confort térmico altoandino a 3700msnm
TRANSCRIPT
CONFORT TÉRMICO ALTOANDINO
Maestría en Energías Renovables y Eficiencia Energética
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
Facultad de Ciencias
2016
LIMA-PERÚ
Propuesta de técnicas bioclimáticas para lograr el confort
térmico y ahorro energético en viviendas o edificaciones
con el uso de tecnologías renovables en una zona alto
andina de la región Ayacucho a 3700msnm.
Alumno: JUAN OMAR MOLINA FUERTES
Asesor: Msc. Rafael L. Espinoza Paredes
Curso: SEMINARIO DE TESIS I
1. OBJETIVOS
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3. HIPÓTESIS
4. JUSTIFICACIÓN
5. ANTECEDENTES
6. METODOLOGÍA
7. PLAN DE ACTIVIDADES
8. REFERENCIAS
INDICE
1. OBJETIVO
Proponer y evaluar nuevas técnicas bioclimáticas instaladas en
un Módulo Experimental de Vivienda (MEV) [1], mediante la
aplicación de métodos analíticos y experimentales para verificar
el mejoramiento de las condiciones del ambiente interior de
una vivienda o edificación, con la estrategia de tecnologías
limpias integradas sobre su envolvente que generen ahorro
energético. Técnicas bioclimáticas como el sistema de muro
radiante y, volúmenes diferenciados de agua sobre geometrías
de contenedores radiantes acumuladores de calor sensible (tubo
radiante).
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
FUENTE: Adaptado de Compendio Estadístico de l INDECI, pág. 45, 2013.
La vulnerabilidad a las bajas temperaturas son, mala alimentación, viviendas
inadecuadas, vestimentas inadecuadas, desconocimiento en la población de
conceptos de ventilación y aprovechamiento de la energía solar, entre otros.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Viviendas inadecuadas para contrarrestar el frio extremo-FALTA DE
IMPLEMENTACIÓN DE ESTRATEGIAS Y TECNICAS BIOCLIMÁTICAS
CONSTRUCTIVAS-FALTA DE CONFORT TÉRMICO.
Características de las viviendas en zonas altoandinas. Fuente: CER-UNI
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A que conlleva esto en épocas de heladas, a que año tras año se presente
causando enfermedades y mortandad generalmente de niños y adultos
mayores ubicados en zonas a más de 3000msnm.
Fuente:http://canaln.pe/actualidad/solucione
s-vestimenta-combatir-friaje-y-heladas-
n191249
Qué hacer?
http://elcomercio.pe/peru/cusco/friaje-cusco-
promueven-proyecto-hogares-calidos-noticia-1816847
La salud humana y el confort
han sido percibidos como los
parámetros más importantes
durante las evaluaciones de los
ambientes interiores. Martin
Kegel [2].
La incomodidad térmica
- Afecta el estado de ánimo.
- Baja la productividad.
- Aumento de quejas.
- Rechazo de trabajo.
- Entre otros.
Hogares
confortables
Hogares confortables para reducir el impacto de
las heladas en las poblaciones rurales altoandinas.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Pobreza urbana y rural.
Carencia de áreas verdes.
Consumo incesante de los recursos naturales.
Gastos energéticos.
Crecimiento de la población y ciudades.
Aplicación de materiales de construcción inadecuados
de la zona.
Diseños con ningún carácter bioclimático.
El Perú cuenta con 28 tipos de climas, pero se diseña y
construye sin tenerlos en cuenta.
Poca difusión de tecnologías de fuentes de EERR.
Entre otros …
Situaciones que dificultan alcanzar el confort térmico en el país:
Fuente: Adaptado MINEM
Alcanzar el confort térmico conlleva a: Gas de Efecto Invernadero
Dióxido de carbono (CO2)
Metano (CH4)
Óxido nitroso (N2O)
Hidrofluorocarbonos (HFC)
Perfluorocarbonos (PFC)
Hexafluoruro de azufre (SF6)
Trifluoruro de nitrógeno (NF3)
Fuente: IPCC 2013, pág. 4
Fuente: IPCC 2007 y
PNUMA 2012
Objetivo Global • Mantener incremento de
temperatura por debajo de los 2°C (Posición conservadora).
• ¿Proseguir esfuerzos para limitar ese aumento a 1.5°C?
Fuente: Claudia R. Farro, DAR, El Acuerdo de
Paris, Implicaciones para la región
Latinoamérica, 2016.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
A nivel mundial, el consumo energético en edificios comerciales,
públicos y residenciales (sector CPR), representa un 35% del consumo
final, y hasta un 30% de todos los gases de efecto invernadero relacionados con le energía. El principal uso es la calefacción (Agencia
Internacional de la Energía - AIE, 2012).
El MINEM en su Balance Nacional de Energía Útil (2007), señaló que el
consumo residencial, comercial y público ocupó: El primer lugar entre
los que consumían mas energía eléctrica con 43%. El tercer lugar de
consumo de derivados de hidrocarburos.
Por tales motivos, el presente estudio se presenta como una alternativa
de consideración como técnica aplicativa que complemente y
contribuya energéticamente a lograr alcanzar el confort térmico y
ahorro energético en viviendas o edificaciones especialmente en zonas
de climas de frio extremo, y donde además, dicha tecnología permita
ser adaptada, desarrollada, y masificada en nuestro medio local.
3. HIPÓTESIS
La aplicación de nuevas técnicas
bioclimáticas con tecnologías de energía
renovable e integración de materiales en
comunidades rurales altoandinas, conllevaran
a alcanzar condiciones de temperatura y
humedad relativa en el interior de una
vivienda que provean bienestar térmica a sus
ocupantes.
4. JUSTIFICACIÓN
El uso de mejores prácticas mediante las tecnologías renovables
para lograr el confort térmico en las viviendas o edificaciones
contribuye a fomentar el uso las tecnologías limpias de la mano
con las técnicas tradicionales en el uso de materiales locales y
fuentes potenciales de recursos energéticos naturales como el
Sol para además, catalogar a la vivienda como sustentable,
siendo esta construida “buscando aprovechar los recursos
naturales de tal modo que se minimice el impacto ambiental
de la construcción sobre el ambiente natural y los
habitantes” [4] . Alcanzar el confort térmico subsanara las
consecuencias en materia de salud ocasionadas por las
inclemencias del frio extremo en zonas altoandinas.
5. ANTECEDENTES
Norma EM.110 Confort Térmico y Lumínico con Eficiencia Energética para ser
aplicado a las nuevas construcciones de viviendas, así como, en la ampliación,
remodelación, refacción y/o acondicionamiento de edificaciones existentes de
acuerdo a la ley 29090 [5].
FUENTE: Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento, Norma E.M110 Confort Térmico y
Lumínico con Eficiencia Energética, pág. 24., 2014.
ANTECEDENTES
Respecto al estudio, investigación, y prácticas para alcanzar el confort
térmico, instituciones como :
CER-UNI
PROPUESTA TÉCNICA
Aislamiento higrotermico de pisos. Aislamiento térmico de techos.
Empleo de puertas y ventanas de madera.
Instalación de claraboyas con coberturas de madera.
REDUCCIÓN DE INFILTRACIONES
Sellado de grietas en el encuentro muro-techo, y entre los vanos de puertas y ventanas con su marco.
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN PASIVA
Invernaderos adosados a los dormitorios. Claraboyas en el techo.
ANTECEDENTES
CER-UNI
PROPUESTA TÉCNICA DE CONFORT TÉRMICO PARA VIVIENDAS UBICADAS EN COMUNIDADES
ENTRE LOS 3000 y 5000msnm . En Puno y Ayacucho.
Con estas alternativas de solución constructiva se puede lograr
aumentar temperaturas interiores críticas en la vivienda desde
condiciones infrahumanas (mínimos de 3°C), hasta condiciones
adecuadas para el medio (mínimos de11°C), utilizando para ello
soluciones constructivas adecuadas, y aprovechando el recurso
solar como potencial energético de la zona y fuente principal de
calentamiento [9].
FUENTE: CER-UNI [9].
ANTECEDENTES
CER-UNI ESTUDIO PILOTO DE ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO PARA EDIFICACIONES RURALES
ALTOANDINAS. 4480msnm, Huancavelica 2012. Estudio realizado para la
Dirección Nacional de Construcción del MVCS [16].
Se logro aumentar mínimos interiores hasta 8°C respecto a mínimos exteriores de -1°C.
ANTECEDENTES GRUPO-PUCP
CASA CALIENTE LIMPIA: K’OÑICHUYAWASI. Canas 4000msnm, Cusco, 2011.
TECNOLOGIAS APROPIADAS
Pared caliente.
Cocina mejorada.
Sistema de aislamiento para techos.
Se estima que con la implementación de estas
tecnologías se puede aumentar hasta 10°C de
temperatura al interior de la vivienda.
FUENTE:http://gruporural.pucp.edu.pe/nuestros_proyectos/konichuyawa
si-casa-caliente-limpia/
ANTECEDENTES 1. Sistema fotovoltaico, 120W.
2. Cama calefactora.
3. Baño ecológico con biodigestor.
4. Terma solar.
Fuente: http://miguelhadzich.com/wp-content/uploads/2013/05/4.-CASAS-
ECOLOGICAS-Curso-Tecnologias-para-Hoteles-Ecologicos-3-Mayo-2013.pdf
ANTECEDENTES ONG CARE PERÚ
Confort Térmico en Viviendas Altoandinas … un enfoque integral. Huancavelica 3500msnm, 2010.
La acción de mejora del confort térmico comprende:
Ductos solares.
Cielos rasos.
Pisos aislantes.
Muros trombe
Modelo fitotoldo.
Cocinas mejoradas.
Se logra aumentar los mínimos de temperatura con respecto a las mediciones obtenidas en la vivienda con Confort Térmico e Invernadero Familiar, 5°C aproximadamente, donde la menor temperatura llega hasta los 11°C.
Fuente: Care-Perú, Confort
Térmico en viviendas
altoandinas, 2010, Perú.
ANTECEDENTES UNAP
Construcción de una vivienda solar en base a las propiedades termofisicas y
evaluación experimental de su confort térmico en Ilave, Puno, 3868msnm, 2014.
Elementos constructivos:
Doble pared de adobe.
Cielo raso: paja-carrizo-yeso.
Piso: tierra apisonada, cama de
piedras, plástico, ichu, y totora.
La vivienda construida en base a materiales con propiedades termofisicas , provisto de un adecuado aislamiento térmico y acumulación de energía solar, se logro elevar la temperatura mínima en el interior de la vivienda de 5.54°C a 11.8°C, es decir una ganancia de 6.26°C.
Fuente: Arturo F. Condori, Rev. Investigación
Altoandina, 2014, Vol. 16, Nro. 1, 177-186.
ANTECEDENTES PROGRAMA NACIONAL DE VIVIENDA RURAL-MVCS
Libro: Abrigando hogares. Experiencias con medidas de confort térmico en viviendas
rurales altoandinas. Perú, 2016.
SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS
Ventana doble. Doble puerta y ventana con doble vidrio y
contraventana. Cielo raso aislante. Aislamiento térmico de techos con calamina
metálica, colchoneta de lana de oveja y plancha de fibrocemento.
Aislamiento de muro con colchón de totora. Muros contenedores de calor. Aislamiento higrotermico con una cama de
piedras y una cama de entablado de madera.
Claraboyas en el techo. Fitotoldo adosado. Muro trombe.
De las soluciones presentadas, una de las más eficientes para el aislamiento térmico es la implementación del piso con cama de piedra, cámara de aire y entablado de madera.
FUENTE: MVCS, Abrigando hogares, 2016 [7].
ANTECEDENTES Todas estas experiencias respecto a alcanzar confort térmico, se estudian y aplican en base a un diseño
bioclimático representada mediante estrategias y bioclimáticas y herramientas como los diagramas de
Olgyay, Givoni, Mahoney, y Evans, que como resultado nos recomiendan el QUÉ HACER, pero no nos
dice, el COMO HACERLO. El como hacer es la técnica o componente bioclimático.
Fuente: F. Manzano, F. Montoya, A. Sabio, A. Garcia, Review of bioclimatic
architecture, strategies for achieving thermal comfort, Elsevier 2015.
ANTECEDENTES
Por ello, el presente trabajo de tesis propone otras alternativas para
alcanzar el confort térmico mediante las denominadas técnicas o
componentes bioclimáticas altoandinas. R. Espinoza [1], diseño, desarrollo e
implemento en San Francisco de Raymina región Ayacucho, un módulo
experimental de vivienda (MEV) con características bioclimáticas, donde, se
ha diseñado dos compontes bioclimáticos cuya fuente principal de
acumulación de calor por calor sensible es el agua, una componente es el
llamado muro radiante, y el otro, es el componente denominado tubo
radiante, ambos instalados en cada uno de los ambientes independientes de
los dos que conforman el MEV.
Fig.1. (Izq.) Vista del serpentín de muro radiante. (Der.) Vista del tubo radiante. Fuente: R. Espinoza [1]..
ANTECEDENTES MEV: coordenadas 13º45’40’’ de latitud sur y 73º51’26’’ de longitud oeste.
Fuente: R. Espinoza [1]. N
ANTECEDENTES
Fuente: R. Espinoza [1]
ANTECEDENTES
La parte experimental y análisis de resultados del presente trabajo
comprenderá el desarrollo analítico para la determinación de un modelo
matemático que permita encontrar la temperatura del muro radiante en su superficie mediante determinadas consideraciones de transferencia
de calor para el modelo como, estado estacionario, transferencia de calor
bidimensional, fluidos incompresibles, y resistencias de convección y
conducción.
Esquema de los procesos de transferencia de calor en un corte transversal del tubo. (b) Esquema del sistema de
serpentín del muro radiante. Fuente: Elaboración propia.
ANTECEDENTES
Uso de correlación de transferencia de calor por convección forzada para el
flujo interno turbulento de acuerdo a Duffie Beckman [14] para el cálculo
del coeficiente pelicular de transferencia de calor por convección ħ, y el
factor de forma S, de un sistema bidimensional de acuerdo a F. Incropera
[15].
Conociendo el número de Nusselt podemos
encontrar la longitud de la tubería.
f: Factor de fricción
ANTECEDENTES
Esquema del corte transversal de
un tubo del serpentín para
determinar el factor de forma S.
Fuente: Elaboración propia.
Tmrp: Temperatura promedio del muro radiante.
Tset: Temperatura promedio de la superficie exterior
de la tubería.
ṁ: Flujo de masa.
Cp: Calor especifico de fluido a presión constante.
k’: Conductividad térmica del medio donde se
encuentra la tubería.
z: Distancia de la superficie exterior de la tubería a
la superficie del muro.
De: Diámetro exterior de la tubería.
Tm,o: Temperatura media de salida.
Tm,i: Temperatura media de ingreso.
Fuente:F. Incropera [15].
ANTECEDENTES
Cálculo de la trasferencia de calor desde la superficie del muro hacia los
alrededores del ambiente interior del MEV conociendo la Tmrp, involucra
los procesos de transferencia de calor por convección y radiación
representados por el balance térmico:
qi,rad: Calor transferido por radiación
desde la superficie i.
Ai: Área de la superficie.
Fij: Factor de forma.
Ji: Radiosidad.
Vista del corte transversal del serpentín
del muro radiante.
Fuente: Elaboración propia.
Fuente:F. Incropera [15].
Sistema convencional de MURO RADIANTE
1. La temperatura del aire interior esta por encima del aire exterior.
2. La habitación pierde calor hasta el punto de activación de un termostato que
activa el sistema.
3. Un caldero que calienta el agua (82°C). Una variante es usar el Sol para el
calentamiento del agua como el caso en estudio.
Fuente: Hidronic Radiant Heating System. www.vanguard.ca
4. Una bomba que hace circular el agua.
5. El serpentín que brinda calor por radiación (30°C).
6. El agua se enfría (71°C) y se hace recircular de
nuevo a la caldera para ser calentado quedándose en
el ambiente 11°C.
ANTECEDENTES Casos de estudio del tema en otra latitudes:
ANTECEDENTES CANADA
Análisis experimental y analítico de paneles
radiantes perimetrales para Calefacción. 2010.
ARGENTINA
Construcción y ensayo de una
pared radiante hidrónica solar.
Fuente: F. Mendoza, L. Cardón; Construcción y ensayo de una
pared radiante hidrónica solar, Asades, vol. 15, (2011).
Varios resultados teóricos / experimentales muestran que los sistemas radiantes tienen el potencial para lograr ahorros de energía de hasta 30% (Laouadi, 2004).
ANTECEDENTES
Propuestas de mejora del sistema muro radiante:
Utilizar un colector solar de agua de mayor capacidad y mayor rendimiento.
Un CSA de tubos evacuados seria una buena opción.
Fuente: http://www.redsunin.com/
Aislar el área de contacto entre la pared y el serpentín, así como, el área de
contacto entre el techo y colector solar de piscina.
Probar el serpentín adosada a una placa metálica.
ANTECEDENTES
TUBO RADIANTE
• Aumentar el volumen del contenedor de agua.
• Utilizar un colector solar de agua de mayor
capacidad y rendimiento.
Fuente: Msc. Dolores García L., Arquitectura Bioclimática, 2010 [17].
6. METODOLOGÍA
Se realizara a base de medidas y ensayos de pruebas y error hasta
determinar el grado de aplicabilidad y confiabilidad de las buenas
prácticas en el uso de las tecnologías renovables para alcanzar el confort
térmico en el MEV. La aplicabilidad de las técnicas o componentes
bioclimáticos contempla su dimensionamiento, experimentación, y
realización de análisis térmico de transferencia de calor.
El trabajo de investigación se centrara específicamente en la evaluación
de los componentes bioclimáticos del MEV.
Los instrumentos de medición para las medidas de las variables
meteorológicas y climatológicas como la temperatura, humedad
relativa, velocidad y dirección del viento, radiación solar, y
precipitación, serán medidos las 24 horas en el lugar mismo donde se
ubica el MEV.
7. PLAN DE ACTIVIDADES ITEM ACTIVIDAD DEDICACION
1
ESTADO DEL ARTE -Revisión bibliográfica -Análisis bibliográfica -Síntesis bibliográfica
1 MES
2
MARCO TEÓRICO -La climatología en las zonas altoandinas. -Principios de diseño de arquitectura bioclimática en climas fríos. -Técnicas bioclimáticas pasivas de confort térmico. - Las energías renovables integradas en la vivienda. -Ahorro energético e hídrico en la vivienda.
2 MESES
3
DISEÑO Y CONSTRUCCION -Diseñar las propuestas bioclimáticas a construir y evaluar. Sistema de muro y tubo radiante. -Construcción de las propuestas.
2 MESES
4
EXPERIMENTACIÓN -Elaboración de diagnóstico situacional de los componentes bioclimáticos. -Implementación de cambios constructivos y/o modificaciones de los componentes bioclimáticos. -Instalación y monitorización de las variables meteorológicas a medir. Pruebas preventivas y correctivas.
5 MESES
5
ANÁLISIS DE RESULTADOS -Pruebas de ensayo y error según resultados de experimentación. -Tratamiento de datos. -Viabilidad económica.
2 MESES
6
SUSTENTACIÓN DE LA TESIS -Culminación de la redacción. -Presentación. -Sustentación.
2 MESES
ACTIVIDADES MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. ENE. FEB. MARZ ABR.
1 ESTADO DEL ARTE X
2 MARCO TEÓRICO X X
3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN X X
4 EXPERIMENTACIÓN X X X X X
5 ANÁLISIS DE RESULTADOS X X
6 SUSTENTACIÓN DE LA TESIS X X
2016 2017
8. REFERENCIAS
[1] Rafael L. Espinoza Paredes, Evaluación experimental de la performance de dos
componentes bioclimáticas de calentamiento aplicadas en un módulo de vivienda de
San Francisco de Raymina-Ayacucho con el propósito de validarlas como técnicas de
estrategias bioclimáticas para vivienda rurales alto andinas, (2014) cap. III y IV.
[2] Martin Kegel, Experimental and Analytical Analysis of Perimeter Radiant Heating
Panels, (2006) cap. I y III.
[3] F. Mendoza, L. Cardón; Construcción y ensayo de una pared radiante hidrónica
solar, Asades, vol. 15, (2011).
[4] Grissel Hurtado López, La Vivienda Sustentable en México (Metodología y
Legislación), UNAM (2011) 8-11.
[5] Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento, Norma EM.110 Confort
Térmico y Lumínico con Eficiencia Energética, (2014).
[6] Martin Wieser Rey, Consideraciones Bioclimáticas en el diseño arquitectónico: El
caso peruano, Departamento de Arquitectura-PUCP, edición digital N°10 (2011).
[7] Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento, “Abrigando Hogares”
Experiencias con medidas de confort térmico en viviendas rurales altoandinas,
(2016).
[8] Centro de Energías Renovables CER-UNI, Transferencia tecnológica para enfrentar
eventos climáticos extremos transformando una comunidad rural multiandina en un
sistema productivo sustentable con energías renovables, (2014).
[9] R. Espinoza, G. Saavedra, F. Huaylla, A. Gutarra, J. Molina, R. Barrionuevo, L. Lau,
CER UNI, Evaluación experimental de cambios constructivos para lograr confort térmico
en una vivienda altoandina del Perú, Asades, vol. 13 (2009).
[10] Steven V. Szokolay, Introduction to Architectural Science/the basis of sustainable
design, 1ra edicion (2004).
[11] Anésia Barros Frota, Sueli Ramos Schiffer, Manual de Conforto Térmico, 5ta. Edición,
Sao Paulo (2001), cap. 4.
[12] Arturo Flores Condori, Construcción de una vivienda solar en base a las propiedades
termofísicas y evaluación experimental de su confort térmico en Ilave, Universidad
Peruana Unión, Rev. Investigación Alto andina (2014), Vol. 16, Nro. 1, 177-186.
[13] Adnan Ploskic´, Sture Holmberg, Performance evaluation of radiant baseboards
(skirtings) for room heating - An analytical and experimental approach, Elsevier, (2013).
[14] John A. Duffie, William A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, 4ta
edicion (2013), 159-165.
[15] FranK P. Incropera, David P. DeWitt, Fundamentos de transferencia de calor, 4ta
edición, cap. 4 y 13, Prentice Hall, México (1999).
[16] Dirección Nacional de Construcción del MVCS, Soluciones constructivas para elevar la
temperatura interior en viviendas rurales ubicadas en zonas altoandinas, 2013.
[17] Ma. Dolores García L., Arquitectura Bioclimática, Viviendas Bioclimáticas en Galicia,
2010, http://www.asociacion-touda.org/documentos/bioclimatica.pdf.
REFERENCIAS
http://alternativarenovable.blogspot.pe https://www.facebook.com/alternativa.renovable/