cenidet · curvas de rendimiento de energía para sistemas de acondicionamiento. 27 relación de...

S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTEACION Y DESARROLLO ~~i~

cenidet

“APLICACION DE MODULOS DE PRUEBA A ESCALA PARA MODELAR EL FUNCIONAMIENTO ELECTROTERMICO DE

EDIFICIOS PARA EL USO EFICIENTE DE LA ENERGIA“

T E S 1 S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

M A E S T R O E N C I E N C I A S E N I N G E N I E R I A M E C A N I C A P R E S E N T A : IUO. HOOINNSO ACOLTZI ACOLTZI

DIRECTOR DE TESIS DRA GABRIELA ALVAREZ GARCIA CODIRECTOR DE TESIS DR LUIS BARRERO P

CUERNAVACA, MORELOS OCTUBRE DEL 2000

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Cuernavaca, Mor.

DR. JESUS ARNOLD0 BAUTISTA CORRAL DIRECTOR DEL CENIDET. P R E S E N T E .

AT”: DR. DARIUSZ SZWEDOWICZ WASIK JEFE DEL DEPTO. DE MECÁNICA. P R E S E N TE .

Por este conducto, hacemos de su conocimiento que, después de haber sometido a revisión el trabajo de tesis titulado:

“Aplicación de módulos de prueba a escala para modelar el funcionamiento electrotérmico de edificios para el uso eficiente de la energía”

Desarrollado por ei ing. Higinio Acoltzi Acoltzi, y habiendo cumplido con todas las correcciones que se le indicaron, estamos de acuerdo en que se le conceda la autorización de impresión de la tesis y la fecha de examen de grado.

Sin otro particular, quedamos de usted. u-,

8.EP D.G.1.T -0 NAClCNAi. DE INVESTGACICR)

Y DESARROLLO TLCMCLOEICO SUaDlRECClChl ACADEMICA

A t e n t a m e n t e COMlS 10 N REVISORA

DRA SARA

DR. LUIS BARRERO PEREZ DR. GAUDENCIO RAMOS NIEMBRO

cenidet

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Cuernavaca, Mor.

Ing. Higinio Acoltzi Acoltzi. Candidato al Grado de Maestro en Ciencias en ingeniería Mecánica P R E S E N T E .

Después de haber sometido a revisión su trabajo de tesis titulada:

“Aplicación de módulos de prueba a escala para modelar el funcionamiento electrotérmico de edificios para el uso eficiente de la energía”

Y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el jurado revisor de tesis hizo, se le comunica que se le concede la autorización para que se proceda a la impresión de la misma como requisito para la obtención del grado.

Sin otro particular, quedo de usted

A T E N T A M E N T E

S2w f

DR. DARIUSZ SZWEDOWICZ WASlK JEFE DEL DEPTO. DE INGENIERIA MECANICA.

$ ?

6.EP D.G.LT Y DESAARROLLO TECNOLOGICO

SüaD:RECCIGN AWDEMlCA

CENTRO NACIOFlAL DE INVESTIGACIOP(

INl€RIORINTERNALX PAUIIRASN.COERNAVACAMOlL MEXICO APARTADOWSTAL S164CP62010. CUERNAVACA TELF. Y FAX d l (71) I1 76.13 EMAIL ~cna~ngu,f”,di.,,~i.,m

cenidet

DEDICATORIAS

AI maestro de nuestra era, que es la columna vertebral de mi fe, Jesucristo.

A mi hermano Roberto 9, porque las obras no mueren.

A mi esposa Itha, por todo su amor y apoyo.

A mi hija Tonantzi, como un ejemplo de superación.

A mis padres Juan y Porfiria, por su amor.

A mis hermanos Luis, Lorenzo, Asunción, e Hilario.

A mis suegros Mario y Ma. Luisa.

A todos mis sobrinos.

A mis amigos: Claudio Torres, Meche Nava y Luis Villalobos

“Si los Mexicanos no pensamos como tales, no necesitamos enemigos para ser derrotados”

-adaptación de Mexikano.

RECONOCIMIENTOS

Reconozco públicamente a las personas e instituciones que intervinieron para la realización de mis estudios de maestría.

Mi sincero reconocimiento y gratitud a la Dra. Gabriela Álvarez Garcia, por su calidad personal y profesional vertida en este trabajo.

Al Dr. Luis Barrero Pérez, por sus acertados comentarios.

AI Dr. Gaudencio Ramos Niembro, por su participación en el desarrollo de esta tesis.

A los doctores Gabriela Álvarez Garcia, Luis Barrero Pérez, Sara Lilia Moya Acosta, y Gaudencio Ramos Niembro, integrantes del comité revisor, por los comentarios vertidos.

Al Ing. Osslan Osiris Vergara, por sus comentarios sobre el programa de computo.

A los profesores y personal del cenide t.

Al cenidet y en especial al Departamento de Ingeniería Mecánica, por brindarme la oportunidad de ser uno de sus alumnos.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, conacyt, por el apoyo económico.

A la Secretaria de Educación Pública, por su apoyo económico.

AI Instituto de investigaciones Eléctricas, en especial a la División de Sistemas Eléctricos y la Gerencia de Uso de Energía Eléctrica, por haberme brindado las facilidades para la realización ‘de mi programa de posgrado.

Contenido

CONTENIDO LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABLAS

SlMBOLOG¡A

RESUMEN

ABSTRACT

t

CAPiTULO 1. INTRODUCCI~N

1 .I

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

Antecedentes

Generación y consumo de energéticos

Por qué reducir el consumo de energía

El proceso de diseño de la arquitectura contemporánea y sus efectos

Potencial de ahorro de energía en edificios

Ubicación del problema

Estado del arte 1.7.1 Estudios teóricos de módulos de prueba a escala 1.7.2 Estudios teóricos - experimentales de módulos de

prueba a escala

Justificación

Objetivo

CAP¡TULO 2. MODELO TÉRMICO DE LOS MÓDULOS A ESCALA

2.1 Diserio de los módulos

2.2

2.3 Modelo térmico teórico

2.4

Metodología de caracterización de los módulos

Resultados del modelo térmico teórico

iv

viii

ix

X

xi

1

1

2

3

3

4

5

5 5

7

9

10

11

11

13

14

16

. . Contenido

CAPíTULO 3. MODELO ELECTROTÉRMICO DE LOS MÓDULOS

3.1

3.2

3.3

3.4

A ESCALA

Termodinámica del ciclo de refrigeración por compresión mecánica

Equipos de aire acondicionado 3.2.1 Acondicionadores tipo cuarto 3.2.2 Componentes eléctricos 3.2.3 Impulsores de aire 3.2.4 Diseños de alta eficiencia

Modelo electrotérmico con sistema de aire acondicionado

Influencia de la relación de eficiencia energética, REE

CAPiTULO 4. MODELO EXPERIMENTAL

4.1

4.2

4.3

4.4 Descripción de la instrumentación

4.5 Procedimiento experimental

Diseño de los módulos de prueba

Diseño del sistema de prueba

Selección del sistema de aire acondicionado

4.5.1 Requerimientos de la prueba 4.5.2 Registro de parámetros

CAPíTULO 5. RESULTADOS

5.1 Condiciones de las pruebas

5.2 Relación de eficiencia energética a cargas menores de la nominal

5.3 Variación de la temperatura interior

19

19

21 22 23 24 24

24

26

29

29

30

32

33

38 38 40

41

41

42

43

5.4 Resultados teóricos - experimentales 44 5.4.1 Resultados con loza de vigueta y bovedilla 46 5.4.2 Resultados con loza monolitica 56 5.4.3 Resultados para un día completo 66

5.5 Discusión de resultados 71

ii

Contenido

76

78

CAPíTULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

REFERENCIAS

APÉNDICE A. PROGRAMA “GRAFICADOR.EXE” 81

APÉNDICE B. AJUSTE DEL ANGULO DE INCIDENCIA SOLAR 98

APÉNDICE C. CALCULO DEL MEDlODíA SOLAR 99 APÉNDICE D. CALCULOS ESTADíSTlCOS 1 O1

APÉNDICE E. ANALISIS DE INCERTIDUMBRES 104

: " .. +;

Lista de Figuras . .

i LISTA DE FIGURAS

Figura Descripción

1.1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

4.1

4.2

Evolución de la IE de algunos países.

Arreglo de los módulos en el banco de prueba.

Esquema del funcionamiento de los módulos a escala.

Esquema del sistema térmico de los módulos.

Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza monolítica y vidrio claro.

Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza monolítica y vidrio filtrasol.

Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza monolitica y vidrio reflectasol.

Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza de vigueta y bovedilla y vidrio claro.

Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza de vigueta y bovedilla y vidrio filtrasol.

Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza de vigueta y bovedilla y vidrio reflectasol.

Diagrama presión - entalpia para el ciclo de refrigeración ideal.

Esquema de un aire acondicionado tipo ventana.

Página

1

11

12

15

18

18

18

18

18

18

20

23

Esquema del sistema considerado en el modelo energético de los módulos. 25

Curvas de rendimiento de energía para sistemas de acondicionamiento. 27

Relación de entrada de energía eléctrica en función de la fracción de carga para unidades de enfriamiento de expansión directa.

Detalle de construcción de las cajas de prueba.

Detalle del montaje de lozas y ventanas en las cajas de prueba.

28

29

30

Lista de Figuras

Figura .Descripción Página

4.3 Arreglo del.dispositivo experimental con los tres módulos y acoplados al aire acondicionado. 31

4.4 Sistema de ajuste de ángulo Óptimo para radiación. 32

4.5 34 Arreglo del sistema para la adquisición de datos de temperatura.

4.6 Conexión del termopar con fuente flotante. I 34

4.7 Disposición de los termopares en cada módulo de prueba, incluyendo

Diagrama del alambrado de fuerza y control del sistema.'

los equipos de aire acondicionado. 35

4.8 36

4.9 Esquema del sistema de medición de energía eléctrica. 38

5.1 42 REE a diferentes fracciones de carga de los equipos empleados.

5.2 Dispositivo experimental durante la prueba. 45

5.3 Dispositivo experimental durante la prueba. 45

5.4 Historia de la temperatura interior, la radiación, la velocidad del viento, y la temperatura ambiente para los módulos con loza de vigueta y bovedilla, para el 23 de junio del 2000 y orientación norte. 47

5.5 Historia de las temperaturas en las superficies de los techos y ventanas de prueba para los módulos con loza de vigueta y bovedilla, para el 23 de junio del 2000 y orientación norte.

Historia del consumo de energía eléctrica instantánea para los módulos con loza de vigueta y bovedilla, para el 23 de junio del

Historia del consumo de energía eléctrica acumulada para los módulos con loza de vigueta y bovedilla, por método de obtención, para el 23 de junio del 2000 y orientación norte.

Historia del consumo de energía eléctrica acumulada para cada módulo con loza de vigueta y bovedilla con el tipo de vidrio correspondiente, para el 23 de ju'nio del 2000 y orientación norte.

Historia de la temperatura interior, la radiación, la velocidad del viento, y la temperatura ambiente para los módulos con loza de vigueta y bovedilla, para el 26 de junio del 2000 y orientación sur.

48

5.6

2000 y orientación norte. 49

5.7

50

5.8

50

5.9

51

V

5.10

5.1 1

5.12

5.13

5.14

5.15

5.16

5.17

5.18

5.19

5.20

Lista de Figuras

Figura Descripción Página

Historia de las temperaturas en las superficies de los techos y ventanas de prueba para los módulos con loza de vigueta y bovedilla, para el 26 de junio del 2000 y orientación sur.

Historia del consumo de energía eléctrica instantánea para los módulos con loza de vigueta y bovedilla, para el 26 de junio del 2000 y orientación sur.

Historia del consumo de energía eléctrica acumulada para los módulos con loza de vigueta y bovedilla, por método de obtención, para el 26 de junio del 2000 y orientación sur.

Historia del consumo de energía eléctrica acumulada para cada módulo con loza de vigueta y bovedilla con el tipo de vidrio correspondiente, para el 26 de junio del 2000 y orientación sur.

Historia de la temperatura interior, la radiación, la velocidad del viento, y la temperatura ambiente para los módulos con loza monolítica, para el 3 de julio del 2000 y orientación norte.

Historia de las temperaturas en las superficies de los techos y ventanas de prueba para los módulos con loza monolítica, para el 3 de julio del 2000 y orientación norte.

Historia del consumo de energía eléctrica instantánea para los módulos con loza monolitica, para el 3 de julio del 2000 y orientación norte.

Historia del consumo de energía eléctrica acumulada para los módulos con loza monolítica, por método de obtención, para el 3 de julio del 2000 y orientación norte.

Historia del consumo de energía eléctrica acumulada para cada módulo con loza monolítica con el tipo de vidrio correspondiente, para el 3 de julio del 2000 y orientación norte.

Historia de la temperatura interior, la radiación, la velocidad del viento, y la temperatura ambiente para los módulos con loza monolitica, para el 4 de julio del 2000 y orientación sur.

Historia de las temperaturas en las superficies de los techos y ventanas de prueba para los módulos con monolítica, para el 4 de julio del 2000 y orientación sur.

52

53

54

55

56

57

59

59

60

61

62

vi

Lista de Figuras

5.21

5.22

5.23

5.24

5.25

5.26

5.27

5.28

Figura Descripción Página

Historia del consumo de energía eléctrica instantánea para los módulos con loza monolítica, para el 4 de julio del 2000 y orientación sur.

Historia del consumo de energía eléctrica acumulada para cada módulo con loza monolítica con el tipo de vidrio correspondiente, para el 4 de julio del 2000 y orientación sur.


Historia de la temperatura interior, la radiación, la velocidad del viento, y la temperatura ambiente para los módulos con loza monolítica, para el 6 de julio del 2000 y orientación sur.

Historia de las temperaturas en las superficies de los techos y ventanas de prueba para los módulos con monolítica, para el 6 de julio del 2000 y orientación sur.

Historia del consumo de energía eléctrica instantánea para los módulos con loza monolítica, para el 6 de julio del 2000 y orientación sur.



64

64

65

66

68

69

70

71

Lista de Tablas

LISTA DE TABLAS Tabla Descripción Página

1.1

1.2

2.1

2.2

2.3

4.1

4.2

4.3

5.1

5.2

5.3

5.4

5.5

5.6

5.7

5.8

5.9

5.10

Consumo de energía en el sector residencial, comercial y público, 1997. 3

Densidad de potencia en edificios del Gobierno Federal.

Muestra de vidrios y sus propiedades ópticas.

4

12

Resultados de la caracterización de los módulos con vidrios y techos diferentes. 14

Propiedades de los materiales para la construcción de la prueba. 14

33

37

40

41

43

Datos técnicos del equipo de aire acondicionado.

Funciones, rangos y selecciones del A419.

Temperatura histórica promedio mensual y anual, (en "C).

Combinaciones y condiciones durante las pruebas.

REE aplicada a los módulos de prueba.

mínimas. 44 Temperatura interior de los módulos con sus desviaciones máximas y

Desviación estándar de la temperatura interior promedio de los módulos. 44

Resumen de las diferencias promedio en los modelos teórico y experimental de energía instantánea. 72

Resumen de incertidumbres para el consumo de energía instantánea. 72

Resumen de las diferencias en los modelos teórico y experimental de energía acumulada. 73

Resumen de los consumos de energía eléctrica totales.

Resumen de los consumos de energía eléctrica totales, normalizados a 5 horas. 73

73

Resumen de los potenciales de ahorro de energía eléctrica por sustituir el vidrio claro, normalizado a 5 horas. 75

Viii

Simbologia

SIMBOLOGÍA

Latinas: A área Cp capacidad calorífica AT incremento de temperatura At incremento de tiempo Ax espesor de la loza E energía h entalpía G radiación solar k conductividad térmica kWh consumo de energía eléctrica m masa ri2 flujo másico Q calor REE relación de eficiencia energética T temperatura t tiempo U coeficiente global de pérdidas V velocidad W potencia, mecánica ó eléctrica

Griegas: a absortancia p reflectancia 5 transmitancia

Subindices: 1,2,3,4 puntos principales en el diagrama presión-ent; .I del c

a ambiente alm almacenada C caja o módulo dis diseño ent entra ev evaporación gen generada i interior L loza op operación ref refrigerante sal sale V

refrigeración.

vidrio ó viento cuando está con V

ideal de

iX

RESUMEN

La investigación para acondicionamiento de espacios por enfriamiento en edificios de tamaño real tiene un costo elevado por la cantidad de materiales y la variedad de parámetros que intervienen. Por lo anterior, en este trabajo se utilizan módulos de prueba a escala acoplados a sistemas de aire acondicionado para obtener su respuesta electrotérmica; es decir, cuantificar la cantidad de energía eléctrica que consumirá un módulo en función de los materiales de prueba. Se analiza un modelo térmico teórico transitorio y las pruebas experimentales del comportamiento térmico de módulos de prueba a escala por la variación de los materiales de los techos y ventanas, desarrollado con el objeto de establecer criterios de aplicación de dichos materiales en las industria de la edificación. Adicionalmente se presenta el desarrollo de un modelo electrotérmico teórico en estado permanente, que define el comportamiento del consumo de energía eléctrica, para mantener las condiciones de confort al interior de los módulos de prueba respecto a la variación de los materiales mencionados. Se presenta también el diseño y el desarrollo de las pruebas experimentales utilizando los módulos de prueba a escala para validar el modelo electrotérmico. La experimentación se desarrolla exponiendo los módulos de prueba a escala, acoplados a los equipos de aire acondicionado, a la radiación solar directa, registrando el consumo de energía eléctrica de los equipos de aire acondicionado, la radiación solar sobre techo y ventanas de prueba, la temperatura interior de los módulos, la temperatura interior y exterior en la superficie de los techos de prueba, la temperatura ambiente, y la velocidad del viento.

Los resultados obtenidos comparando las mediciones en campo y el modelo electrotérmico teórico desarrollado, presentan diferencias promedio de 16%. Los ahorros de energía eléctrica observados con la aplicación del modelo electrotérmico teórico son: 1) si se cambia el vidrio claro por vidrio filtrasol, se pueden lograr ahorros de energía hasta del 14.5%,para la loza de vigueta y bovedilla y de 12.4% para la loza monolítica; ó 2) si se cambia el vidrio claro por vidrio reflectasol se pueden obtener ahorros de energía hasta de 28.1% para el caso de loza de vigueta y bovedilla y de 16.8% para la loza monolítica. Los máximos ahorros de energía eléctrica detectados fueron por la sustitución de la loza monolítica con vidrio claro por la loza de vigueta y bovedilla con vidrio reflectasol (34% en el modelo experimental y 37% en el modelo teórico).

X

Abstract

ABSTRACT

Due to the amount of materials and parameters that are included in the calculations of cooling spaces in buildings in real scale are very costly, the scale test modules coupled to air conditioner systems are used to obtain their electrothermal behavior. The test modules quantify the electrical energy consumption of each module considering test materials. A transitory theoretical thermal model is analyzed. It describes the thermal behavior of the scale test modules varying the materials of the roofs and glazing of windows, this results allow us to establish a criteria of what materials can be used in buildings. Additionally a steady state theoretical electrothermal model is presented. This model calculates the electrical energy consumption to maintain the conditions of comfort at the interior of the test modules, that consider the variation of the mentioned materials. The experimentation is developed exposing the scale test modules coupled to air conditioners to the direct solar radiation, recording: the consumption of electric power of air conditioners, the solar radiation incident on test roofs and test windows, the interior temperatures of the modules, the interior and exterior temperature of the test roofs, the ambient temperature, and the speed of the wind.

The results obtained comparing the electrical power consumption of the measured and the electrical power consumption calculated present a difference of 16%. The electrical energy savings observed with the theoretical electrothermal model are: 1) Changing only clear glass by “filtrasol” glass it can be achieved savings up to 14.5% for the “vigueta and bovedilla” pottery and of 12.4% for the monolithic pottery; and 2) Changing only clear glass by “reflectasol” glass it can be obtained savings up to 28.1 % for the “vigueta and bovedilla” pottery and op to 16.8%,for the monolithic pottery. The greater detected electrical energy saving was for substitution monolithic pottery with clear glass by the “vigueta and bovedilla” pottery with glass “reflectasol” (34% in the experimental model and 37% in the theoretical model).

Introducci6n Capitulo 1

CAPÍTULO 1

1.1 Antecedentes

A raíz del hecho histórico del embargo petrolero Árabe que tuvo su origen en 1973, surge la llamada "crisis energética" que dio lugar a cambios estructurales en los patrones de consumo de energía de varios países, sobre todo, de los altamente desarrollados [I]. En dichos países se implementaron programas de ahorro y uso eficiente de la energía, y se promovió la investigación y desarrollo de nuevas fuentes alternativas de energía renovable como son la energía solar, eólica, oceánica, bioenergía, etc. Dichas acciones han producido resultados satisfactorios, ya que mientras los niveles de consumo energético han decrecido considerablemente, el PIB ha aumentado.

La "Intensidad Energética" (IE) es una medida de la eficiencia en el uso de la energía de un país y se define como la cantidad de energía consumida (normalmente en toneladas equivalentes de petróleo, TEP'), dividida por unidad de producto interno bruto (PIE). De 1973 a 1990 en los países desarrollados, la IE, disminuyó 20%, en promedio; en los Estados Unidos (EU), por ejemplo, el PIB creció 40% en dicho período, mientras que el consumo de energía permaneció prácticamente constante [ I ] . En la figura 1.1, se observa el comportamiento de la IE en algunos países desde 1971 hasta 1997.

. -. . . ~ ~. .. .~ .. . ~ . . . . . . . 0.55 3

- 0.50 , g 0.45 - o % 0.40 .

2 0.35 3

F

- m 030 I

$

w 020 0 2 5 -

t. ' 0 1 5 I

Año

+Alemania +Canadd -España -Estados Unidos +Francia +Italia - Jap6n +Mexico +Reino Unido

Fugnle: ,EA s,a,ia,ica. Enarm Balancea o, OECD CounflieI. 1983.1894 Fuenls ldator 19971: h t f~ i luun . iea .a r~~faWl i lss ise ls la l rn

Capitulo 1 Introducción

Es notable en la figura anterior que a partir de 1973, los países, desarrollados, tienen una tendencia hacia la reducción de su IE, mientras que en México se observa un comportamiento de aumento de la IE y es hasta 1994 (año en el cual se implementan algunos programas como son las normas de eficiencia energética, sello fide, etc.), cuando se observa una disminución.

En México, la IE, en 1997, fue de 0.444 'TEP por cada millón de dólares de PIB2; mientras que en Japón, para el mismo año, la IE fue de 0.154. Esto significa que Japón es 2.9 veces más eficiente, energéticamente hablando que México.

En México, la aparente abundancia y bajo costo de los energéticos, aunados a la implantación de estrategias energéticas inadecuadas como son los subsidios en los costos de la energía, la fuerte dependencia energética del petróleo, entre otras, han provocado patrones de consumo inadecuados y el uso ineficiente de la energía. Esta situación provoca el agotamiento acelerado de los recursos energéticos no renovables, afecta la productividad y economía nacional, y causa un grave deterioro ambiental.

1.2

En el Balance Nacional de Energía de 1997 [2], se menciona que la producción nacional de energía primaria para ese año totalizó 9354.6 petajoules3, cifra superior en 4.7% con respecto al año anterior. Los hidrocarburos participaron con 89.6%, la electricidad participó con 4.7%, la biomasa con 3.7% y el carbón con 2.0 por ciento.

Durante 1997 el consumo nacional de energía registró la cifra de 3.7% respecto a 1996, y alcanzó 5993.9 petajoules. De la cantidad mencionada, el sector energético utilizó 1995.97 petajoules (33.3%), mientras que 3997.93 petajoules (66.7%), se destinaron al consumo final total. El consumo de energía anual por habitante fue de 6 3 . 4 ~ 1 0 ~ kJ, cifra inferior 0.44%, respecto a 1996.

Generación y consumo de energéticos

La estructura del consumo final, para 1996, por sector fue: 37.0% para el transporte, 32.2% para el sector industrial, 21 .O% pera el sector residencial, comercial y público, y 2.7% para el sector agropecuario. Por tipo de combustible en el consumo final destacó la gasolina, al con 25.2% del total. Le siguieron el gas natural con 15.0%, diesel 13.7%, electricidad 11.7%, gas licuado 10.0%, combustóleo 6.6%, leña 6.2%, fuentes alternativas de energía 4.3%, y kerosinas, coque y bagazo de caña con el restante 7.3 por ciento. La aplicación de otras fuentes alternativas de energía, tales como la microhidráhulica. Los biodigestores, las plantas termosolares, concentradores solares, estanques solares, etc., aún es incipiente y poco representativa en México, por lo que no existen valores de relevancia cuantificables.

2 Fuente: http://www.iea.org/stats/files/selstats/keyindic/keyindic.htm 1 petajoule = Joules. I

2

http://www.iea.org/stats/files/selstats/keyindic/keyindic.htm


1.3

Se debe tener en cuenta qué la mayor parte de los energéticos son no renovables, la capacidad de generación energética produce contaminación, y se requieren inversiones probablemente no disponibles. AI ahorrar energía, los usuarios pagan menos y se puede esperar que mejore el nivel de vida. Por ello se debe promover la eficiencia energética, principalmente para reducir la degradación ambiental, incrementar la competitividad y mantener o mejorar la calidad de vida.

El ahorro ó conservación de energía, reduce la utilización de energía, pero puede reducir el desempeño de las personas, la productividad, y el crecimiento. Mientras que la eficiencia energética, utiliza la energía más eficientemente y provee mejoras al ambiente y a la economía. Para lograr la eficiencia energética se han establecido niveles de jerarquías estratégicos [3], de las cuales: el nivel 1 considera mejoras al equipo y operación de procesos, el nivel 2 se ocupa de la optimización de producción, y el nivel 3 considera a la tecnología avanzada como el desarrollo e implantación de procesos nuevos y revolucionarios que.cambien las prácticas actuales.

1.4 El proceso de disetio de la arquitectura contemporánea y sus efectos

El objetivo del diseño y construcción del hábitat es lograr protección y abrigo contra la acción de los elementos. A partir de la década de los ~ O ' S , se da la producción masiva de la arquitectura conocida como "estilo Internacional" [I], caracterizado por construir el mismo tipo de edificación sin importar las condicionantes climáticas socioculturales y económicas de un determinado sitio. Estas edificaciones presentan un alto consumo y desperdicio de energía y una excesiva dependencia de equipos de climatización e iluminación artificial.

De acuerdo con los datos reportados en el Balance Nacional de Energía [2], en 1997 los sectores residencial, comercial y público consumieron 840.302 petajoules, cifra superior en 0.3 Oh respecto al año anterior. Para satisfacer las necesidades energéticas de acondicionamiento de espacios, cocción de alimentos, iluminación, calentamiento de agua y alumbrado público, entre otros, se utilizó la energía de acuerdo con la distribución que se muestra en la tabla 1.1.

Tabla 1.1

Por qué reducir el consumo de energía

Consumo de energía en el sector residencial, comercial, y público, 1997.

En la tabla anterior se observa que el consumo de energía eléctrica por los sectores residencial, comercial y público, en 1997, fue de 160.65 petajoules (19.12%) del total

3


del sector. El sector residencial representa el 66.4% de éste último total, el sector comercial 22.2% y por último el sector público representa el 11.4 por Ciento.

Uno de los efectos por el uso de energía, es la contaminación. De acuerdo con Sayed Aziz Azimi [3], las emisiones Contaminantes por el uso de energía en edificios de los Estados Unidos, en 1991 fue de: 9.87 (47%) millones de toneladas de óxido de Azufre (SO2), 465.15 (35%) millones de toneladas de dióxido de carbono (COZ), y 4.94 (26%) millones de toneladas de óxidos de nitrógeno (NO,).

La Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, CONAE [4], clasifica a los edificios del Gobierno Federal como: chicos a los edificios de 99 hasta 2999 m2, medianos a los de 3000 hasta 9999 m2, y grandes a los edificios de 10000 m2 y mayores. Con ésta clasificación, la CONAE reporta la densidad de potencia eléctrica instalada en los edificios del Gobierno Federal. La tabla 1.2, presenta la potencia eléctrica instalada por unidad de área de acuerdo con el tamaño del edificio.

En la tabla anterior se observa que los edificios con aire acondicionado tienen una densidad de potencia que puede triplicar a la de los que no cuentan con dicho equipo.

1.5

El potencial para el ahorro de energía en edificios es mayor que en los sectores industrial y transporte. Para mejorar la eficiencia energética en edificios, se debe alentar la adopción de productos energético eficientes, mejorar códigos y normas, y facilitar la transferencia de tecnologia, entre otras. Por eso la arquitectura del siglo XXI [5], tiene como objeto la construcción de edificios; eficientes, confortables, seguros, y ecológicos. Para lograrlo se contempla investigar desarrollar e implantar tecnologías relacionadas con la estructura, la envolvente, la arquitectura electromecánica, el alumbrado, los acabados interiores y el entorno.

Como se describe en el subcapítulo 1.2, los sectores residencial, comercial y público, consumen el 21% de la energía total que se destina a los usuarios finales. En la tabla 1.1 se puede apreciar que la electricidad es el tercero más importante (19.12%), de los energéticos usados por los sectores antes mencionados. También se observa en la tabla 1.2, que el aire acondicionado representa un rubro importante en las acciones

Potencial de ahorro de energía en edificios

4


para el ahorro de energía. Así el ahorro Y uso eficiente de la energía eléctrica tendrá 10s beneficios siguientes: el usuario pagará menos, la Comisión Federal de Electricidad diferirá inversiones, Y todos por generarse menos contaminación, entre otros.

1.6 Ubicación del problema

El consumo energético en edificios es afectado por condiciones térmicas tales como el clima, los diseños, los materiales, etc. los cuales de forma particular o global generalmente conllevan a un elevado costo en el consumo de energía para lograr las condiciones de confort que requieren las personas que habitan los espacios. México tiene climas que van de los templados hasta los extremosos con temperaturas muy elevadas en verano y muy bajas en invierno. Por ello, el diseño, selección y mantenimiento de los sistemas de aire acondicionado y características de los materiales son de particular interés en nuestro.país. La elección de equipos de aire acondicionado en un edificio puede llegar a representar entre el 10% y el 20% del costo total de la inversión inicial en instalaciones y el primer lugar en consumo de electricidad [6].

En el ámbito del desarrollo y experimentación tecnológica, los estudios en edificaciones de tamaño real son costosos por los diseños, la cantidad de materiales, instrumentación y la cantidad de variables que intervienen. Es por lo anterior que este estudio retoma el concepto de módulos de prueba a escala (cajas de dimensiones pequeñas), para modelar el funcionamiento electrotérmico (eléctrico-térmico), de edificios o espacios habitacionales.

El módulo y el modelo pueden ser transportados fácilmente y colocados en un sitio dado para as¡ poder investigar la influencia de los materiales de la región midiendo la cantidad de energía que entra a cada módulo para cierto clima, y acoplado con los elementos suficientes de aire acondicionado para remover el calor ganado y evaluado como un conjunto proporcionará elementos de decisión importantes para el uso eficiente de la energía. Este estudio contiene muchos de los elementos definidos por el Nivel 3 de las Jerarquías de Aproximación para Lograr la Eficiencia Energética (subcapítulol.3).

1.7 Estado del arte

En esta sección se presentan los trabajos que se han realizado acerca de los módulos de prueba a escala. Para esto, primero se presentan los trabajos teóricos, y en segundo término, los trabajos teóricos - experimentales.

1.7.1 Estudios teóricos de módulos de prueba a escala

Grimmer [7], en 1979, describió las consideraciones teóricas para el uso de pequeñas cajas de prueba para modelar el funcionamiento térmico de edificios pasivamente calentados. Él estudió la aplicación de cajas de prueba para modelar: edificios solares pasivos multicuartos, edificios con paredes sólidas reales, la escalación de la termocirculación, la escalación de los efectos de infiltración de aire, las correcciones de los efectos de borde, y los efectos de sombreado. Propuso el uso de modelos

._

5

Introducción Capítulo 1

distorsionados para valores de escala real; específicamente, los datos de las temperaturas interior y exterior de una habitación, como una función de tiempo, obtenidos con el uso de cajas de prueba. También consideró que al emplear modelos distorsionados, se pueden evitar los factores de escala (números de Fourier y de Biot). Concluye que se requieren validaciones experimentales y espera buena concordancia con los modelos teóricos.

Moore [8] , en 1982, realizó una estudio de la experiencia de los Estados Unidos y Canadá en el uso de módulos de prueba para investigación solar pasiva. En su trabajo proporciona una guía para, los métodos y usos experimentales y las características de los módulos de prueba de esos años. Menciona que desde 1975, el Grupo de Energía Solar del Laboratorio Nacional Los Alamos (L.A.N.L.), emplearon cajas pequeñas para pruebas comparativas y para validar códigos de simulación. Éstos módulos de prueba van en tamaño y sofisticación desde pequeñas cajas de prueba aisladas a cuartos y edificios multicuartos a plena escala. Las ventajas principales de los módulos de prueba son que su costo es bajo (comparado con las pruebas de edificios a escala plena ocupados) y que los datos pueden tomarse bajo condiciones cuidadosamente controladas y concluye que los módulos de prueba pueden usarse para lograr una variedad de objetivos experimentales como: la demostración de conceptos, la comprobación operacional, la comprobación comparativa de componentes o sistemas, para medir empíricamente valores de transferencia de calor, para validar modelos, y como análogos fisicos directos de edificios reales.

Clarck et al. [9], en 1993, desarrollaron una metodologia de validación/calibración que da énfasis al uso de datos empíricos en el proceso de mejora de un modelo, y si es necesario en la calibración del modelo antes de su aplicación. Este procedimiento se aplicó al sistema ESP-r para investigar la posible respuesta de varios sistemas Solares pasivos notablemente conservadores y los sistemas de ventanas avanzadas. Ellos consideraron que la técnica presentada puede aplicarse tanto al funcionamiento de componentes de edificios como a otros elementos solares pasivos. Dada la geometría de la celda de prueba y los detalles de construcción, se desarrolló un para conformar los requerimientos de entrada al sistema ESP-r. Ellos concluyen en que deben implementar modificaciones algoritmicas, imponer mediciones, o usar parámetros identificados para producir al modelo calibrado. La combinación programa - modelo puede entonces ser usada para emprender estudios de diseño que extiendan el alcance y profundidad a las celdas de prueba.

En la pagina WEB del Laboratorio de Ensayos Energéticos para Componentes de la Edificación (L.E.C.E.) [I O], de Almeria, España, se describen de manera informativa las generalidades de las celdas de pruebas usadas en el proyecto PASSYS. El L.E.C.E forma parte de la red de sitios de prueba de PASSYS. El L.E.C.E. dispone de cuatro celdas ó habitaciones independientes térmicamente aisladas. Hay dos con techo plano y dos con techo a dos aguas. Las de techo plano son las celdas PASSYS y las de dos aguas son las llamadas celdas CESPA. Las celdas CESPA fueron construidas por el Centro de investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (C.I.E.M.A.T.) y el L.E.C.E. Las Características comunes de las celdas son las siguientes: estructura rígida de acero externa enjaulando toda la celda; existencia casi nula de puentes

6

Introducción Capitulo 1

térmicos entre la estructura de acero y el aislamiento interno; paredes, techo y Suelo altamente aislados con poliestireno; pérdidas térmicas máximas entre 12 Y 14 W/K; división entre la habitación de servicio .y la de ensayo altamente aislada con una puerta similar a las usadas en cámaras de refrigeración; hermeticidad; número de renovaciones de aire de la habitación. de ensayo menores a 0.5 por hora para una diferencia de presión entre exterior e inferior de 50 Pa; cubierta exterior de acero para protección contra el exterior.

1.7.2 Estudios teóricos -experimentales de módulos de prueba a escala

Grimmer, et al. [I I], en 1978, consideraron cajas con elementos básicos de diseño solar pasivo como son: vidrios para admitir radiación, buenos aislantes térmicos y gran capacidad de almacenamiento térmico dentro de la envoltura aislante, para investigar su posible uso como modelos térmicos análogos, para predecir el comportamiento de edificios reales y los efectos del clima. Ellos correlacionaron el comportamiento de 5 cajas de prueba de 0.61 m x 0.61 m x 0.61 m, con el comportamiento de una habitación Ó módulo de prueba de 1.52m x 2.54m x 3.05m. Encontraron que las cajas de prueba no son análogos térmicos exactos de los cuartos, porque las cajas no fueron diseñadas originalmente para ser análogos térmicos de estructuras más grandes. Concluyeron que las cajas pasivas de prueba podrían proporcionar una estimación bastante buena del funcionamiento de diseños solares pasivos.

En 1982, Kenneth et al. [12], Investigaron la simulación térmica de un edificio Solar pasivo usando modelos a escala. Ellos compararon directamente un prototipo de 6’ x 6’ x 7’ (dimensiones interiores), seis cajas de prueba a media escala de 3’ x 3’ x 3’-6, y cuatro cajas a un cuarto de escala de 1’-6 x 1’-6 x 1’-9”; los cuales, fueron construidos por una compañia industrial para controlar la mano de obra y los materiales. LOS resultados de las pruebas iniciales lograron un paso ’ lógico esencial hacia el establecimiento de una técnica de escalación térmica. Las pruebas experimentales que realizaron emplearon radiacibn solar externa, y una fuente de calor interna empleando lamparas. Sus resultados de prueba mostraron que los modelos de media escala fueron precisos dentro del 3% y los de un cuarto de escala del 8%. Identificaron varios factores importantes en esta técnica de comparación directa: 1 ) el impacto de la masa térmica en el retraso del tiempo, 2) la necesidad de factores de ajuste debido al borde y pérdida de calor de esquina, 3) el impacto de la temperatura de estratificación, 4) factores de tiempo de escalación convectivos y conductivos, y 5) la relación de area abierta para la distribución de calor por convección natural de una zona a otra. Concluyen que los modelos de pequeña escala pueden ser usados como herramientas predictivas para los complejos sistemas solares pasivos de uso común.

Fisher, et al. [13], en 1985, verificaron que una celda de prueba a escala, llena con agua puede ser usada para simular el comportamiento de una instalación pasiva reconfigurable de prueba a escala plena (Reconfigurable passive test facility, REPEAT) en la Universidad del Estado de Colorado (Colorado State University, USC). Consideraron el flujo de aire en convección natural para determinar el funcionamiento de los edificios solares pasivos de tres maneras: 1) la remoción de calor desde las superficies que absorben la energía solar, 2) el transporte de dicha energía a través de

-

7

Capitulo 1 Introduccibn

10s espacios del edificio, y 3) la liberación de energía acoplada convectivamente al almacenamiento térmico. Reportan dos aproximaciones experimentales principales en la investigación: 1) a &%ala Plena, para determinar las geometrías y condiciones de frontera térmicas que son importantes en el mundo real y 2) a escala pequeña de laboratorio, para el control exacto de las condiciones de frontera térmica, y fácil modificación. Concluyeron que usandp un pequeño modelo a escala lleno con agua, se puede reproducir exitosamente los principales patrones de flujo reportados para las condiciones de luz solar difusa en la instalación REPEAT; además de que la predicción de las direcciones de los flujos de aire en un edificio, dada su geometría y condiciones de frontera, sugieren que la modelación a pequeña escala podría ser útil como una herramienta para diseñadores de edificios solares pasivos.

En Israel, D. Wegner y M. Porehen [14], en 1986, desarrollaron la investigación de desempeño térmico de departamentos solares pasivos usando modelos físicos de pequeña escala. El proyecto duró 5 años y fue auspiciado por el Ministerio de Energía e Infraestructura de Israel. Utilizaron métodos numéricos, modelos físicos de pequeña escala y departamentos de escala plena. Para la parte experimental construyeron 7 celdas separadas por paredes y puertas fuertemente aisladas y midieron la radiación total del plano horizontal, la radiación total en el plano vertical orientado al sur, la temperatura de bulbo seco exterior, la temperatura de bulbo seco interior, y la potencia eléctrica de entrada (calentadores auxiliares). Los resultados de los experimentos en los modelos físicos muestran que el diseño solar pasivo en Israel debe ser basado en un incremento muy moderado del área de vidriado sur. La instalación de vidriados de gran área en ésta región para propósitos de conservación de energía no está económicamente justificado y puede causar sobrecalentamiento y deslumbramiento durante el verano.

Hu Jing, et al. [15], en 1988, desarrollaron en China un modelo matemático que caracteriza la transferencia de calor y masa interzonal por convección natural a través de la ventana entre el invernáculo y el cuarto adyacente inmediato para un invernadero adjunto a una casa pasiva. Emplearon una celda de prueba la cual representa una casa pasiva - invernadero construida con el estilo chino típico y la casa residencial de un granjero en el condado de Da Xing, un suburbio de Beijin, fue monitoreado durante el mes de diciembre de 1986 para la validación del modelo. Los resultados obtenidos son útiles para el diseño térmico Óptimo de edificios. Desarrollaron un programa de Cómputo (PASOL-SS) para calcular hora a hora las temperaturas del aire en el invernadero y en el cuarto, así como el consumo horario de accesorios de calentamiento para mantener el cuarto a una temperatura seleccionada, dada para el estilo típico de una casa Solar pasiva de China. Concluyeron que el color y espesor de la masa térmica de la pared común son importantes en el funcionamiento térmico.

Vandeale, et al. [16], en 1993 presentaron un trabajo sobre el uso de celdas de prueba para la investigación de componente térmicos y solares de edificios, dentro del proyecto PASSYS (componentes solares pasivos y sistemas de prueba, 1986 - 1992). El proyecto involucró a 10 países y un total de 60 investigadores representando 27 centros de investigación. Uno de los objetivos de PASSYS es aplicar los métodos de prueba a todos los tipos de componentes de edificios y no solamente a componentes solares

8

Introducción Capitulo 1

pasivos. Se instalaron celdas de. prueba en 12 sitios a lo largo de Europa. Dichas celdas de Prueba fueron equipadas con: sensores, sistemas de Calentamiento y enfriamiento, y sistema de hardware Y software para adquisición de datos idénticos. El diseño de las celdas de prueba consideró: 1) Localización en el exterior en climas reales, 2) clima interior controlable, 3) tamaño del cuarto realista, 4) dos cuartos, 5) no habitado, 6) muy bien aislado y 7) pared sur desmontable. Cada celda de prueba tiene su propio sistema de calentamiento y enfriamiento dividido en: 1) sistema de enfriamiento con capacidad maxima de 2.3 kW a 40 "C ambiente y 22°C en el cuarto de prueba, 2) sistema de calentamiento con capacidad máxima de 1.9 kW, y 3) sistema de distribución de aire ajustable hasta 160m3/h.

Áivarez G, et al. [17], en 1997, realizaron en México el diseño, la construcción, y la Caracterización de 3 módulos de prueba a escala. Dichos módulos permiten instalar diferentes tipos de vidrios y diferentes tipos de lozas para techos de diversos materiales, con el propósito de conocer su respuesta térmica en climas cálidos. Esto lo desarrollaron con el propósito de contar con la. información que indiquen las combinaciones de materiales adecuados para lograr cuantificar la cantidad de energía que atraviesa la envolvente de los módulos. Ellos examinaron tres tipos de vidrios y dos tipos de loza. En la caracterización evaluaron las' pérdidas bajo condiciones ambientales. Concluyeron que las pérdidas globales promedio de la caja con techo de loza monolítica y los tres tipos de vidrios fueron de 2.37 W/m2"C y para el caso de loza de vigueta y bovedilla fue de 1.94 W/m2"C.

Áivarez G, et al. [18], en 1997, obtuvieron el modelo teórico que describe el comportamiento de transferencia de calor al interior de los.módulos que se describen en Áivarez G. et al. [17]. Para calcular la temperatura interior con el modelo, se debe conocer: la temperatura ambiente, la temperatura interior, las propiedades Ópticas, la irradiación y las propiedades termofísicas. El coeficiente global de pérdidas de la caja la determinaron en la caracterización de los módulos[l7] y la masa calórica la calcularon de los materiales que componen 'a los módulos. También realizaron la verificación experimental del modelo, exponiendo las cajas de prueba a la radiación solar directa. Los módulos de prueba fueron inclinados 15.5 grados para tener mayor incidencia del sol sobre las ventanas. Colocaron una estación meteorológica que registró los datos de temperatura ambiente, humedad y velocidad del aire. También colocaron dos piranómetros, uno en la parte frontal del vidrio de uno de los módulos y otro en la parte superior de los módulos. La conclusión a la que llegaron es que el modelo teórico es útil para conocer la temperatura interior de los módulos que se utilizaron en la experimentación, siempre y cuando se utilicen vidrios con filtros, cuya propiedad de absortancia sea alta.

1.8 Justificación

Los trabajos acerca del uso de módulos de prueba a escala para simular el funcionamiento de edificaciones, empiezan alrededor del año 1975 [8] . Dichos trabajos han sido teóricos ylo experimentales, y se han empleado principalmente para la validación de modelos de simulación de funcionamiento térmico de edificios. Los módulos de prueba que se han empleado son: cajas de prueba, cuartos ó celdas de

9


prueba, y edificaciones reales. Dichos módujos de prueba se han empleado para estudiar tipos, propiedades y dimensiones óptimas de: ventanas, techos, paredes, aislamientos etc. Los módulos han sido útiles para: hallar las orientaciones óptimas de los edificios para una región específica, la capacidad del edificio para la colección y almacenamiento de energía térmica del sol, así como también para hallar la distribución de calor en las edificaciones. En general se han empleado módulos de prueba a escala en: los Estados Unidos, Canadá, Israel, China, y en la Comunidad Europea. En todos los países mencionados la principal preocupación ha sido el calentamiento pasivo de los edificios, y solamente el proyecto PASSYS, desarrollado en la Comunidad Europea, muestra interés por encontrar el desempeño térmico de componentes solares activos y pasivos (para calentamiento y enfriamiento).

En la óptica del ahorro y uso eficiente de la energía para el entorno de México, los estudios se deben orientar al acondicionamiento de espacios por enfriamiento. La investigación para acondicionamiento de espacios por enfriamiento en edificios de tamaño real tiene un costo elevado. Por lo anterior se plantea usar módulos de prueba a escala acoplados a sistemas de aire acondicionado para obtener su respuesta electrotérmica; es decir, cuantificar la cantidad de energía eléctrica que consumirá un módulo de prueba a escala en función de los materiales con los que se construya.

1.9 Objetivo

Dada la importancia que representa el ahorro y uso eficiente de la energía en edificios, así como las pocas herramientas que muestran y/o simulan escenarios para la toma de decisiones, y continuando con los estudios de eficiencia energética en módulos de prueba, en éste trabajo se propone: desarrollar un modelo que describa el funcionamiento electrotérmico de módulos de prueba a escala; realizar un análisis paramétrico variando los parámetros tales como las propiedades ópticas de vidrios, propiedades térmicas de los materiales; y ejecutar la verificación experimental.

Para el logro del objetivo, éste trabajo se ha dividido en 6 capítulos de los cuales: en el capítulo 2 se analiza el modelo térmico teórico en estado transitorio, en el tercer capítulo se establece el modelo electrotérmico teórico en estado estable, en el capítulo 4 se describe el desarrollo de un modelo experimental y su metodología para realizar la validación del modelo electrotérmico teórico, en el capítulo 5 se discuten los resultados del. modelo electrotérmico teórico y experimental, y finalmente en el capitulo 6 se presentan las conclusiones y recomendaciones.

10

Modelo térmico Capitulo 2

CAPÍTULO 2

MODELO TÉRMICO DE LOS MÓDULOS A ESCALA

En este capítulo se presenta el modelo térmico propuesto por Aivarez, et ai. [18]. Se incorpora al modelo un cálculo nuevo de los coeficientes globales de pérdidas, nuevos valores de mCp, se incluyen los términos de las áreas de ventana y techo en el modelo, y se presenta gráficamente el comportamiento del modelo respecto de los valores obtenidos previamente mediante experimentación.

2.1 Diseño de los módulos

Los módulos de prueba desarrollados que presentó Aivarez et al. [17,18], consisten de un banco de prueba de 2 m de largo por 1 m de alto diseñado para variar la inclinación de los módulos. Sobre el banco de prueba se montan los tres módulos de prueba (cajas de 0.60 m x 0.60 m x 0.60 m), como se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1 Arreglo de los módulos en el banco de prueba.

Cada módulo consiste de una caja con 3 paredes laterales y la base aisladas, la pared frontal es un marco en el cual se monta el vidrio de prueba (simulando una ventana), y un soporte de madera colocado en el techo para montar las lozas de prueba. La pared posterior tiene dos orificios de 0.1016 m ( 4 ) de diámetro para que a través de ellos se acople el sistema de aire acondicionado. Las paredes y la base aisladas son del tipo tambor de madera triplay con acabado interior de pintura color negro mate. Están construidas con un bastidor de 60 cm x 60 cm de madera de pino con un area transversal de 10.8 cm2, dicho bastidor esta relleno de poliestireno de 3 cm de espesor, los bastidores a su vez tienen 2 tapas de madera triplay de 0.635 cm de espesor. El aislante exterior es de fibra de lana de vidrio de 5.08 cm de espesor. Para las pruebas

Capitulo 2 Mndnln thrrnirn

Tipo

Claro Filtrasol Reflectasol

Espesor Luz visible Calor solar P 7' a P 5

6 a 90 6 a 86 6 a 45 48 5 47 6 3a a 59 32 9

mm

Adquisición de datos Transductor

Figura 2.2 Esquema del funcionamiento de los módulos a escala.

El calor ganado a través de los vidrios de las ventanas depende de: la latitud del lugar, la orientación de las ventanas, claridad de la atmósfera, el tipo de vidrio, y del uso de sombreado. Un cristal absorbe un porcentaje de la energía solar y refleja o transmite el

12


, . . . . ' ,

resto. La relación de la energía transmitida con la energía reflejada depende del ángulo de incidencia. Del calor que absorbe un vidrio, aproximadamente el 40% entra al espacio y el resto se disipa al exterior [20]. Dicha disipación depende del coeficiente de transferencia de calor en la capa límite. Un vidrio claro con baja absortancia pero con alta transmitancia permite mayor transmisión de calor el interior que un vidrio filtrasol o que un vidrio reflectasol. La radiación solar que se transmite por el vidrio incide contra las paredes y techo de la caja, provocando el calentamiento de éstos por la absortancia de paredes y techos. Un porcentaje del calor de las paredes y del techo se disipa ai espacio de aire calentándolo.

De la radiación solar que incide sobre el techo, un porcentaje es absorbido y otro reflejado. De la fracción de calor que se absorbe, un porcentaje se disipa al exterior por efectos convectivos y otro porcentaje se conduce hacia el interior de la caja, contribuyendo de esta manera al incremento de la temperatura interior del aire contenido en la caja.

2.2

En la caracterización [I 71 se evaluaron las pérdidas bajo condiciones ambientales. Para ello, las paredes de la caja fueron aisladas con lana de fibra de vidrio de 0.058 m. Se colocó una resistencia eléctrica con rango de O a 700 W sobre una placa de asbesto 50.4 x 50.4 cm y 1 cm de espesor con el objetivo de suministrar flujo de calor conocido. Se varió la potencia de 31 a 225 W usando un variac de 15 A. La placa fue colocada en la parte posterior de la caja calorimétrica. Se empleó el asbesto para aislar el flujo de calor de la pared de madera. El registro de las temperaturas fue mediante 10 termopares tipo T (cobre - constantan), 6 de calibre 36 y 4 calibre 24 por módulo, se colocaron 6 termopares en el interior, incluyendo uno en el interior del techo, uno en el techo exterior y dos más sensando la temperatura ambiente, uno en la parte de enfrente del vidrio fuera de la capa límite y otro al aire en la parte de arriba alejado de las posibles corrientes calientes que dejara pasar la loza. Los datos de temperatura fueron tomados en tiempo real mediante un sistema de adquisición automático.

Conociendo el calor suministrado, el área de los módulos y los registros de las temperaturas, en el interior y exterior de la caja y su promedio, el coeficiente global de pérdidas, U, de cada una de las cajas en estado permanente puede ser evaluado por:

Metodología de caracterización de los módulos

en donde Uc es el coeficiente global de pérdidas de la caja, Qsum la potencia suministrada por la resistencia eléctrica, & Es la suma de total de las áreas de las paredes de la caja, Tai es la temperatura promedio del aire interior de la caja, y Tamb es la temperatura ambiente.

es

13

Modelo tbrrnico Capitulo 2

Los resultados se reportan en la tabla 2.2. y se puede observar como la combinación con vidrio claro tiene el coeficiente global de pérdidas más alto que las combinaciones con vidrios con filtros solares.

Tabla 2.2 Resultados de la caracterización de los módulos

La masa calórica, mCp, se calcula con los valores de las propiedades físicas de los materiales con los que se construyeron los módulos. La masa calórica se calcula mediante la relación siguiente:

en donde mi es la masa del i componente de la caja de prueba y Cpi es el calor específico a presión constante del i componente de la caja de prueba. En la tabla 2.3 se presentan los valores para obtener la masa calórica. Para los módulos con loza monolítica es de 38431.55 JIT; mientras que, para la loza de vigueta y bovedilla es de 32703.5 JPC.

2.3 Modelo térmico teórico

Aplicando un balance de energía en el sistema de la figura 2.3 [18], y considerando los módulos de resistencia térmica infinita, es decir los gradientes de temperatura en los módulos son pequeños, se tiene el análisis de flujo de calor en estado transitorio.

14


I Vidrio de I prueba I

I I I I ! - +vG"

' I - r

Figura 2.3 Esquema del sistema térmico de los módulos

Realizando el balance global de energía se tiene:

Em, + Egen = Esal + Ea,,

en donde: E,,, = A v ~ , G V + es la energía que entra al sistema,

E,,, = U,A,(Tl -Ta) es la energía que sale del sistema,

d Ti dt

E,,, = (mCp), - es la energía generada dentro del sistema, y

E,,, = A v a v G v es la energia almacenada.

Haciendo las sustituciones adecuadas, se tiene una ecuación diferencial ordinaria. Dicha ecuación se resuelve haciendo los cambios de variables apropiados y aplicando la condición inicial, 0, = €$o (en t = O), se obtiene la solución que describe la historia de la temperatura interior en estado transitorio de la caja de prueba, en respuesta a la radiación solar, las propiedades de los vidrios y las de las lozas. Entonces la solución de la ecuación (2.3) es:

15

Modelo termico Capitulo 2

donde:

Para calcular la temperatura interior en la ecuación (2.4), la temperatura ambiente, la temperatura interior, las propiedades ópticas, la irradiación y las propiedades termofisicas son conocidas. El Término (UA), se conoce de la caracterización de los módulos y (mCp), es calculado de los materiales que componen a los módulos.

2.4

Una vez caracterizados los módulos de prueba, se realizaron pruebas directamente en el exterior, es decir con los módulos expuestos a radiación solar directa. El procedimiento detallado se reporta en Alvarez G., et al, [18]. Para validar el modelo térmico teórico, se realizó la experimentación correspondiente, llegando a los resultados que se ilustran en las gráficas de las figuras 2.4 a 2.9.

Las figuras 2.4, 2.5 y 2.6, correspondientes a los modulos con loza monolitica y los tres tipos de vidrios, muestran los registros de la temperatura del aire interior promedio, la temperatura ambiente y la radiación solar en el tiempo. .Para el vidrio claro la temperatura interior del aire teórica y experimental en las primeras dos horas difieren ligeramente, siendo menor la temperatura teórica, después de dos horas, las temperaturas calculadas empiezan a decrecer con respecto a los valores medidos presentando una diferencia máxima de 25.6%. En el caso del vidrio filtrasol el modelo teórico y experimental tienen una menor diferencia, pero en la primera hora y media se presentan valores de temperatura interior calculados fuera del margen de incertidumbre (f 1.5%) de los valores medidos. El módulo con vidrio filtrasol presenta diferencias de temperatura interior calculadas y medidas menores con una diferencia máxima de 5.4%.

En las figuras 2.7, 2.8, y 2.9 se muestran los mismos parámetros de las figuras 2.4 a 2.6, pero para los módulos con loza de vigueta y bovedilla combinados con el vidrio claro, el filtrasol y el reflectasol respectivamente. En la figura 2.7 se observa que la temperatura interior calculada, para el módulo con vidrio claro, empieza a diferir respecto a la temperatura medida después de 2.5 horas, llegando a una diferencia máxima de 15.6%. El módulo con vidrio filtrasol (figura 2.8) presenta valores de temperatura interior calculada ligeramente mayor que la temperatura experimental, con diferencia máxima de 8.2%. En la figura 2.9 se aprecia que la temperatura interior calculada no excede los límites de incertidumbre de la temperatura calculada de f 1.5"C.

Resultados del modelo térmico teórico

16

Modelo tbrmico Capilulo 2

Lo anterior indica que es posible aplicar el modelo propuesto para determinar la temperatura interior de los módulos con vidrio filtrasol y reflectasol, cuya absortancia sea alta, con una variación que no va más allá de la incertidumbre de los termopares de f 1.5 grados Celsius.

Una causa posible de las diferencias para el vidrio claro es que el modelo supone que los gradientes de temperatura son pequeños. Para el vidrio claro io anterior puede no cumplirse, es decir, 105 gradientes de temperatura son grandes ya que la absortancia del vidrio claro es muy pequeña. Por el contrario los vidrios con filtro absorben energía calentándose, Io que provoca gradientes de temperatura pequeños. También se encontró un daño en e1 poliestireno usado como aislamiento en la pared posterior del módulo para vidrio claro, dicho daño fue acusado por la aplicación excesiva e involuntaria de calor durante la caracterización, y puede ser otra causa las diferencias halladas.


20

. .

-- 100

~' 900

O -.-Ti Experimental

,: 6o .. -Temperatura ambiente e 80 - - D -Ti Te6rica - - 600;

./L -

.' 100

O 1 2 3 Tiempo [ h]

Figura 2.4 Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza monolitica y vidrio claro.

100 - b

.c 60 'C -

, 900

.. -- 800 700 -

- Ti Tebrica .- 600 ; 80..-. .. N O .. -Temperatura ambiente

100 -

E 6o b -TI Tebdw - -Ti Experimental .-

O

Figura 2.7

1 2 3 Tiempo [ hl

Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza de vigueta y bovedilla y vidrio claro.

_ _ _ 800

- Ti Experimentel 700

600 F 500

400 'p 300 x 200

100

O

s

F

-Radiacibn sobre la 1018 .-

O 1 2 3 Tiempo [hl

Figura 2.5 Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza monolitica y vidrio filtracol.

-TI Experimental

o - Ti Tebriw 600

500 ,$ 400 8

D 40 300 2 20

- b -Temperatura ambiente ' 80 e - Radiacidn so a c

200

100

5 c

O O

Tlempo Ih] o 1 2 3

Figura 2.8 Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza de vigueta y bovedilla y vidrio filtracol.

o -Ti Tebrica ~ - .! 60 4 -Temperatura ambiente 500%

$ -Radiacibn Sobre la loza 4005 300%

200

. E 40 cí 8 20 -~u: O 1 2 3

O Tiempo Ih]

Figura 2.9 Temperatura interior teórica y experimental del módulo con loza de vigueta y bovedilla y vidrio reflectacol.

18

Modelo Electrotérmico Capitulo 3

CAP~TULO 3

MODELO ELECTROTÉRMICO DE LOS MÓDULOS A ESCALA

En este capítulo, se realiza un breve estudio de los sistemas de aire acondicionado más populares y se describen conceptos importantes para obtener el confort de los espacios. Lo importante del presente capítulo es el desarrollo y análisis del modelo electrotérmico (térmico-eléctrico).

3.1

Los dispositivos que producen refrigeración se llaman refrigeradores (o bombas de calor), y los ciclos en los cuales operan se denominan ciclos de refrigeración.

Un principio básico y natural es que el calor fluye de un medio con alta a uno con baja temperatura. Para invertir el efecto se deben utilizar dispositivos llamadas máquinas térmicas.

La segunda ley de la termodinámica permite demostrar que: 1) el ciclo de Carnot reversible es ideal, 2) la energía disponible se degrada por la fricción del fluido o por la salida de calor del sistema, y 3) se requiere que el trabajo de entrada sea mayor al mínimo por efecto de los dos incisos anteriores.

Termodinámica del ciclo de refrigeración por compresión mecánica [21,22]

El ciclo de refrigeración empleado con más frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, donde el refrigerante se evapora y condensa alternamente, y se comprime en la fase de vapor. El ciclo de refrigeración por compresión mecánica consta de un evaporador, un condensador, un compresor y una válvula de expansión.

Las relaciones de energía para el ciclo básico de refrigeración ideal, se ilustran en la figura 3.1. En dicha figura se observa el diagrama presión - entalpía [23,24] y el comportamiento termodinámico del refrigerante en cada uno de los elementos del ciclo.

De acuerdo con el esquema de la figura 3.1, el sistema de acondiconamiento de los módulos de prueba tienen las siguientes etapas mecánicas y térmodinámicas: proceso de compresión (isoentrópica), proceso de condensación (isobárica), proceso de expansión (adiabática), y proceso de evaporación (isotérmica). Cada uno de los procesos termodinámicas se describe a continuación:

Proceso de compresión (isoentrópica). Es el proceso de 1 a 2 (figura 3.1), se efectúa en el compresor, desde la presión vaporizante o de succión hasta la condensante o de descarga. Se supone un proceso a entropía constante, proceso adiabático sin fricción.

19

Capitulo 3 Modelo Electrotérmico

Durante la compresión se efectúa trabajo sobre el vapor refrigerante y se incrementa la energía del vapor en una cantidad igual al trabajo mecánico efectuado sobre éste. El calor en el compresor es:

o en la forma:

Debido a la absorción de calor en la compresión , e/ vapor descargado por el compresor está sobrecalentado.

Calor latente de vaporizaci6n

Calor sensible

el condensador b

Entalpia h

Figura 3.1 Diagrama presión - entalpía para el ciclo de refrigeración ideal.

Proceso de condensación (isobárica). Se llev a a cabo en dos etapas: la de enfriamiento de 2 a 2a, y la de condensado 2a( a 3 (figura 3.1). El proceso de enfriamiento se realiza en la parte superior del condynsador y en una parte de la tubería de gas caliente. En el proceso de condensación, en el punto 2 el refrigerante entra como vapor sobrecalentado y sale como líquido en 3, como resultado del rechazo de calor a los alrededores. La temperatura del refrigerapte en 3 se mantendrá por encima de los alrededores. El calor rechazado al ambiente por el condensador esta dado por:

I

Proceso de expansión (adiabática). El refrigeradte se hace pasar a través de la válvula de expansión o un tubo capilar (etapa 3 a 4, figura 3.1), en la cual se lleva a

20

I

expansión:

h, = h4

Modelo ElectrotBrmico Capitulo 3

I

(3.4)

refrigerante por el evaporador, va absorbiendo consecuencia su entalpía crece. La cantidad de calor obtiene con la relación:

(3.5)

calor del espacio refrigerado, en absorbido (efecto refrigerante) se

Efecto de refrigeración Q; Trabajo neto de entrada - Q; -Q;

-- COP =

en donde Q; es el calor transferido al deposito de extraído del depósito de baja temperatura.

(3.6)

mayor temperatura, y Q; es el calor

Q,, REE = - W

Para sistemas de aire acondicionado se denomina (REE). Para el diagrama presentado en la figura 3.1,

(3.7)

Relación de Eficiencia Energética, la REE se puede definir por:

en donde (141 es el calor de evaporación Ó capacidad de energía que se debe suministrar al compresor.

3.2 Equipos de aire acondicionado

de enfriamiento, y W es la cantidad

Capitulo 3

El aire acondicionado se puede definir como el prdceso de tratar el aire para controlar simultáneamente su temperatura, humedad, limpieta y distribución. Estas variables son importantes para el diseño de los sistemas de aire acondicionado en cualquier espacio dentro de un edificio. El aire acondicionado puede suministrarse para elevar la temperatura del espacio por calentamiento Ó para disminuirla por enfriamiento. En México, la mayoría de los equipos que se emplean son utilizados para enfriar.

Modelo Electrotérmico

Uno de los equipos que se puede hallar operando frecuentemente es el sistema de enfriamiento mecánico tipo paquete de zona simple (PSZ) [25], el cual es una de las versiones de los sistemas de enfriamiento mecánico. El sistema que se involucra en este estudio corresponde al sistema de enfriamiento mecánico y expansión mecánica (por tubo capilar), tipo paquete de zona simple.

3.2.1 Acondicionadores tipo cuarto

Un acondicionador de aire tipo cuarto (air-cooled room conditioner), está diseñado para enfriar los espacios de cuartos individuales [26]. El capítulo 43 de ASHRAE y la norma AHAM RAC-I, Room Air Conditioners, describe los diseños de este equipo [26].

Estos equipos son diseñados y ensamblados, principalmente para montarse en una ventana o a través de la pared. Se diseñan para enfriar o calentar (como bomba de calor), al cuarto, sin conductos o con conductos muy cortos de 1.22 m (aproximadamente 4 8 ) [27]. Cada unidad incluye una fuente básica de refrigeración, y dehumidificación así como los medios para la circulación y filtrado de aire.

La función básica de un aire acondicionado tipo cuarto, es proporcionar confort por enfriamiento, dehumidificación, filtrado y circulación del aire del cuarto. También puede proveer ventilación por la introducción de aire del exterior al cuarto y viceversa.

La figura 3.2 muestra un acondicionador tipo cuarto típico en el modo de enfriamiento. El aire caliente del cuarto pasa sobre los tubos de enfriamiento y en este proceso cede calor sensible y latente. El aire acondicionado es entonces recirculado al Cuarto mediante un ventilador o soplador. El calor del aire caliente del cuarto vaporiza el frío (baja presión) del liquido refrigerante que fluye a través del evaporador. El vapor entonces lleva el calor al compresor que comprime el vapor e incrementa su temperatura sobre la del aire exterior. En el condensador, el calor (presión alta) del vapor del refrigerante se licúa y deja el calor del aire del cuarto al aire exterior. Luego, el líquido refrigerante a alta presión pasa por una válvula que reduce la presión y temperatura. El refrigerante líquido frío (baja presión) entra en el evaporador para repetir el ciclo de refrigeración.

Los modelos de aire acondicionado, tipo cuarto, monofásicos a 115 Volts, son fabricados en capacidades de 5000 a 7000 BTUlh, y son usados típicamente para habitaciones.

22


Aire de descarga del condensador

Condensador

\ t t t t

Aire exterior

Extractor - soplador

I Filtro

Aire frío al cuarto

Figura 3.2 Aire caliente del cuarto

Esquema de un aire acondicionado tipo ventana.

3.2.2 Componentes eléctricos

Los componentes eléctricos principales de un sistema de aire acondicionado los constituyen el motor del compresor, y el motor del ventilador/extractor. Los motores mas usados son de corriente alterna. Se usan motores de 0.33 a 3 hp. Son de capacitor permanente o arranque por capacitor y trabajo con capacitor. Sus diseños tienen alto factor de potencia y eficiencia y satisfacen la necesidad de operar a corrientes bajas, particularmente en circuitos de 115 Volts. La información técnica completa sobre los tipos de motores esta disponible en la norma NEMA MG-1, NEMA MG-10 y MG-11.

El motor del compresor 1281, para aire acondicionado tipo ventana, puede ser hermético o semihermético. Un motor hermético consiste de un estator y un rotor, sin eje, cojinetes, o rodamientos para unidades de refrigeración. El motor y el compresor están sellados en una cámara común, para evitar la acción del refrigerante y al aceite de lubrificación. Para aire acondicionado, este tipo de motor es de arranque por capacitor y trabajo con capacitor, para un alto factor de potencia y alta eficiencia.

23

Modelo Electrotbrmico Capitulo 3

El motor del ventilador e impulsor de aire [28], usado en aire acondicionado tipo ventana, puede ser: 1) motor de polos sombreados de baja eficiencia, o 2) motor de fase dividida con capacitor más eficiente. Este último requiere el uso de un condensador durante la operación.

3.2.3 lmpulsores de aire

Los impulsores de aire normalmente son de dos tipos [28]: 1) la rueda del impulsor curvada hacia adelante y 2) la hoja de ventilador de flujo axial o radial. En general, se usan sopladores de rueda para mover pequeñas a moderadas cantidades de aire en un sistema de alta resistencia, y las hojas del ventilador para mover volúmenes de aire de moderados a altos en aplicaciones de baja resistencia. Las ruedas del soplador y ventiladores de flujo cruzado también generan niveles de ruido más bajos que los ventiladores de hojas.

3.2.4 Diseños de alta eficiencia

La relación de eficiencia energética, REE, puede ser afectada por tres parámetros de diseño [28]. El primero es la eficiencia eléctrica. La eficiencia del motor del ventilador va de 25 a 65%; para los motores del compresor, el rango es 60 a 85%. El segundo parámetro, eficiencia del ciclo de refrigeración se logra aumentado por alargamiento de la superficie de trasferencia de calor para minimizar la diferencia entre la temperatura de saturación del refrigerante y la temperatura del aire. Esto permite el uso de un compresor con un desplazamiento más pequeño y un motor de alta eficiencia. El tercer parámetro es la eficiencia del circuito de aire que puede ser aumentada minimizando la caída de presión del flujo de aire por la superficie de transferencia de calor para reducir la carga en el motor del ventilador.

3.3

Continuando los estudios de los módulos descritos capítulo 2, se plantea un sistema como el del esquema de la figura 3.3. En este esquema. se ha considerando un sistema de enfriamiento por compresión mecánica y expansión directa (por tubo capilar). El acoplamiento es mediante dos conductos flexibles de 0.1016 m (4”) de diámetro por 0.50 m de longitud. Los acondicionadores de aire tipo cuarto, de acuerdo con ASHRAE [27], se instalan sin ó con conductos muy cortos (a un máximo de aproximadamente 1.22 m).

Realizando un balance global de energía para obtener el modelo que determina la energía necesaria para lograr la temperatura de confort en el interior de un módulo es:

Modelo electrotermico con sistema de aire acondicionado

de donde: Egen = A v a v G v

(3.8)

24

Modelo Electrotermico Capitulo 3

E,,, = A,.r,G, + kLAL - ATL AXL

- - - Condensador i I SerDei

AIRE A C O N D I C I O ~ D O DE EXPANSION DIRECTA

Figura 3.3 Esquema del sistema considerado en el modelo energético de los módulos

Sustituyendo en la ecuación (3.8), se obtiene:

(3.9) ATL dT.

A,T,G, +kLAL-+A,a,G, =(UA),(T, -T,)+Q, +(mCp),- *XL dt

Pero considerando idealmente que el uso del aire acondicionado mantendrá la temperatura interior, Ti, constante durante todo el proceso, entonces:

25


Sustituyendo en la Ec.3.9, siendo la Q,, la carga térmica de enfriamiento y considerando que existe la dependencia del tiempo para los factores que intervienen, entonces la solución es:

(3.10)

Sí conocemos la relación de eficiencia energética, podemos determinar la potencia eléctrica que demandará el sistema. Sí además sabemos cual es el tiempo que opera el equipo, obtendremos el consumo de energía, en kWh.

E = Q e 4 REE * 1000

(3.11)

Para calcular la energía que consumirá el módulo de prueba a escala, en la Ec.3.10, la temperatura ambiente, la temperatura interior, las propiedades Ópticas, la irradiación y las propiedades termofísicas se deben conocer. El 'Término (UA), se calculó de la caracterización de los módulos.

Los datos se pueden procesar en una hoja de cálculo (excel), sí el usuario tiene conocimientos del manejo de datos y generación de reportes en dicha herramienta. Para facilitar el manejo y automatizar la generación de reportes se desarrollo un programa ejecutable en Visual Basic, el "Graficador.exe" se describe en el Apéndice A.

3.4

Para equipos de enfriamiento de expansión directa tipo paquete, DOE-2 [29] caracteriza a este tipo de aparatos en términos de relaciones de entrada de energía; esto es, la proporción de energía en carga manejada. Para equipo eléctrico de enfriamiento por expansión directa, se emplea la relación de entrada de electricidad. Todas las relaciones de entrada de energía son definidas en términos de la capacidad del equipo.

Para este estudio un parámetro importante es la REE, la cual decrece al decrecer la carga de operación del equipo. El consumo de energía a las condiciones de diseño es calculado con la ecuación (3.11). El consumo de energía a cargas menores de la nominal es función de la relación de fracción de carga (FC), la cual es definida como:

Influencia de la relación de eficiencia energética, REE

C CDN

FC=- (3.12)

en donde C es la carga de salida de la máquina necesaria para esa hora, y CDN es la capacidad de diseño nominal de la máquina.


El consumo de energía eléctrica en kWh del equipo de aire acondicionado, funcionando a valores de carga por debajo de su capacidad nominal, E(FC), en kWh, se obtiene mediante la adecuación de la ecuación (3.11) como:

(3.13)

en donde Qev(FC) es el calor de evaporación o capacidad de enfriamiento a la fracción de carga respecto a la capacidad nominal del equipo de aire acondicionado, y REE(FC) es la relación de eficiencia energética a la fracción de carga, definida por:

REEop REEdis

REE(FC) = ~ (3.14)

donde la REEop es la relación de eficiencia energética de operación, y REEdis es la relación de eficiencia energética de diseño del equipo de aire acondicionado.

En la figura 3.4 [30], se ilustra el comportamiento de la REE(FC) de O a 1 de fracción de carga. La curva " A representa equipos con eficiencia constante e independencia de la carga; la curva "B" representa equipos que son más eficientes en la mitad de su rango de operación; y la curva "C" representa a los equipos que son más eficientes a plena carga. La construcción de las líneas se expresa matemáticamente como un polinomio de segundo orden.

REE(FC) = A + (B FC)+ (C * FC2) (3.15)

0.0 Y O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

FRACC16N DE CARGA

1-A-E -cI Figura 3.4 Curvas de rendimiento de energia para sictemás de acondicionamiento.

27

Capitulo 3 Modelo Electrotérmico

Realmente, el REE(FC) es algo más complejo que lo descrito anteriormente. Generalmente los equipos tienen tres rangos de operación (figura 3.5). En orden de carga decreciente, estos son: (1) un rango justo debajo de carga plena, en el cual el compresor esta descargando, (2) un rango dentro del cual una cambio de gas caliente es retenido, y (3) un rango bajo en el cual el compresor se enciende y apaga en ciclos como sea necesario.

Relación Relación 1 .o mínima de gas mínima sin caliente carga

FC Relación de entrada de energía electrica en función de la fracción de carga para unidades de enfriamiento de expansión directa.

Figura 3.5

Como se observa en la figura anterior, se considera que, dentro del rango de cambio de gas caliente la entrada de energía eléctrica es constante. Puede verse además que, dentro del rango de ciclos, la entrada de energía se considera que sigue una relación lineal del cero al valor dentro del rango de cambio.

Modelo Experimental Capitulo 4

CAPÍTULO 4

MODELO EXPERIMENTAL Un aspecto importante del presente trabajo es la validación experimental del modelo teórico. En este capítulo, se describen a los elementos que constituyen el modelo experimental, y al método para la realización de las pruebas.

4.1

Para el modelado experimental, se consideran como muestras a los módulos de prueba. Los módulos de prueba, son cajas de 0.60 x 0.60 x 0.60 m, y que representan habitaciones reales de 3.0 x 3.0 x 3.0 m manteniendo una escala de 15. Se representan techos reales de loza de vigueta y bovedilla de 20 crn de espesor y loza monolítica de 12.5 cm de espesor, con lozas de prueba de 4.0 cm y 2.54 cm respectivamente. El espesor de las paredes del cuarto real es de 20.0 cm, mientras que las del módulo de prueba son de 4.27 crn; pero para este estudio, las paredes están aisladas y su efecto no se considera.

Las paredes y base de las cajas de prueba están aisladas, son del tipo tambor, de madera triplay, con acabado interior de pintura color negro mate. Están construidas con un bastidor de 60 cm x 60 cm de madera de pino con un área transversal de 10.8 cm2, dicho bastidor esta relleno de poliestireno de 3 crn de espesor, los bastidores a su vez tienen 2 tapas de madera triplay de 0.635 cm de espesor (figura 4.1). El aislante exterior es de fibra de lana de vidrio de 5.08 cm de espesor.

Diseño de los módulos de prueba

-

‘6 r. m 1 L

1-0587 -1

Figura 4.1 Detalle de construcción de las cajas de prueba’.

Esc: 1:7 Acot: m 1

29


Cada módulo es una caja con 3 paredes laterales y la base aisladas, la pared frontal es un marco en el cual se monta el vidrio de prueba (simulando una ventana), y un soporte de madera colocado en el techo para montar las lozas de prueba (figura 4.2). La pared posterior tiene dos orificios de 0.1016 m (4") de diámetro para que a través de ellos se acople el sistema de aire acondicionado.

O565 0047

/ J

0 4

I Figura 4.2 Detalle del montaje de lozas y ventanas en las cajas de prueba'.

4.2

El dispositivo se muestra en la figura 4.3 y consiste en un banco de prueba de 2 m de largo por 1 m de alto diseñado para variar la inclinación de los módulos. Sobre el banco de prueba se montan los tres módulos de prueba (cajas de 0.60 m x 0.60 m x 0.60 m). Otro banco con las mismas dimensiones se usa para contener los 3 equipos de aire acondicionado que se acoplan a cada módulo de prueba.

Diseño del sistema de prueba

Esc: 1 :7 Acot: rn 2

30


para el condensador.

El banco para módulo tiene un sistema de radiación al medio día solar. La figura 4.4,

Esc: 1:25 Acot: rn 3

Noto: Cl d ionetro del tubo oislodo P S de 4 pulg. y el espesar del Oisloniento e5 de 1 1/2 pdg.

ajuste a ángulo Óptimo, para captar la mayor lustra dicho mecanismo.

Figura 4.3 Arreglo del dispositivo experimental con los tres módulos y acoplados al aire acondicionado3.

31

Capitulo 4 Modelo Experimental

. ..

0.065 4

0.036

50009 J+ O04 $- corte be IO IPCC*” .-A

---I- - -

Figura 4.4 Sistema de ajuste de ángulo óptimo para radiación4.

4.3 Selección del sistema de aire acondicionado

La selección del equipo de aire acondicionado fue condicionada a su disponibilidad y precio. Los equipos más pequeños fabricados y vendidos en México son de 5000 BTUlh. Existen equipos para pruebas con control de variables mediante rnicroprocesador, como los usados en el proyecto PASSYS [16], pero estos equipos se fabrican a la medida y por Io tanto su costo es alto.

Para nuestro experimento un equipo de 300 W (E 1000 BTUlh), hubiera sido ideal; sin embargo, debido a las limitaciones mencionadas, se empleó un equipo de 5000 BTUlh. Para el cuarto de escala normal la capacidad necesaria es precisamente 5000 BTUlh; por lo tanto, el equipo también operara en una relación de 15. Un inconveniente de usar un equipo de aire acondicionado 5 veces mayor al requerido es que la relación de eficiencia energética, REE, disminuirá y el consumo de energía eléctrica tendrá que ajustarse. Para realizar el ajuste para el consumo de energía eléctrica del sistema de aire acondicionado, se usan las relaciones descritas en el inciso 3.4 del capitulo 3. Las características del equipo usado se resumen en la tabla 4.1.

Esc: 1 : l O Acot: m 4

32


Capacidad de enfriamiento

Datos eléctricos

4.4 Descripción de la instrumentación

Para el desarrollo de la experimentación se utilizó la instrumentación siguiente: termopares, sistema adquisidor de datos para temperatura, piranómetros, medidor de velocidad de viento, y medidores de energía eléctrica multifunción.

Para registrar las temperaturas, se requiere de: 1) una computadora personal, PC, 2) una tarjeta adquisidora de datos, marca Advantech, modelo PCL-812PG [31]. 3) tres tarjetas multiplexoras, marca Advantech, modelo PCLD-789D [31]. 4) sesenta metros de cable termopar tipo T.

La tarjeta PCL-812, se instala dentro de la PC, la cual a su vez tiene un software para diseñar el sistema adquisidor deseado. Dicha tarjeta puede soportar hasta 160 canales de entrada mediante la conexión en cascada de 10 tarjeta

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