Estudios sobre ventilación pasiva en la Universidad de Sonora

M.C. Adolfo Vázquez Ruíz

UNIVERSIDAD DE SONORA

• En el mundo se consumen al menos 9,383 MMtoe en energía al año, y este va incrementando un 1% cada año.

• Aproximadamente el 18.5% de esta energía se destina a producir energía eléctrica, la cuál incrementa en 1.6% anualmente.

• En México, el sector residencial consume 26.8% de la energía eléctrica nacional, teniendo como principales usos finales la climatización de espacios y el funcionamiento de aparatos electrodomésticos.

Tabla 1. Consumo de energía eléctrica per cápita (kWh) de

varios estados de la República Mexicana en 2016 y 2017.

Entidad

Federativa

Consumo per cápita

(kWh)

Consumo per cápita

(kWh)

Baja California Sur 2960 3051

Baja California 2850 3091

Sinaloa 2140 2307

Sonora 3412 3670

Michoacán 1526 1486

Oaxaca 646 679

Morelos 1382 1420

MEDIA

NACIONAL 2071 2090

También se sabe

que, si el ambiente

de los ocupantes de

una habitación no es

el adecuado, puede

llegar a perjudicar

su salud y

rendimiento en la

realización de

tareas, lo

inevitablemente les

afectará

negativamente tanto

en sus sensaciones

fisiológicas como

psicológicas.

• Por ello se plantean algunas alternativas de ventilación pasiva, para ayudar a reducir problemas como:

1. Uso de sistemas mecánicos de ventilación y acondicionamiento de aire (HVAC).

2. Consumo excesivo de energía eléctrica para sistemas de HVAC.

3. Emisiones de gases de efecto invernadero por el uso de sistemas HVAC.

Chimeneas Solares

• Son una atractiva tecnología de diseño bioclimático

para favorecer la ventilación natural en

habitaciones.

• Este dispositivo es un termosifón de aire, que utiliza

la radiación solar para producir la circulación

natural de aire, aprovechando la fuerza de flotación.

Fig. 2: Chimenea

solar de Pared y

absorbedor

Fig. 3: Chimenea solar de

doble canal.

Fig. 4: Chimenea solar de

canal sencillo y absorbedor

con PCM.

Chimeneas Solares

• Actualmente en la Universidad de Sonora se está

realizando un estudio térmico numérico y

experimental para una habitación a escala con una

chimenea solar de doble canal (DC-SC) instalada en

el techo.

• Sistema de DC-SC para favorecer las

condiciones de ventilación natural al

interior.

• Efecto de la posición de la chimenea

solar.

• Análisis el efecto de fuentes de calor

en paredes de la habitación.

• Comparación de datos

experimentales con resultados

numéricos obtenidos con software

de CFD.

Problema físico de estudio

Fig. 5: Esquema de habitación

a escala con DC-SC.

Fig. 6: Diseño CAD de habitación a escala con chimenea solar de doble canal .

a) Vista Isométrica, b) Vista Superior.

Fig. 7: Habitación a escala con chimenea solar de doble canal ensamblada.

Aislamiento Térmico con material de cambio de fase (PCM)

• Los materiales de cambio de fase (PCM) son

compuestos ya sea orgánicos o inorgánicos que

tienen propiedades de almacenamiento de calor

latente a la temperatura de cambio de fase (sólido -

líquido).

• La temperatura de cambio de fase se mantiene

constante a la hora de almacenar o liberar energía a

los alrededores, y es característica de cada PCM.

Tecnologías para

enfriamiento

Sistemas activos

Unidad de manejo de

aire

Aire acondicionado

Sistemas pasivos

Disipación de calor

Modulación de calor

Con almacenamiento

de calor

Almacenamiento de calor latente

Almacenamiento de calor sensible

Sin almacenamiento

de calor Protección de calor y solar

Aislamiento Térmico con material de cambio de fase (PCM)

• Actualmente se están realizando estudios de

aislamiento térmico con PCM de manera numérica y

experimental.

• Cavidad cerrada cúbica de 0.3

m por lado con aire en el

interior.

• Paredes abiertas con aluminio

pulido para reducir el

intercambio radiativo.

• Espesor del PCM de 0.01 m.

• Pared fría a 20 °C.

• Flujo de calor uniforme y

constante en pared externa del

PCM de 250 W/m2.

• El PCM es un material

orgánico, fabricado

comercialmente por la

compañía PURETEMP con un

punto de fusión de 29 °C.

19

Fig. 8: Esquema físico de cavidad cerrada con PCM como aislante térmico.

20

Variación temporal del campo de temperatura numérico

30 min

180 min

90 min

60 min

150 min

120 min

Sin PCM, estado estable

21

30 min

180 min

90 min

60 min

150 min

120 min

Variación temporal del patrón de flujo

Problema a estudiar 1. Habitación a escala de 1 m3.

2. 3 entradas y 3 salidas de aire

en el techo.

3. Fuente de calor colocada en

la pared con PCM.

4. Paredes restantes adiabáticas.

8

Fig. 9: Esquema de habitación a escala para experimentación con PCM como aislante

térmico.

12

q= 200 W/m2

T= 298.15 K

V= 0.1 m/s

T= 293.15

m/s

t= 3 Horas

*Medidas en cm.

y

x

Fig. 10: Vista lateral de habitación a escala para experimentación con PCM como

aislante térmico.

Estudios sobre ventilación pasiva en la Universidad de Sonora

M.C. Adolfo Vázquez Ruíz

UNIVERSIDAD DE SONORA