la inversión a realizar. Suponiendo un 6% de interés y una vida útil de 20
años, el factor de amortización anual de la inversión se calcula en 0,087 año-1
. Por tanto el coste
anual del capital invertido es de 112240 €.
Tabla 6. Inversión
Componente Dimensión Precio Factor de modulo simple Coste (€)
Campo solar 801 m2 490 €/m
2 Incluido en precio unitario 392490
Acumulador estacional 2400 m3
250 €/m3 Incluido en precio unitario 600000
Acumulador ACS 7 m3 21860 € 1,3 28420
Caldera calefacción 395 kW 8400 € 1,7 14280
Caldera ACS 43 kW 2570 € 1,5 3860
Intercambiador hx1 50 m2
12100 € 1,5 18150
Intercambiador hx2 34 m2 8900 € 1,5 13350
Intercambiador hx3 113 m2 28200 € 1,5 42300
Bomba b1 1100 W 820 € 2,5 2050
Bomba b2 1100 W 820 € 2,5 2050
Bomba b3 (caudal variable) 550 W 1250 € 2,5 3130
Bomba b4 200 W 700 € 2,5 1750
TOTAL componentes 1121830
Imprevistos, 15% 168270
Inversión TOTAL 1290100
4.3 Otros costes
Los costes anuales de mantenimiento se estiman en el 1% de la inversión; es decir, en 12900 €.
4.4 Coste anual total y coste unitario del calor
La suma de los costes anteriores supone un valor anual de 138410 €. Como la demanda anual de
calor es de 581 MWh, el coste unitario resulta igual a 0,24 €/kWh.
4.5 Coste unitario del calor solar
Para calcular el coste unitario del calor solar excluimos de los costes de amortización y
mantenimiento la parte correspondiente a las calderas, resultando 110420 €/año y 12690 €/año,
respectivamente. Los costes de energía eléctrica, 1220 €/año, debemos imputarlos íntegramente al
calor solar. Sumando estos costes resulta un coste anual para el calor solar producido de 124330 €.
Puesto que la producción solar anual es de 310 MWh/año, el coste unitario resulta de 0,40 €/kWh.
5. Comparación con otros sistemas
En la Tabla 7 se recogen los datos obtenidos de varios sistemas instalados en Alemania y del
sistema diseñado para la ciudad de Zaragoza.
Tabla 7. Comparación de datos técnicos y económicos de varios sistemas solares térmicos con acumulación estacional
Localización Demanda
Anual
D (MWh/a)
Área
Colectores
A (m2)
Volumen
Acumulador
V (m3)
Fracción
Solar
(%)
Ratio
A/D
m2/(MWh/a)
Ratio
V/A
m
Coste
Calor Solar
€/kWh
Friedrichshafen 4106 5600 12000 47 1,36 2,14 0,159
Hamburg 1610 3000 4500 49 1,86 1,50 0,257
Munich 2300 2900 5700 47 1,26 1,97 0,240
Hanover 694 1350 2750 39 1,95 2,04 0,414
Zaragoza 581 801 2400 53 1,38 3,00 0,400
Los sistemas comparados pertenecen a la misma tipología de sistema solar térmico y tienen un
acumulador estacional del mismo tipo; es decir, los captadores solares utilizados son planos y el
sistema de acumulación térmica es un tanque de agua caliente. Al disponer España de una mayor
cantidad de radiación solar anual, los parámetros de diseño para Zaragoza varían con respecto a los
utilizados en Alemania. Para valores similares de demanda energética y fracción solar a alcanzar, se
requiere en España una menor superficie de colectores solares y un mayor volumen de acumulación
térmica estacional. Esto se observa claramente con el ratio volumen / área resultante del diseño del
sistema solar térmico de Zaragoza que muestra la Tabla 7.
En cuanto al coste unitario del calor solar producido puede verse claramente que disminuye cuando
aumenta el tamaño del sistema; es decir, cuando aumenta la demanda térmica del sistema
consumidor. Esto se debe a dos efectos ligados al tamaño del acumulador estacional. En primer lugar a que las economías de escala con el volumen son acusadas (el acumulador de Friedrichshafen
5 veces mayor que el de Zaragoza tiene un coste por m3 inferior a la mitad). En segundo lugar a que
la pérdida relativa de calor disminuye al aumentar el volumen (el acumulador de Friedrichshafen
con 5 veces el volumen del de Zaragoza tiene una pérdida por m3 inferior a la mitad).
Para alcanzar una determinada cobertura pueden existir puntos de diseño diferentes en lo que
respecta a la relación V/A. La inversión a realizar aumenta drásticamente para coberturas solares
elevadas. La experiencia muestra que no debe sobrepasarse el 60% para no incrementar
excesivamente el coste del calor solar producido. Concretamente en nuestro sistema el coste
unitario alcanza un valor de 400 €/MWh, algo mayor que el de los sistemas instalados en Alemania.
Sin embargo debe tenerse en cuenta que su tamaño es pequeño y que hemos añadido un 15% de
imprevistos a la inversión calculada.
6. Conclusiones
En este trabajo se abordó el reto de ofrecer una guía de diseño que facilite la instalación, en España,
de sistemas solares térmicos con acumulación estacional, capaces de atender con elevada fracción
solar las demandas de calefacción y ACS de un conjunto de edificios. Se observó la oportunidad
clara de innovación en el marco nacional, debido al potencial solar desaprovechado y a la necesidad
de políticas de desarrollo sostenible que potencien el uso de las energías renovables y reduzcan la
dependencia energética con terceros países. También, se disponen a favor las numerosas
experiencias que se vienen desarrollando con estos sistemas en países vecinos de la Unión Europea.
El estudio realizado proporciona como resultado la caracterización técnica y económica de un
sistema solar con acumulación estacional que atiende la demanda térmica de 100 viviendas en
Zaragoza. Se obtuvo una cobertura solar del 53% de la demanda con un coste unitario de 400
€/MWh. El coste del calor solar resulta entre 3 y 5 veces más caro que el obtenido en la producción
centralizada de calor con calderas. Es previsible que esta diferencia vaya disminuyendo en el futuro,
al reducirse los costes de inversión, en particular, de los acumuladores estacionales, y al aumento
probable del precio de los combustibles ahorrados.
7. Bibliografía
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10) F. Palacín, M.A. Lozano. Sistemas de calefacción de distrito con aporte solar y acumulación térmica
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Proyecto final de carrera, Universidad de Zaragoza, Septiembre 2009.
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