diseÑo de una casa solar inteligente y ecologica

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DISEÑO DE UNA CASA SOLAR INTELIGENTE Y ECOLOGICA EN LAZONA ALTIPLANICA

AUTORESMallea Chino Ariel Efraín. [email protected] Anahua Nicanor [email protected]

Alanoca Choque Wilfredo Darío [email protected]

ASESORMamani Mamani Alberto C. [email protected]

Ingeniero Mecánico-Eléctrico, Universidad Nacional del Altiplano

Universidad Nacional del AltiplanoFacultad de Ingeniería Mecánica – Eléctrica, Electrónica y Sistemas

Ciudad Universitaria Av. Floral Nº 1153, Telef: 368099, Fax: 366142

RESUMEN

El presente proyecto tiene por objeto mejorar la calidad de vida, en la zona altiplánica, aprovechando uno desus potencialidades, la radiación solar, como también las tecnologías de control y automatización, sin necesidadde incrementar el consumo energético ni su consecuente efecto negativo sobre el medio ambiente, siendo asífinalmente un camino hacia la sostenibilidad. Esta casa solar ecológica, es una casa con paredes de adobe dobley techo de calamina aislado térmicamente. Incluye elementos de la arquitectura tradicional. El proyecto es parala zona altiplánica, a más de 3820m sobre el nivel del mar, con climas: en inviernos fríos (-20ºC) y veranostemplados (18ºC). El sistema solar combina los sistemas activos y pasivos. El sistema pasivo adapta laarquitectura a sus necesidades térmicas. El sistema activo acumula la energía solar utilizando materiales de altainercia térmica debajo del piso la transfiere a la casa por suelo radiante. Las ventanas, persianas y puertas sediseñarán para mantener el frío fuera de la casa. Los rayos de sol a través de las ventanas pueden producirsobrecalentamientos molestos. Para evitarlo el ordenador mueve las persianas y toldos en función de lasnecesidades energéticas de la habitación. Las aguas pluviales de lluvias son captadas y almacenadas en unreservorio para el riego de diferentes usos.

ABSTRACT

The present project has for object to improve the quality of life, in the andean area, taking advantage of one ofits potentialities, the solar radiation, as well as the control technologies and automation, without necessity ofincreasing the energy consumption neither its consequent negative effect on the environment, being this wayfinally a road toward the sostenibilidad. This ecological solar house, is double a house with adobe walls and roofof isolated calamina thermally. It includes elements of the traditional architecture. The project is for the areaaltiplánica, to more than 3820m on the level of the sea, with climates: in winters colds (-20ºC) and temperatesummers (18ºC). The solar system combines the active and passive systems. The passive system adapts thearchitecture to its thermal necessities. The active system accumulates the solar energy using materials of highthermal inertia under the floor it transfers it to the house for radiant floor. The windows, blinds and doors will bedesigned to maintain the cold outside of the house. The sunbeams through the windows can produce annoyingsobrecalentamientos. To avoid it the computer it moves the blinds and awnings in function of the energynecessities of each room. The pluvial waters of rains are captured and stored in a reservorio for the watering ofdifferent uses.

INTRODUCCIONEl desarrollo de las tecnologías adecuadas para elcalentamiento de la casa solar ecológica, consisteen: Mediante el aprovechamiento de energía solartérmica, se pretende almacenar la energía térmicaen las paredes de adobe y en piso en piedras de altainercia térmica, de manera que, durante las nochesen los meses de invierno se pueda obtener unatemperatura de confort

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIOPara solucionar el problema debemos diseñar un

medio adecuado para mantener la temperatura de17ºC, durante todas las noches de la época deinvierno. Para lo cual se ha visto por convenientedesarrollar por etapas:

Diseño de la casa ecológica, consideradola combinación de sistemas activo y pasivousando materiales de alta inercia térmica.

Diseño del captador de colector solarde aire empotrado en el techo.

2

Dimensionamiento para el almacenamientode calor Selección de sistemas decontrol diurno de apertura y cierrede puertas y persianas.

DELINEACION DE OBJETIVOS

Mejorar la calidad de vida en la zonaaltiplanica, diseñando una casa solar conperdidas de calor mínimo, para lascondiciones de la época de invierno.Diseñar el sistema de captación solar,considerando la estética de la edificación(Fig Nº1)

Diseñar el sistema de almacenamiento decalor en el piso, capaz de suministra laenergía necesaria para mantener latemperatura de 20ºC durante la noche ygenerar el confort térmico de calorascendente. Reducir la contaminación

ambiental.

Fig Nº 1 Visualización de la casa solar en proyecto

ECUACIONES A UTILIZAR:

Cálculo de la Demanda Energética

)1.....(..........** TCm eaapQ

Donde:

pQ : Energía Necesaria para calentar el

ambiente (KWh)

am : Masa de aire a calentar (Kg)

eaC : Calor Específico del aire (J/kg.°C)

T : Salto Termico (Cº)

2.- OFERTA ENERGETICA

Determinación de la temperatura interior

- Para estimar la temperatura interior, aplicamosla metodología producida por Jean Francois Rozis yAlain Guinebault, que aplica la siguiente ecuación:

)8.....(C][.......... oFC

i tt

Donde:

ti : Temperatura interior promedio [°C]C : Coeficiente de aportes térmicos[Wh/día.m2]

F : Coeficiente de pérdidas térmicas[Wh/día.m2.°C]to : Temperatura Cotidiana promedioexterior [°C]

(4)[W/m2]1000*

s

nt h

GG

Donde:Gn Irradiancia solar incidente sobre el

techo [W/m2]Gn : Irradiación horizontal media corregida

[kWh/día.m2]hs : Horas de sol [h/día]

Cálculo de calor generado por radiaciónsolar

- La energía aprovechable, que incide en lasuperficie del techo, es gobernado por lasiguiente ecuación.

)3.....(*

..........***2321

mdía

KwhKKKGGn

Donde:Gn : Irradiación horizontal media corregida

[kWh/día.m2]G : Irradiación horizontal media

[kWh/día.m2]k1 : Factor de corrección según tipo de atmósferak2 : Factor de corrección según

inclinación y latitudk3 : Factor de corrección según tiempo

real que se aprovecha de la energía solar

3

Eficiencia del captador de energía solar

)2...().........(****t

am

G

TTLRR UFF

Donde:

: Eficiencia del captador solar (%)

RF : Factor de Remoción

: Factor de transmitividad delmaterial transparente

: Factor de absorción del captadorsolar

LU : Coeficiente global de transmisión de

la pérdida de calor (W/m2 °C)

mT : Temperatura promedio del captador

solar (°C)

aT : Temperatura del ambiente (°C)

tG : La energía real incidido sobre el

techo (W/m2)

- La irradiancia que se transmite al interiordel ático del edificio.

)5(..........* nt ITI

Donde:It : Irradiancia solar transmitida [W/m2]T : Transmitancia de claraboyaIn : Irradiancia solar incidente en

Superficie de claraboya [W/m2]

- La potencia total que se transmite por el techo.

)6....([W]..........* cltt SII Donde:

Pt : Potencia transmitida total [WIt : Irradiancia solar transmitida [W/m2]Scl : Superficie de claraboya [m2]

- Finalmente se calcula la potencia total absorbidacon la siguiente ecuación.

(7)][k..........G W1000Qs.V)

ra

Donde:Gra : Irradiancia total absorbida [kW]Qs : Generación de energía por absorción

solar [W/m3]

V : Volumen de piedras dealmacenamiento de energía [m3]

Cálculo de las pérdidas térmicas:

9...........º*

24*2

Cmdia

Wh

A

dF

P

Donde:

d : Pérdidas térmicas [W/°C]Ap : Área del piso [m2]

(8).......ddd rc Donde:

d Pérdidas térmicas [W/°C]dc : Pérdidas térmicas a través decerramientos [W/°C]dr : Pérdidas térmicas por renovación de aire[W/°C]

(9)][..........K.Ad CW

cc

Donde:

K : Coeficiente de transmisión de calor decada cerramiento [W/m2.°C]Ac : Área de cada superficie de loscerramientos [m2]

10...........º

**

C

WVNCd er

Donde:Ce : Calor específico del aire [Wh/m3.°C]N :Tasa horaria de renovación de aire

: Volumen de aire interior [m3]

DESARROLLO DEL PROYECTO

1.- DEMANDA ENERGETICA

De la ecuación (1):

4805W1022,38732

40255,11193662

80.00000027*37518388261,2

25*83.1010*727,65

p

p

p

p

Q

KWhQ

JQ

Q

2.- OFERTA ENERGETICA

V

4

- La energía aprovechable, que incide en lasuperficie del techo

De la ecuación (3)

G : 5.8 [kWh/día.m2]k1 : 1.05k2 : 1.02k3 : 0.94

2*5,839092

94.0*02.1*05.1*8.5

mdía

KwhG

G

n

n

Gt Irradiancia solar incidente sobre el techo[W/m2]

2..........1000*2

m

W

h

GG

s

nt

Donde:Gn : 5,839092 [kWh/día.m2]hs : 24 [h/día]

2

2

243,2955

2..........1000*24

5,839092

m

WG

m

WG

t

t


)(****t

am

GTT

LRR UFF

oo21.63

6321.0

1278.076.0

)243,2955

1535(*1.94*8.095.0*8.0*8.0

3.- ENERGIA QUE INGRESA ALALMACENAMIENTO DE CALOR

Calor requerido para el ambiente interior

278.153

6321.0*243,2955

m

WQ

Q

p

p

Considerando pérdida en transporte yalmacenamiento de calor: 10%

240.138

9.0*78.153

m

WQ

Q

p

p

- La potencia total que se transmite por el techo.

)4(...[W].......* cltt SGP Donde:

Pt : [W]Gt : 194.6364 [W/m2]Scl : 8.28[m2]

2W1611,58939

W28.8*6364.194

t

t

P

P

- Finalmente se calcula la potencia total absorbidacon la siguiente ecuación.

.(5)].........[kG W1000Qs.V)

ra Donde:Gra : Irradiancia total absorbida [kW]Qs : 481,99228 [W/m3]V : 2,474208 [m3]

511424kw1,19254915G

[kw]G

ra

10002.474208*481.99228

ra

Determinación de la temperatura interior de laspiedras


6..........º......... Ctt oFC

i

Donde:ti : [°C]C : 1282,339325 [Wh/día.m2]F : 181,5273 [Wh/día.m2.°C]to : 26 [°C]

C33,0642

C][265273.181

339325.1282

i

i

t

t

Calculo de las pérdidas térmicas:

7..........Cdía.m2.

Wh24*

pA

dF

Donde:d : Pérdidas térmicas [W/°C]Ap : Área del piso [m2]

5

C.día.m

Wh181,5273

C.día.m

Wh

75.13

24*104

2

2

F

F

Finalmente:Calculo de área de captador

4805W1022,38732pQ

2243,2955

m

WGt

2

2

4,202245m

2955.243

4805W1022,38732

A

m

WG

Q

t

p

RESULTADOS Y DISCUCIONES

DEMANDA ENERGETICA

4805W1022,38732pQ


oo21.63

Calor requerido para el ambiente interior

278.153

m

WQp

Cálculo de calor generado por radiación solar

2*5,839092

mdía

KwhGn

Irradiancia total absorbida

511424kw1,19254915G ra

Determinación de la temperatura interior de laspìedras


C33,0642it

CONTROL AUTOMATICOEl control de las del sistema de calentamiento de lacasa solar esta regido por las siguientes ecuacionesdiferenciales:Calor Generado por el Clector Solar:

rtx tKtq 1R

X(t): Es la posicion de la valvula de paso de airecaliente

rt : El retraso debido al transporte de aire

Calor perdido por las paredes:

eT i2p TKtq

ei TT , : Temperatura interior y exterior

Temperatura interior:

dtpqtq pR )()(K(t)T 3i

K3 es la constante que tiene en cuenta la masa deledificio y su calor especifico.

Ley de Conrol del Termostato:

)(Kx(t) c iREF TT

REFT : Es la temperature deseada

cK : Ganancia Del Controlador delTermostato

Donde la entrada es la temperautura de referencia yla salida es la tenperatura interior

Sistema de Control de Circulación Forzado deAire

Considerando que el sistema de calentamiento se damediante convección forzada, implica que elventilador tiene que ser accionado siempre que sepueda esperar ganancias del calor del colector solar.En un caso más simple, esto podría ser realizadomanualmente. Sin embargo, esto requeriría lapresencia constante de un operador. Esta tarea sinembargo puede ser realizada con mayor facilidad yexactitud con un controlador electrónico, conocidogeneralmente como “Controlador Diferencial”; lossensores de temperatura miden las temperaturas en elcircuito colector y en el almacenamiento de calor yconvierten las señales térmicas en señales eléctricas.

La misión del controlador diferencial es comparar lastemperaturas en la salida del colector y elalmacenamiento de calor, de manera que cuandoexista una diferencia de temperatura entre ellos,favorable a los colectores, el ventilador se ponga enmarcha, iniciándose el proceso de almacenamientode calor en la masa térmica

6

VALIDACION DE RESULTADOS CONCOSMOS FLOW

Fig Nº 2 Campo de temperaturas para caso real techo y paredesfrías

Fig Nº3 Campo de temperaturas en situación de paredes atemperatura interior

CONCLUSIONES

La temperatura durante el día en unacasa solar llegar a 20 °C. En invierno ycon una temperatura mínimo promediode 17ºC en misma estación, con lo queconlleva a garantizar el confort térmico.

El diseño bioclimático de la casa influyeen la ganancia de la energía solar .

La eficiencia del captador solar (enforma de serpentín en dos capas ver endetalle en anexo)es de 63.21%, lo cual essuperior a los colectores solares de aireconvencionales, con una area delcolector de 4m2.

Para evitar el sobrecalentamiento enverano se ha previsto reducir latemperatura mediante la renovación deaire.

El captador solar y el medio de trasporteno sufren efectos de corrosión.

Con el apoyo del software cosmos flow,se valido los resultados obtenidosanalíticamente por suelo radiante.

RECOMENDACIONES

La casa solar esta diseñado para laorientación al Norte y una inclinaciónequivalente a la latitud del lugar dondese construirá la casa en mención,

Se recomienda realizar estudios para laoptimización del colector solarplanteado.

BIBLIOGRAFÍA Calefacción solar para regiones frías

“guía tecnológica para la aplicaciónpara la vivienda y agricultura para lospaíses en desarrolloAutores: Jean- FrancoiseRozis yAlain Guinebault

Simposio Peruano de EnergíaSolar. Puno - 2003.

Energía Solar Térmica de BajaTemperatura, España 2000Autor: Walter Kehuarucho.

The American Institute of Architects Manual del simulador de cosmos

floworks para solid works 2007Autor: Ubaldo Yancachajlla Tito

7

ANEXOS Y APENDICE

CÁLCULO DE PÉRDIDAS TÉRMICAS EN COLECTOR

Superficie Coeficiente Ac.K Coef. n.Sum. S.K

Cerramientos Descripción Tipo Ac K correct.

m2 W/m2.°C W/°C n W/°C

Pared en contacto con exterior Pared (zona Adobe) I 2,76 0,24 1 1 1

Pared frontal contacto con exterior Ventana (Vidrio y Aire) II 0,60 0,16 0 1 0

Techo contacto con exterior Puerta (Madera y Aire) III 8,28 4,39 36 1 36

Piso (ambiente en calefaccion) Techo IV 8,00 0,15 1 1 1

SUMATORIA 20 5 38 4 38

Tabla Nº 1

CÁLCULO DE TEMPERATURA INTERIOR DEL COLECTOR

Descripción Unidad Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic

dt1Pérdidas de calor encerramientos W/°C 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38

Cea Calor específico del aire Wh/m3.°C 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216

StSuperficie total detransmisión m2 19,64 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20

Qip Infiltración a 100 Pa m3/h.m2 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

cCoeficiente decorrección 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94

vVelocidad de vientopromedio m/s 2,8 2,8 2,6 2,6 3,0 2,8 3,0 3,1 3,3 3,7 3,1 3,1

p Densidad del aire kg/m3 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77

dt2Pérdidas de calor porinfiltración W/°C 12 12 10 10 14 12 14 15 17 21 15 15

dt Pérdidas de calor total W/°C 50 50 49 49 52 50 52 53 55 59 53 53

SSSuperficie de separacióncon ambiente m2 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

hd Horas de un día h 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24

F Coeficiente de pérdidas Wh/m2.°C 151 151 146 146 156 151 156 159 165 178 159 159

GIrradiación mediahorizontal kWh/m2 5,7 5,2 5,3 5,3 5,0 4,8 5,0 5,6 5,8 6,4 6,6 5,7

TFactor de correcciónsegún transmitancia 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65

k1Factor de correcciónsegún tipo de atmósfera 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05

k2

Factor de correcciónsegún inclinación ylatitud 0,97 0,99 1,03 1,06 1,08 1,08 1,07 1,05 1,02 0,99 0,97 0,96

k3Eficiencia del CaptadorSolar 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94se aprovecha la energíasolar

Ac Área de Captacion m2 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

GD Aporte solar kWh 28 27 28 29 28 26 27 30 30 32 33 28

GeAporte Solar po laVentana kWh 0 0 0 1 1 1 1 2 1 1 0 0

CCoeficiente de gananciade calor Wh/m2 3544 3317 3488 3714 3570 3435 3557 4030 3906 4183 4114 3490

C/FIncremento detemperatura °C 23 22 24 25 23 23 23 25 24 23 26 22

Tabla Nº 2

8

CÁLCULO DE PÉRDIDAS TÉRMICAS DEL AMBIENTE PROYECTADO PARA LA PISCINA

Superficie Coeficiente Ac.K Coef.n.Sum.

S.KCerramientos Descripción Tipo Ac K correct.

m2 W/m2.°C W/°C n W/°CCerramiento en cont. con AmbienteExterior Pared (zona Adobe) I 38 0,25 9 1 9Cerramiento en cont. con AmbienteExterior

Ventana (Vidrio yAire) II 2 0,44 1 1 1

Cerramiento en cont. con AmbienteExterior

Puerta (Madera yAire) III 2 0,43 1 1 1

Cerramiento en cont. con el Techo Techo IV 20 0,55 11 0,8 9Cerramiento en cont. con el Piso Piso V 20 4,32 86 1 86

SUMATORIA 81 dc (W/°C) 106Tabla Nº 3

CÁLCULO DE TEMPERATURA INTERIOR

Descripción Unid Ene Feb Mar Abl May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic

dt1Pérdidas de calor encerramientos W/°C 106 106 106 106 106 106 106 106 106 106 106 106

Cea Calor específico del aire Wh/m3.°C 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216

StSuperficie total detransmisión m2 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81

Qip Infiltración a 100 Pa m3/h.m2 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

cCoeficiente decorrección 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94

vVelocidad de vientopromedio m/s 2,8 2,8 2,6 2,6 3,0 2,8 3,0 3,1 3,3 3,7 3,1 3,1

p Densidad del aire kg/m3 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77

dt2Pérdidas de calor porinfiltración W/°C 50 50 43 43 57 50 57 61 69 87 61 61

dt Pérdidas de calor total W/°C 156 156 149 149 163 156 163 167 175 193 167 167

SSSuperficie deseparación con terreno m2 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15

hd Horas de un día h 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24

F Coeficiente de pérdidas Wh/m2.°C 247 247 237 237 259 247 259 265 278 307 265 265

GIrradiación mediahorizontal kWh/m2 5,7 5,2 5,3 5,3 5,0 4,8 5,0 5,6 5,8 6,4 6,6 5,7

TFactor de correcciónsegún transmitancia 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65

k1Factor de correcciónsegún tipo de atmósfera 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05

k2

Factor de correcciónsegún inclinación ylatitud 0,97 0,99 1,03 1,06 1,08 1,08 1,07 1,05 1,02 0,99 0,97 0,96

k3Eficiencia del CaptadorSolar 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85se aprovecha la energíasolar

Ac Área de Captacion m2 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

GD Aporte solar kWh 26 24 25 26 25 24 25 27 27 29 30 25

GeAporte Solar po laVentana kWh 0 0 0 1 1 1 1 2 1 1 0 0

CCoeficiente de gananciade calor Wh/m2 1695 1587 1669 1783 1714 1650 1708 1941 1875 2008 1968 1670

C/FIncremento detemperatura °C 7 6 7 8 7 7 7 7 7 7 7 6

Tabla Nº 4

9

DETALLES CONTRUCTIVOS DE LA CASA

Fig. Nº 4 Plano de casa

Fig. Nº 5 Casa Solar

Fig. Nº 6 Captador solar

Fig. Nº 7 Captador solar en forma de serpentin

Fig. Nº 8 Detalle del captador

Fig. Nº 9 Muro exterior

10

Fig. Nº 10 Muro interior

Fig. Nº 11 Detalle del piso

Fig. Nº 12 Vista lateral del piso

Fig. Nº 13 Plano Lateral

Fig. Nº 14 Detalles de piso

diseÑo de una casa solar inteligente y ecologica

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