Espinoza paredes rafael

XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EXPERIMENTACIÓN DE DOS COMPONENTES

BIOCLIMÁTICAS PARA TRANSPORTAR EL CALOR SOLAR A AMBIENTES

INTERIORES DE VIVIENDAS RURALES ALTO ANDINAS DEL PERÚ

Espinoza, Rafael*, Horn, Manfred**

*Centro de Energías Renovables y Uso racional de la Energía de la Universidad

Nacional de Ingeniería, Av. Túpac Amaru 210 Lima 25, Perú, +51954812662,

[email protected]

**Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería, Av. Túpac Amaru

210 Lima 25, Perú, +51999283537, [email protected]

RESUMEN

Este artículo relata el proceso experimental al que fue sometido un módulo de vivienda rural alto andina con dos componentes bioclimáticas diferentes en cada una de sus dos

habitaciones, con el fin de evaluar su comportamiento como técnicas bioclimáticas para el

calentamiento de ambientes interiores. Se usa la energía solar para calentar agua que

luego se la dirige hacia cada ambiente en los que se instaló un muro radiante en uno y un tubo radiante en forma de L en el otro, el proceso experimental se desarrolló en la

comunidad peruana de San Francisco de Raymina (3 700msnm) de la región Ayacucho

entre el 21 de agosto y el 06 de noviembre de 2013 obteniendo incrementos de hasta 8ºC en

la temperatura mínima interior, además se ha calculado una efectividad experimental que resulta igual a 3,6 ºC/kWh-d para el tubo radiante y 0,22 ºC/kWh-d para el muro radiante.

PALABRAS CLAVE: Confort térmico, Técnicas bioclimáticas, Energía Solar,

INTRODUCCIÓN

Aproximadamente el 20% de la población del Perú que bordea los 30MM de habitantes

viven en pisos altitudinales mayores a 3 500msnm y cerca del 50% de estos pertenecen a

poblaciones rurales aisladas con diverso grado de escases de servicios básicos, con marcada incidencia en el de energía; tienen largos periodos del año con heladas (T < = 0ºC) que la

precariedad de su estado vivencial sucumbe frente a ellas cobrando año tras año vidas de

niños, ancianos y animales. Lo paradójico es que dichas zonas geográficas reciben entre 5 y

8 kWh/m2 de radiación solar cada día del año, energía más que suficiente para aplacar aquel

sufrimiento. Frente a esta problemática, el Centro dev Energías Renovables y Uso Racional

de la Energía de la Universidad nacional de Ingeniería, CER-UNI, de Lima-Perú, viene

desarrollando y generando tecnología para reforzar y crear defensas estructurales contra el

frío intenso invernal. En este escenario, durante los años 2012 y 2013 se diseñó y experimento el comportamiento de dos sistemas de calentamiento solar de agua y dos

dispositivos de recepción del agua caliente y transferencia de calor al ambiente objetivo en

una Comunidad representativa del rango altitudinal 3 000 a 4 000msnm, incorporados en el

diseño de un módulo de vivienda experimental compuesto de dos ambientes físicamente idénticos en cuyo interior se instaló el dispositivo de recepción de agua caliente y

transferencia de calor al aire de cada uno de ellos, logrando importantes y alentadores

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resultados que devienen en preliminares en el ilimitado escenario técnico de aplicación

futura y alcance inimaginable cercano al medio millón de familias rurales pobres. De hecho, los resultados tecnológicos obtenidos durante los últimos 8 años de investigación y

desarrollo en este campo, están en poder del Ministerio de Vivienda Construcción y

Saneamiento del Perú siguiendo el inevitables trámite burocrático previo a su aplicación.

DISEÑO DE COMPONENTES

La ubicación relativa de la comunidad de San Francisco de Raymina (SF de R, 3 700msnm) se muestra en la figura 1. Está en el distrito de Huambalpa, provincia de Vilcashuaman de

la región Ayacucho, parte sur occidental del Perú

Fig. 1 Ubicación relativa de la Comunidad San Francisco de Raymina dentro del

territorio peruano.

De acuerdo con la información climática del Perú, se sabe que en las zonas geográficas que se encuentran dentro del rango altitudinal de 3 000 a 5 000 msnm tienen en el año entre 120

y 270 días de heladas (T < = 0ºC) que afectan a 5,5 a 6,0 MM de personas /…/.

El objetivo del estudio experimental que se relata fue “Diseñar, construir y experimentar dos componentes bioclimáticas para calentamiento de ambientes interiores de una vivienda

rural alto andina.” con el propósito de conocer su efecto y caracterizarlas como técnicas

bioclimáticas de aplicación potencial en viviendas rurales alto andinas del Perú”

La experimentación se llevó a cabo en un Módulo Experimental de Vivienda (MEV)

diseñado y construido con dos ambientes contiguos, cada uno de 3mx3m en su base y 2,4m

de altura interiore y un muro divisorio común, hech íntegramente con adobe de 0,4m de

espesor, una puerta de acceso a cada ambiente y dos ventanas por ambiente; los lados con puerta orientados al norte y sur y los lados con ventanas al este y oeste.


Fig. 2. Esquema del diseño conceptual principal para el diseño y construcción del MEV

Considerando recomendaciones estructurales, operativas, costumbristas y de armonía

global, se ha definido los detalles pertinentes referidos a materiales, formas, dimensiones,

procedimientos, montaje de los sistemas de calentamiento y su operatividad, armonía

ambiental, instalación de sensores de temperatura, diseño del piso, techos, puertas y ventanas; así mismo, se definió los elementos de unión y fijación de estos componentes a la

estructura del MEV.

Sistemas de Captación de Energía Solar y Calentamiento de Ambientes Interiores

Se ha diseñado y construido dos sistemas de calentamiento solar de agua conectados, cada

uno, con un dispositivo ubicado dentro del ambiente habitable con el fin que transfiera el calor solar portado por el agua al aire del ambiente interior o ambiente habitable.

Cada uno de estos dos dispositivos tiene un diseño diferente que armoniza técnicamente

con el tipo de colector solar para el calentamiento del agua.

Componente Bioclimático Sur. Se usa este nombre para referirse al dispositivo de

transferencia ubicado al interior de la habitación del MEV orientada al sur geográfico y está

compuesto por cinco partes principales; a. un colector solar tipo rejilla de aplicación

habitual en temperado de piscinas, b. un serpentín de tupo de tras capas de aplicación

habitual en pisos radiantes, c. conjunto de válvulas de control de flujos, d. un pequeño

sistema de bombeo de fluido caloportador con control diferencial de temperaturas, e.

tuberías de conexión entre el colector y serpentín y éste y el colector. El fluido caloportador

se compuso por 85% de agua y 15% de Glicol para evitar congelamiento nocturno dado que el circuito cerrado generado por los espacios interiores de los capilares del colector,

tuberías de conexión y serpentín fue permanentemente lleno del fluido que circuló durante

el día llevando el calor solar captado por el colector al serpentín dentro de uno de los muros

de la habitación sur para el efecto final de transferencia al ambiente interior. De esta manera se espera que el calor transferido a la masa del muro de adobe permanezca en él por

inercia térmica y sea transferido al ambiente interior durante las horas nocturnas.

Techumbre exterior a dos aguas y falso techo

interior.

Viga collar y sello entre

techos y muros.

Habitaciones formadas

por muros con vanos para

ventanas y puertas.

Aislamiento de suelos

interiores.


Componente Bioclimático Norte. Por analogía y complemento, este componente se instaló en la habitación orientada al norte geográfico y está compuesto, también, de cinco partes

principales: a. un colector solar y acumulador al mismo tiempo (depósito metálico de forma

paralelepípeda al que se le llama batea), b. un dispositivo receptor del agua caliente

formado por un tubo en forma de “L” expuesto en el interior de la habitación, c. un depósito para vaciar el agua del tubo, enterrado a ras del suelo en el exterior de la

habitación, d. un pequeño sistema de bombeo FV para enviar el agua enfriada desde el

depósito de vaciado hasta el colector de batea, e. tuberías de conexión entre el colector y

tubo radiante, depósito de vaciado y colector de batea, sucesivamente. El agua en el colector de batea (70 litros aproximadamente) se calienta durante el día solar y luego baja

por gravedad llenando el tubo radiante y permanece dentro de él hasta el día siguiente

radiando el calor del agua al interior del ambiente, seguidamente la bomba FV impulsa el

agua hasta el colector y se repetirá este ciclo diario. De esta manera se espera que el calor portado por el agua dentro del tubo se transfiera al interior del ambiente durante las horas

nocturnas, hasta el amanecer del día siguente.

Fig. 3. Fotografía compuesta, a la izquierda se muestra la superficie del muro radiante con

las huellas de los sensores de temperatura instalados en él; a la derecha se muestra el conjunto de válvulas de control de flujo y la bomba de impulsión del líquido caloportador.

Fig. 4. La fotografía de la izquierda muestra el tubo radiante en su ubicación dentro de la

habitación norte; la fotografía de la derecha deja ver la imagen del MEV con el colector de rejilla sobre el ala norte de su techo y frente a su lado oeste, la estructura que contiene al

colector de batea y módulo FV(al tope) y elementos de control protegidos en su base.


EXPERIMENTACIÓN Y RESULTADOS

Detalles de la Experimentación

Se utilizó instrumentos de medición ONSET HOBO Data Loggers, con medición y registro

de y Data Loggers (DL) que registra hasta 4 temperaturas diferentes a través de 4 cables con un sensor térmico en su extremo. Todas las mediciones se hicieron a intervalos de 30

minutos durante las 24 horas en zonas y partes críticas de componentes y vivienda. La

temperatura y humedad relativa del ambiente, la dirección y velocidad del viento y la radiación solar global sobre superficie horizontal se midieron y registraron con una estación

meteorológica portátil y profesional instalada a 100m del MEV. El periodo de medición fue

desde el 19 de agosto hasta 07 el de noviembre de 2013. El proceso experimental se diseñó

para obtener data experimental para determinar los incrementos de temperatura logrados en

el aire de los ambientes interiores del MEV y elaborar cálculos de energía para estimar los

calores generados y transferidos en el MEV. Si bien el periodo experimental se produjo

como se acaba de indicar, se ha precisado dentro de él un periodo más corto de alta confiabilidad en la toma de datos experimentales para la elaboración de los resultados

correspondientes, desde el 07 de octubre hasta el 06 de noviembre de 2014.

Procesamiento de la Data Experimental y Resultados Principales

Irradiancia solar. Los resultados de la medición continua de la potencia solar en W/m2

durante todos los días de experimentación han sido procesados para calcular la energñia solar diaria acumulada sobre superficie horizontal, en kWh/m2-día, así como el

correspondiente valor sobre superficie inclinada 15° hacia el ecuador, obteniendo valores

entre el rango nominal de 5,0 a 7,0 kWh/m2-día.

Ganancia Térmica. Para estimar el efecto de cada uno de los dos componentes

bioclimáticos instalados en cada una de las dos habitaciones se ha recurrido al concepto del

Principio de superposición enunciado por el profesor Gilles Lefebvre (1956) de la Universidad Paris Est en el contexto temático de la inercia térmica de las edificaciones.

Esta ganancia térmica está definida como la diferencia entre la mediadiarias de la

temperatura de un ambiente interior respecto a la media diaria de la temperatura del ambiente exterior al otro lado de un muro. De este principio de superposición se toma el

concepto sustantivo en el que se involucran efectos, el de la inercia térmica y el de los

componentes bioclimáticos y será materia de otro trabajo futuro discriminar estos efectos.

Criterios aplicados en el cálculo de la ganancia térmica. 1. Considerar como periodo del

efecto del dispositivo de calentamiento dos casos: 24 y 12 horas al día, en este caso desde

las 18:00 horas de un día y las 06:00 horas del día siguiente. 2. Calcular la diferencia entre la temperatura media del ambiente interior y la temperatura media del ambiente exterior, o

ΔT, para ambos periodos definidos, 24h y 12h. 3. Definir ENERGÍA (kWh-día) la energía

solar global diaria que incidió sobre la superficie de cada colector, denominada). 4. Definir EFECTIVIDAD como el efecto de calentamiento interior en ºC por cada kWh de energía

solar incidente sobre la superficie de cada colector solar, sus unidades son entonces

ºC/kWh-día; y calcularlo para los dos periodos definidos, 24h y 12h dividiendo el valor de

ΔT entre el valor de ENERGÍA. 5. Calcular el calor total diario en el dispositivo de calentamiento, QSERPENTÍN (kWh-día) y QTUBO (kWh-día). 6. Definir EFICIENCIA

como la relación entre el calor total diario en el dispositivo de calentamiento (serpentín,

tubo) y la ENERGÍA, calcularla y expresarla en %.


Fig. 5. Efectividades de cada componente durante el período 07.10 a 06.11.2013

Comportamiento Térmico. Se muestra el resultado térmico interior de las habitaciones.

Fig. 6. Performance diaria del efecto térmico en el interior de las habitaciones.

CONCLUSIONES

1. El Módulo Experimental de Vivienda (MEV) respondió a los requerimientos de

experimentación para los que fue diseñado y construido, tanto en lo referido al diseño y

materiales utilizados cuanto en lo correspondiente a su función como sistema de experimentación.

2. A la luz de los resultados numéricos obtenidos procesando los experimentales, el

componente Tubo Radiante ha demostrado mejor comportamiento que el componente Muro Radiante:

INDICADOR MURO RADIANTE TUBO RADIANTE

Efectividad (ºC/kWh-d) 0,22 3,6

Eficiencia (%) 33,6 59,15

QSOLAR (kWh-d) 26,87 1,64

QCOMPONENTE (kWh-d) 9,03 0,97

QCOMPONENTE (%) 7 (60 – X)

QINERCIA (%) 28 X


3. Los incrementos de temperatura logrados en cada uno de los dos ambientes, no son

resultado exclusivo de los componentes instalados, pues hay contribución importante por ventanas, puertas y muros.

4. Se ha dado un paso adelante de singular importancia en el afán de mejorar el

conocimiento científico y técnico en el amplísimo escenario del confort térmico, muy particularmente en este caso específico aplicado a escenarios geográficos sobre los que hay

poca o ninguna experiencia consistente y quedan aún muchos pasos más por dar hasta

conseguir el dominio del sistema bioclimático andino.

REFERENCIAS

Barrionuevo, R. y Espinoza, R. (2005) Edificaciones Bioclimáticas en el Perú. Seminario Los Edificios Bioclimáticos en los Países de Ibero América, 31 octubre-01 noviembre, San

Martñin de los Andes, Argentina. Editor: Helder Gonçalves INETI-PERTUGAL, pp 57-66

Espinoza et al (2009) Evaluación Experimental de Cambios Constructivos Para Lograr

Confort Térmico en una Vivienda Altoandina del Perú. Avances en Energías Renovables y

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Gonçalves, H. João Mariz Graça (2004) Conceitos Bioclimáticos para os Edifícios em

Portugal;; Tipografia Peres, pp. 113-135. Rua das Fontaínhas, Lote 2, Venda Nova; Lisboa.

Turégano, J.A., Hernández, M.A.., García, F. (s/f) La inercia térmica de los edificios y su

incidencia en las condiciones de confort como refuerzo de los aportes solares de carácter

pasivo. Conarquitectura Dpto. de Ingeniería Mecánica, Universidad de Zaragoza. 65-80

ABSTRACT

This paper provides an experimental process that was put high modulus of Andean rural

housing with two different bioclimatic components in each of its two rooms, in order to

evaluate their behavior as bioclimatic for heating indoors techniques. Solar energy is used

to heat water which is then directed into each room where one wall radiant heating and a L shaped tube in the other, the experimental process was developed in the Peruvian

community of San Francisco de Raymina (3 700msnm) in Ayacucho between August 21

and November 6, 2013 getting increases of up to 8 ° C in a low indoor temperature also has

calculated an experimental effectiveness that is equal to 3.6 ° C / kWh -d for the radiant tube and 0.22 º C / kWh-d for radiant wall.

KEYWORDS: Thermal Comfort, Bioclimatic Techniques, Solar Energy

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Engineering

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