Proyecto de Grado Diseño y construcción de prototipo de chimenea solar para vivienda de interés social en el

Valle del Cauca

Estudiante: Giancarlo Storino González

Mail: g.storino1174uniandes.edu.co Codigo:201024483

Asesor: Andrés González Mancera PhD. MSc.

Co-asesor: Orlando Porras Rey, Dr. Sc.

Universidad de los Andes Bogotá, 1 de diciembre de 2015

Agradecimientos

Quiero agradecer a mis padres y a mis dos hermanas por todo su apoyo y compañía durante

este proceso y durante toda mi vida. Me gustaría agradecer en especial a mi papa por su

ayuda durante este proyecto de grado y por todos los consejos.

A Orlando Porras por apoyar y guiar este proyecto, además de sus enseñanzas. Gran

profesor y gran ser humano.

A Andrés González por aceptar el proyecto y guiarlo por un buen camino. Gran profesor y

gran persona. Juntos aprendimos.

A STOGON Constructora, el sueño de una vida.

A Manuela por su ayuda y comprensión en este largo proceso.

A todos los profesores y técnicos y demás personas que componen el departamento de

ingeniería mecánica por sus enseñanzas, ayudas y calidad humana.

A todos mis amigos que me apoyaron y estuvieron conmigo durante esta etapa.

A todas las personas que me ayudaron continuamente durante este ciclo.

Contenido Agradecimientos ................................................................................................................................3

Lista de Ilustraciones ..........................................................................................................................7

Lista de tablas.....................................................................................................................................9

Resumen ..........................................................................................................................................11

1. Capítulo 1 .................................................................................................................................13

1.1 Introducción. ..........................................................................................................................13

1.2 Antecedentes .........................................................................................................................15

1.3 Objetivos ................................................................................................................................16

1.3.1 Objetivos generales .........................................................................................................16

1.3.2 Objetivos específicos .......................................................................................................16

1.4 Enfoque y alcance ..................................................................................................................17

Capítulo 2 .........................................................................................................................................19

2.1 Marco teórico .........................................................................................................................19

2.1.1 Descripción General de la chimenea solar .......................................................................19

2.1.2 Componentes de la chimenea solar ................................................................................20

2.1.3 Confort térmico ...............................................................................................................21

2.1.4 Definiciones de confort térmico ......................................................................................22

2.1.5 Zona de confort térmico ..................................................................................................22

2.1.6 La chimenea solar como estrategia de confort ................................................................24

2.1.6.1 ......................................................................................................................................24

2.1.6.2 ......................................................................................................................................24

2.1.6.3 ......................................................................................................................................24

3. Capítulo 3 .................................................................................................................................25

3.1 Método...................................................................................................................................25

3.1.1 Diseño conceptual del prototipo de chimenea solar .......................................................25

3.1.2 Selección de los materiales que componen el prototipo de chimenea solar. ..................25

3.2.3 Evaluación numérica del prototipo de chimenea solar ...................................................25

3.1.4 Diseño conceptual y construcción del modelo de la vivienda .........................................26

3.1.5 Desarrollo del montaje del prototipo de chimenea solar en la vivienda .........................26

3.1.6 Evaluación experimental del prototipo de chimenea solar ............................................26

4. Capítulo 4 .................................................................................................................................27

4.1 Diseño conceptual del prototipo de chimenea solar ..............................................................27

4.2 Diseño conceptual y construcción del modelo de la vivienda ................................................30

4.3 Evaluación numérica del prototipo de chimenea solar ..........................................................31

4.4 Construcción y montaje del prototipo de chimenea solar. .....................................................34

4.5 Evaluación Experimental de la chimenea solar ......................................................................35

Capítulo 5 .........................................................................................................................................41

5.1 Presentación y análisis de resultados .....................................................................................41

5.1.1 Temperatura al interior de las viviendas y temperatura ambiente .................................42

5.1.2 Radiación .........................................................................................................................46

5.1.3 Velocidad del viento ........................................................................................................49

5.1.4 Temperatura de la vivienda Vs radiación solar ................................................................52

5.1.5 Velocidad del viento Vs radiación solar ...........................................................................53

5.1.6 Velocidad de viento Vs temperatura de la placa .............................................................54

5.1.7 Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura

ambiente ..................................................................................................................................54

5.2 Evaluación costo de la chimenea solar ...................................................................................56

Capítulo 6 .........................................................................................................................................58

6.1 Conclusiones ..........................................................................................................................58

6.2 Recomendaciones ..................................................................................................................58

6.3 Bibliografía .................................................................................................................................60

Anexos ..............................................................................................................................................61

Análisis Numérico .........................................................................................................................61

Lista de Ilustraciones

Figura 1. Componentes de la chimenea solar ..................................................................................20

Figura 2. Zona de confort térmico. Fuente: Clima y arquitectura. Olygay, Victor ............................23

Figura 3. Diseño conceptual del prototipo de chimenea solar .........................................................30

Figura 4.Vivienda de interés social de 60.8 m2. Fuente Pagina web www.gpi.com.co ....................31

Figura 5.Modelo de transferencia de calor al interior de la chimenea solar. ...................................33

Figura 6.Chimenea solar instalada en la vivienda .............................................................................35

Figura 7.Vivienda control y vivienda con chimenea solar .................................................................36

Figura 8.Lugar de las mediciones en la vivienda con chimenea solar ...............................................37

Figura 9. Lugar de las mediciones en la vivienda Control .................................................................37

Figura 10.Ubicación torre meteorológica con respecto a las viviendas experimentales ..................38

Figura 11. Ubicación real del Hobo y del Anemómetro vivienda Chimenea solar ............................39

Figura 12. Ubicación del Hobo y del Anemómetro al interior de la vivienda con chimenea solar. ...39

Figura 13. Ubicación del Hobo y del Anemómetro al interior de la vivienda Control .......................40

Figura 14.Ubicación del Termómetro y del anemómetro en la entrada de aire de la chimenea solar

.........................................................................................................................................................40

Figura 15.Temperatura de bulbo seco del ambiente, del interior de la vivienda control y del interior

de la vivienda con chimenea solar para el lunes 21 de septiembre. ................................................42

Figura 16. Temperatura de bulbo seco del ambiente, del interior de la vivienda control y del

interior de la vivienda con chimenea solar del miércoles 23 de septiembre....................................43

Figura 17. Temperatura de bulbo seco del ambiente, del interior de la vivienda control y del

interior de la vivienda con chimenea solar del jueves 24 de septiembre. ........................................43

Figura 18. Temperatura de bulbo seco del ambiente, del interior de la vivienda control y del

interior de la vivienda con chimenea solar del sábado 26 de septiembre........................................44

Figura 19. Radiación solar Vs hora Velocidad del viento vs radiación solar para el lunes 21 de

septiembre. ......................................................................................................................................47

Figura 20.Radiacion solar Vs hora para el miércoles 23 de septiembre. ..........................................47

Figura 21. Radiación Solar Vs Hora jueves 24 de septiembre. .........................................................48

Figura 22. Radiación solar Vs Hora para el sábado 26 de septiembre. .............................................48

Figura 23.Velocidad del viento al interior de la vivienda control y de la vivienda con chimenea solar

para el lunes 21 de septiembre. .......................................................................................................49

Figura 24. Velocidad del viento al interior de la vivienda control y de la vivienda con chimenea

solar para el miércoles 23 de septiembre. .......................................................................................50

Figura 25. Velocidad del viento al interior de la vivienda control y de la vivienda con chimenea

solar para el jueves 24 de septiembre..............................................................................................50

Figura 26. Velocidad del viento al interior de la vivienda control y de la vivienda con chimenea

solar para el sábado 26 de septiembre. ...........................................................................................51

Figura 27.Temperatura Vs radiación solar para todos los días .........................................................52

Figura 28. Velocidad del viento Vs radiación solar para todos los días. ...........................................53

Figura 29. Velocidad del viento Vs Temperatura de la placa para todos los días. ............................54

Figura 30. Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente

para el día lunes 21 de septiembre.. ................................................................................................54

Figura 31. Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente

para el día miércoles 23 de septiembre. ..........................................................................................55

Figura 32. Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente

para el día jueves 24 de septiembre. ...............................................................................................55

Figura 33. Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente

para el dia Sabado 26 de septiembre. ..............................................................................................56

Lista de tablas

Tabla 1. Flujo másico en relación con el ancho y la altura de la chimenea Solar…………………………..22

Tabla 1. Propiedades de los materiales…………………………………………………………………………………………23

Tabla 2. Insumos y costos de la chimenea solar……………………………………………………………………………55

Resumen

Este proyecto se enfocó en disminuir la temperatura y aumentar la velocidad del viento al

interior de las Viviendas de interés social VIS. Los constructores al hacer este tipo de

vivienda se enfocan en disminuir los costos sin pensar en las personas que van a habitar las

viviendas. Las VIS suelen presentar graves problemas de temperaturas ya que suelen

calentarse mucho durante el día o enfriarse mucho durante la noche.

En el Valle del Cauda, las personas que habitan este tipo de vivienda suelen vivir incomodos

por el exceso de calor que hay en el interior de las viviendas. El poco confort térmico que

sufren las personas afecta su rendimiento en el trabajo y en el estudio y crea un estrés

térmico dentro de la vivienda que afectan las relaciones personales dentro de la familia.

Desde hace un tiempo se tomó conciencia de los problemas que sufren estas personas y se

han buscado soluciones que ayuden a disminuir el problema. Durante este trabajo se llevó

un proceso de diseño que permitió desarrollar una chimenea solar para ayudar a disminuir

el problema de las temperaturas y de la ventilación dentro de las viviendas de interés social.

En este proyecto de grado se logró diseñar, construir y probar un prototipo de chimenea de

bajo costo que redujera las altas temperaturas de las viviendas de interés social y

aumentara el flujo de viento que pasa a través de estas viviendas.

Se espera que en un futuro otros estudiantes y/o instituciones puedan utilizar las ideas y

resultados obtenidos en este proyecto para seguir trabajando en el tema y mejorar el diseño

desarrollado para que en algún momento pueda ser comercializado y se pueda usar en

viviendas de interés social y ayude a mejorar el problema de confort térmico que hay en

estas viviendas.

1. Capítulo 1

En la etapa inicial del proyecto se identificó y se definió el problema de ingeniería que se

requiere solucionar durante este proyecto. Durante esta etapa también se definió la forma

en que se resolvería y las herramientas que se iban a utilizar para poder hacerlo. Después

de definir el problema se inició buscando información de desarrollos anteriores de

chimeneas solares, trabajos de confort térmico desarrollados dentro de la universidad para

seguir el proceso de mejoramiento del confort térmico que han planteado otros estudiantes

y averiguar cuáles han sido sus soluciones para poder aplicarlas al modelo de vivienda que

se construyó. Como finalidad de esta etapa se buscó tener el problema bien definido,

tomando en cuenta al problema que se enfrentaba, los antecedes y conceptos de otras

personas que han trabajado en el área del problema que se requiere solucionar, los

fundamentos y los principios de ingeniería aplicables. Los resultados de esta etapa se

concentran en el primer capítulo de este documento.

1.1 Introducción.

En Colombia se entiende por vivienda de interés social aquellas casas que tienen un valor

menor o igual a 135 SMMLV (Gamboa, 2011). Gracias a los diferentes subsidios entregados

por el gobierno, estas viviendas han permitido mejorar la calidad de vida de muchas

personas de bajos recursos en el país y en distintos países alrededor del mundo.

En los últimos 5 años, en el país se han implantado varias políticas económicas para lograr

que muchas familias puedan acceder a una vivienda con estándares mínimos de

habitabilidad, impulsando así la economía de las regiones y generando mayor empleo en

los diferentes departamentos (Departamento de Planeación Nacional, 2011) .

Según el último Censo realizado en Colombia por el DANE en 2005, el déficit cuantitativo de

vivienda en el país es de 1.307.757 y el déficit cualitativo es de 2.520.298 hogares (DANE,

2015). A pesar de que estos números han ido descendiendo rápidamente debido a las

políticas de vivienda que ha adoptado el gobierno en los últimos años, todavía hay muchas

familias que no han logrado acceder a una vivienda propia.

El problema no sólo radica en que la cantidad de viviendas que se construyen en el país no

son suficientes para acabar con el déficit de casas (DANE, 2015), sino en que las viviendas

que se construyen no logran satisfacer algunas necesidades básicas de las personas que

habitan en ellas. Las empresas en su afán por maximizar la rentabilidad de los proyectos de

construcción, utilizan diseños básicos y materiales de muy baja calidad para alcanzar un

objetivo económico, sin pensar en las personas que van a habitar los hogares entregados

(Gamboa, 2011). Las constructoras se han enfocado más en entregar un producto y no en

prestar un servicio que mejore de verdad la calidad de vida de los colombianos (Olgyay,

1968).

Uno de los problemas más graves con los que cuentan las viviendas de bajo costo es el poco

nivel de confort térmico que ofrecen. Éste problema hace que las personas tengan que

destinar parte de su sueldo en altas facturas de electricidad, con el fin de modificar la

temperatura de sus hogares usando sistemas de ventilación activa, calentadores o aires

acondicionados (Gamboa, 2011).

Sin embargo, el problema de las familias no solo es económico ya que éstas condiciones de

bajo confort térmico también producen problemas graves en la salud de las personas,

incomodidad para estudiar o dormir, produciendo una baja en el rendimiento en sus

actividades diarias. Desde hace algunos años, el estado se dio cuenta de éste grave

problema y han ido creando normas relacionadas con el confort térmico que reglamentan

las condiciones mínimas bajo las cuales se deben construir éste tipo de viviendas.

(Ministerio de Vivienda, 2011)

Éste proyecto nace de la motivación para resolver el problema actual de confort térmico en

Viviendas de bajo costo en el Valle del Cauca, departamento en el que las viviendas sufren

un problema de recalentamiento que hace que las personas no se sientan cómodas en sus

hogares. El trabajo a continuación consiste en diseñar, desarrollar y construir un prototipo

de chimenea solar que aumente el confort térmico actual de las viviendas, bajando la

temperatura y aumentando la ventilación dentro del hogar y así poder mejorar la calidad

de vida de las personas que viven en las VIS.

Este documento contiene en el primer capítulo el contexto general de las viviendas de bajo

costo del país, los problemas encontrados en estas viviendas y la motivación del estudiante

al hacer este trabajo. En este capítulo, el estudiante se enfoca en los antecedentes y

estudios en los cuales se va basar para desarrollar el proyecto, además de los objetivos que

se buscan cumplir durante este proyecto de grado. En el segundo capítulo se muestra el

marco teórico que se utilizó para entender los principios físicos de la chimenea y confort

térmico. En el capítulo 3 se expone el método de los pasos a seguir para lograr los objetivos

del proyecto de grado. Posteriormente, en el capítulo 4 se explican profundamente como

se realizaron los procesos de diseño y construcción de la chimenea solar y de las viviendas

experimentales. También se muestra como se realizó la evaluación numérica de la

chimenea solar y las mediciones que se realizaron y los equipos que se utilizaron para

evaluar el funcionamiento de la chimenea solar y de la vivienda control.

En el capítulo 5 se presentan los resultados obtenidos en las mediciones, se analizan dichos

resultados y se muestra un análisis de costos de la chimenea solar. Por último, en el capítulo

6 se presentan las conclusiones, recomendaciones y bibliografía utilizada para realizar este

proyecto de grado.

1.2 Antecedentes

Cali está localizada entre 3° 30´ y 3° 21´ de latitud norte; 76° 33´ y 76° 27´ de longitud oeste.

Esta ciudad tiene una presión atmosférica media de 670 mm Hg debido a que su altura

sobre el nivel del mar está entre 970 m y 1030 m. La ciudad está esta ubicada en el

piedemonte de la cordillera occidental, zona conocida como farallones de Cali. Cali es

atravesada por los ríos Cali, Cañaveralejo, Aguacatal, Lilí, Meléndez, Pance y Cauca. Los

Vientos soplan principalmente en horas de la tarde y provienen de los farallones. El Ideam

clasifica a Cali como una ciudad de clima templado (Gamboa, 2011).

Para el proyecto se tomarán como referencia los trabajos de Cristancho (2010), Gómez

(2011), y Pachón (2011).

Cristancho realizó su proyecto de grado en el segundo semestre del 2010 y lo tituló “Modelo

bioclimático para una casa de interés social construida por bloques de compuesto de PVC

con refuerzo de cisco de café” (Cristancho, 2010).

En su trabajo, Cristancho simuló el comportamiento térmico de una vivienda de bajo costo

por medio del Software Energy Plus, y analizó una Vivienda de Interés social de la empresa

Woodpecker S.A.S. Las conclusiones encontradas por Cristancho que serán consideradas en

el desarrollo de este trabajo son las siguientes:

1. Al cambiar los materiales que se utilizan para construir los muros de las viviendas de

interés social, no existía un cambio significativo de temperatura en la vivienda

durante el día. Cristancho modificó la prueba anterior agregando un aislante térmico

a los muros de las viviendas, pero el cambio de temperatura durante el día tampoco

fue significativo.

2. Lo más importante que encontró Cristancho fue que al implementar una película

reflectiva en la cara exterior e interior de la cubierta sí había cambios importantes

en la temperatura interior de la vivienda. Cristancho llegó a la conclusión que los

techos y la radiación constituían el principal problema térmico de las Viviendas de

Bajo costo.

El trabajo de Cristancho fue sucedido por Gómez, que realizó su proyecto de grado llamado

“Optimización de la respuesta térmica de una vivienda de interés social hecha con un

compuesto de fibra vegetal + pvc”(Gómez, 2011)

Durante éste trabajo, Gómez encontró que al utilizar techos de espuma de poliuretano y

foil de aluminio, se obtenían mejoras significativas en la temperatura interna de la vivienda.

Para éste trabajo se utilizarán los estudios y pruebas hechas por Cristancho (2010) y Gómez

(2011) sobre los materiales que se usaran en las paredes y el prototipo de techo reflectivo

en vivienda de bajo costo para adaptar la chimenea solar sobre estos desarrollos previos y

ver que mejoras se encuentran en el comportamiento térmico de la VIS.

Así mismo, se va a tomar como referencia el trabajo hecho por Pachón “Atlas de técnicas

de acondicionamiento pasivo interior en Colombia”(Pachon,2011) . En éste trabajo Pachón

explica cómo funciona la chimenea solar, en qué lugares de Colombia se pueden instalar y

los resultados simulados dependiendo del ángulo de instalación de ésta.

Se van a tener en cuentas especialmente, las conclusiones a las que llega Pachón sobre las

chimeneas solares en Cali, los ángulos de instalación y la orientación de ésta para lograr una

mayor eficiencia.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivos generales

Prototipo a escala real de Chimenea solar construido con materiales adaptados y

controlada manualmente para que sea adaptable según los requerimientos de las

personas, y que disminuya la temperatura interior y aumente la ventilación de la

vivienda para mejorar el confort térmico en comparación con las viviendas que se

comercializan actualmente a un valor menor a 135 SMMLV.

1.3.2 Objetivos específicos

Diseño conceptual de chimenea solar, con todos los requerimientos pertinentes.

Caracterizar el comportamiento global de la chimenea solar.

Experimento para caracterizar el material que va a ser instalado en las chimeneas

solares para la acumulación de calor.

Proceso de manufactura de chimenea solar con materiales disponibles en el

mercado nacional, de bajo costo, liviano, estético, resistente, fácil de transportar e

instalar.

Construcción de vivienda con materiales provisionales.

Prototipo de chimenea solar instalado en una vivienda de materiales provisionales

Análisis cuantitativo de una vivienda con chimenea solar y una vivienda sin

chimenea solar.

Estructura de costos de materias primas de la chimenea solar.

1.4 Enfoque y alcance

Durante el transcurso de este proyecto se llevó a cabo un ejercicio de diseño que permitió

desarrollar un prototipo de chimenea solar, que ayuda a solucionar el problema real de

ingeniería asociado al confort térmico en las viviendas de interés social. Para lograr

desarrollar este trabajo, se propuso y se siguió un método que incluye una identificación y

definición del problema, un planteamiento de objetivos, un diseño conceptual de la

chimenea solar, un diseño experimental para evaluar el funcionamiento de la chimenea,

una presentación y discusión de resultados, conclusiones y mejoras propuestas para futuros

trabajos.

Dado que uno de los principales problemas de las viviendas de interés social es el poco

confort térmico de las personas, debido a las altas temperaturas al interior de las viviendas,

se desarrolló un prototipo de chimenea solar que logra disminuir la temperatura de este

tipo de viviendas y aumenta la ventilación dentro de las mismas. Esta solución está

planteada para que sea viable económica y arquitectónicamente en viviendas de interés

social, por este motivo se consideraron todos los costos que se necesitaron para que el

prototipo estuviera instalado y fuera funcional.

El alcance de este proyecto es que mediante los resultados obtenidos, las ideas generadas

durante el desarrollo de este proyecto de grado y las conclusiones a las que se llegó,

signifiquen un avance importante a la solución del problema identificado y que en el futuro

otros estudiantes y/o organizaciones puedan retomar la idea y expandir su desarrollo. Se

espera que este prototipo en algún momento se desarrolle y se comercialice para así

mejorar el confort térmico de las personas que habitan en viviendas de interés social y por

consiguiente su calidad de vida.

Capítulo 2

Para el desarrollo de este proyecto de grado fue necesario tener en cuenta una serie de

principios físicos, termodinámicos y de transferencia de calor principalmente. También fue

necesario conocer los conceptos y fundamentos del confort térmico, acondicionamiento

pasivo, ventilación natural, ventilación forzada y radiación solar. En esta se mencionan los

fundamentos de todos los principios y conceptos utilizados para poder desarrollar este

proyecto de grado.

El segundo paso fue construir el modelo de vivienda con materiales económicos, mientras

se realizaba el proceso constructivo de la vivienda, se inició el proceso de diseño y

construcción de la chimenea, basándose en diferentes trabajos, principios físicos y

consideraciones climáticas para lograr que el prototipo sea completamente funcional y

eficiente.

2.1 Marco teórico

2.1.1 Descripción General de la chimenea solar

La chimenea solar es un sistema pasivo de acondicionamiento ambiental utilizado en

espacios cerrados para aumentar la ventilación de las habitaciones con el fin de bajar la

sensación térmica de las personas por medio de un aumento en la velocidad de ventilación

(Sanchez, 2008).

La chimenea solar funciona debido a la radiación solar que incide sobre una placa metálica

color negro mate que compone uno de los lados de un conducto que está compuesto

además de 3 lados en vidrio. La placa metálica absorbe la radiación solar que traspasa el

vidrio y se calienta, generando una transferencia de calor por medio de convección con el

aire al interior del conducto, lo que produce que este aire suba debido a la disminución de

su densidad. Este efecto produce que haya un cambio de presión en la vivienda y se genere

un flujo constante de aire hacia adentro del recinto.

El efecto chimenea se da por la diferencia de temperatura entre el aire al interior y al

exterior de la chimenea, lo que origina un cambio en la densidad y un gradiente de presión.

Este tipo de chimeneas generan fuerzas de flotabilidad térmicas dadas por estos cambios

de densidades, produciendo una circulación de aire vertical (Santamouris, 2007). El aire

caliente al ser menos denso que el frio, tiende a subir, saliendo por la salida de aire de la

chimenea. Este proceso genera un ingreso obligatorio de aire en la vivienda debido al vacío

de presión que se origina, generando una constante renovación de aire dentro de la casa y

aumentando la velocidad del aire dentro de la vivienda. (Yarke, 2005)

Para este proyecto de grado es importante considerar los principios de la chimenea termal

para extraer el aire caliente que se ubica en la zona superior de la habitación y así disminuir

la temperatura del lugar y permitir una renovación de aire en el interior.

En las chimeneas solares se crea un efecto invernadero debido a que el vidrio es

transparente para el espectro solar, sin embargo tiene una transmisividad muy baja o nula

para el resto de longitudes de onda. Para este caso el vidrio no deja traspasar otras

longitudes de onda diferentes a la originada por la radiación solar, lo que produce que las

ondas de radiación térmica producidas por la placa receptora se queden dentro de la

chimenea, aumentando la temperatura del aire.

La placa receptora que compone la chimenea solar absorbe la energía de la radicación solar

que traspasa la cubierta de vidrio. La cantidad de radiación solar que traspasa depende

directamente del tipo de vidrio y de la inclinación de los rayos solares. La energía solar

absorbida por la placa receptora se convierte en energía térmica que calienta el aire que

fluye al interior de la chimenea por medio de convección y conducción.

2.1.2 Componentes de la chimenea solar

Figura 1. Componentes de la chimenea solar

2.1.2.1 Placa Absorbedora o receptora

Es una de las caras de la chimenea solar. Usualmente esta cara es de un material metálico

que tenga muy buenas propiedades de almacenamiento y conducción de calor, aunque si

se necesita para que funcione en horas de la noche es común que se utilicen materiales

con una inercia térmica alta. Su función es absorber la mayor cantidad de radiación solar

para convertirla en energía térmica (Leòn, 2010). Se recomienda que esta superficie sea

de color negro mate para lograr absorber la mayor cantidad de energía solar posible.

2.1.2.2 Aislamiento

El aislamiento es utilizado en la superficie externa de la placa para lograr la menor

transferencia de calor posible de la placa con el ambiente. Si se utiliza un aislamiento en la

superficie externa de esta cara, todo el calor absorbido por el material receptor va a ser

liberado dentro de la chimenea, mejorando sustancialmente el funcionamiento de esta.

2.1.2.3 Acristalamiento

El acristalamiento corresponde a las otras 3 caras de la chimenea. Su función es dejar

traspasar la mayor radiación solar para que la placa receptora pueda absorber la mayor

cantidad de energía y además no dejar salir la radiación térmica que produce la placa

receptora para crear un efecto invernadero dentro de la chimenea. Se recomienda que las

3 caras del acristalamiento sean en vidrio para aumentar el área de captación de la placa

receptora y así potenciar el funcionamiento de la chimenea solar ya que la placa receptora

se podrá calentar más rápido y a mayores temperaturas.

2.1.2.4 Salida de aire

La salida de aire estará ubicada en la parte superior de la chimenea y su función es dar salida

al aire caliente que por el cambio de densidades tiende a subir y así originar una renovación

de aire dentro de la vivienda.

2.1.2.5 Entrada de aire

La entrada de aire estará ubicada en la parte superior a un costado de la ventana y su

función es extraer el aire caliente de la vivienda y llevarlo a través de la chimenea para

expulsarlo hacia el exterior (Leòn, 2010). El cambio de densidades dentro de la chimenea y

la vivienda, generara una renovación de aire dentro del recinto.

2.1.3 Confort térmico

El confort es el estado de bienestar físico del sujeto relacionado con sus alrededores, está

compuesto por factores acústicos, calidad de aire, iluminación, paisaje, y temperatura. El

confort térmico definido en la norma ISO 7730, es “la condición de la mente que expresa

satisfacción con el ambiente térmico”. Este confort solo se da cuando la temperatura de la

piel es estable dentro del rango de 31,5 ºC y 34,5 ºC y la temperatura del cuerpo está en 37

ºC (Gamboa, Rosillo, Herrera, López, & Iglesias, 2011). El confort térmico se da cuando la

piel y el cuerpo estan estables, lo que significa que el cuerpo no está acumulando calor.

2.1.4 Definiciones de confort térmico (Yarke, 2005).

Sensación de comodidad: La temperatura del cuerpo humano oscila alrededor de los 37 ºC,

pero la temperatura de la piel en contacto con el aire tiene una temperatura cercana a 32

ºC, es este valor que determina las sensaciones de frio y calor. Es por esto que si la

temperatura de la piel supera 32 ºC sentimos calor y si es más baja sentimos frio.

Equilibrio térmico: es la condición en la cual el cuerpo alcanza a igualar los términos correspondientes a ganancia y pérdida de calor interno producido y el intercambio con el ambiente, recurriendo a mecanismos de autorregulación. Bienestar: es la condición mental que expresa satisfacción respecto del ambiente.

Bienestar óptimo: Es la condición para la cual la mayor cantidad de personas expresan un

juicio de bienestar.

Sensación térmica: Es la sensación de frio o calor que experimenta el cuerpo humano,

función de la temperatura del aire, de la humedad relativa y de la velocidad del viento,

además del tipo y cantidad de ropa.

2.1.5 Zona de confort térmico

La zona de confort térmico puede ser descrita como el punto en el cual el hombre puede

adaptarse al ambiente con el gasto mínimo de energía (Chen, Bandopadhayay, Halldorsson,

Byrjalsen, Heiselberg, & Li, 2003).

Figura 2. Zona de confort térmico. Fuente: Clima y arquitectura. Olygay, Victor

Para este proyecto se va tomar la zona de confort térmico en un rango entre 22 y 27 grados

Celsius, ya que para el lugar donde se midieron las variables la humedad relativa media es

muy cercana al 70 %.

2.1.6 La chimenea solar como estrategia de confort

2.1.6.1 Heliomotricidad

La chimenea solar aumenta su rendimiento a mayores valores de radiación solar, ya que

aumenta la velocidad de aire que pasa a través de ella. La chimenea debe usarse en

situaciones y lugares de altas temperaturas exteriores para ayudar a alcanzar una sensación

de confort en los recintos (Leòn, 2010).

2.1.6.2 Operación Autónoma

La chimenea es un sistema autónomo, que no depende de otros factores más que los

básicos para su operación. Por lo cual se puede adaptar a habitaciones que no tenga la

posibilidad de integrar un sistema de ventilación cruzada por cualquier motivo (Leòn, 2010).

2.1.6.3 Operación de soporte

El dispositivo puede adaptase como soporte a otros sistemas de ventilación principales,

debido a que no depende de la frecuencia de viento, puede complementar cualquier

sistema de ventilación cuando estos estén trabajando a bajo rendimiento (Leòn, 2010).

3. Capítulo 3

3.1 Método

En la etapa inicial del proyecto se identificó y se definió el problema de ingeniería que se

requiere solucionar durante este proyecto. Durante esta etapa también se definió la forma

en que se resolvería y las herramientas que se iban a utilizar para poder hacerlo. Después

de definir el problema se inició por buscar información de desarrollos anteriores de

chimeneas solares, trabajos de confort térmico desarrollados dentro de la universidad para

seguir el proceso de mejoramiento del confort térmico que han planteado otros estudiantes

y averiguar cuáles han sido sus soluciones para poder aplicarlas al modelo de vivienda que

se construyó. Como finalidad de esta etapa se buscó tener el problema bien definido,

teniendo en cuenta al problema que se enfrentaba, los antecedes y conceptos de otras

personas que han trabajado en el área del problema que se requiere solucionar, los

fundamentos y los principios de ingeniería aplicables. Los resultados de esta etapa se

concentran en el primer capítulo de este documento.

3.1.1 Diseño conceptual del prototipo de chimenea solar

Durante esta etapa se hicieron ejercicios de ingeniería conceptual. Con la información

recolectada en la etapa anterior, se llevó a cabo el proceso de diseño de la chimenea solar,

basándose en los requerimientos del proyecto y en estudios anteriores en el tema. Durante

esta etapa se esperaba tener un diseño conceptual preliminar para poder irlo modificando

durante la etapa de construcción.

3.1.2 Selección de los materiales que componen el prototipo de chimenea solar.

En esta etapa se realizaron ejercicios de ingeniería básica. Durante esta etapa se precisó la

combinación de materiales que maximizaran el funcionamiento del prototipo de chimenea

solar, sin aumentar los costos de construcción y montaje. Se buscó que el material

absorbente tuvieran propiedades de alta conductividad térmica, baja difusividad y bajo

Calor especifico, además de que fuera comercial y de precio bajo. También se tuvo en

cuenta el peso y la densidad del material para que su instalación y su transporte fueran

fáciles y de bajo costo.

3.2.3 Evaluación numérica del prototipo de chimenea solar

Durante esta etapa se esperaba tener un análisis numérico del funcionamiento teórico de

la chimenea solar. Durante esta etapa se tuvo en cuenta el modelo desarrollado por el

profesor Loboguerrero sobre el análisis numero de una chimenea térmica. Esta evaluación

se hizo con el fin de comparar el funcionamiento de la chimenea experimentalmente con el

comportamiento número y poder desarrollar un modelo que sirva para realizar mejoras en

la chimenea antes de ser construida.

3.1.4 Diseño conceptual y construcción del modelo de la vivienda

Para realizar el prototipo de vivienda se buscó la habitación principal de una vivienda de

interés social de algún proyecto comercial. Además se buscó que las viviendas prototipo se

pudieran construir con materiales de bajo costo, fáciles de instalar y manipular para lograr

adaptar el prototipo de chimenea fácilmente y si era el caso moverla e instalarla en otro

lugar para poder hacer réplicas de las pruebas.

3.1.5 Desarrollo del montaje del prototipo de chimenea solar en la vivienda

Para realizar el montajes del prototipo de chimenea solar se tuvo en cuenta la densidad del

aire caliente, ya que al ser menor que la densidad del aire frio esta tiende a subir, por lo

cual la chimenea tenía que ser adaptada en la parte superior de la vivienda y en uno de los

costados debido a la posición de la ventana. También se hizo un pequeño soporte para

garantizar el posicionamiento de la chimenea.

3.1.6 Evaluación experimental del prototipo de chimenea solar

En esta etapa se midió y comparo la eficiencia de la chimenea solar con respecto a otra

vivienda sin chimenea solar. Las mediciones se hicieron en la vivienda con chimenea solar y

la vivienda sin chimenea solar o vivienda control. Para esto se requirió diseñar un montaje

experimental, el cual incluyo variables a medir, lugares donde se iban a medir estas

variables y equipos necesarios para medir estas variables. Las mediciones se hicieron en

ambas viviendas durante los mismos horarios por varios días. Finamente se recolectaron se

organizaron y se analizaron cada uno de los datos recolectados para cada vivienda con el

fin de comprarlos y observar el funcionamiento real de la chimenea solar.

Como resultado de esta etapa se proyectaba tener resultados cuantitativos y cualitativos

del prototipo de chimenea solar organizados en graficas comparativas. Además se esperaba

analizar cada uno de los resultados experimentales de ambas viviendas para generar

conclusiones del funcionamiento real de la chimenea solar.

3.1.7 Síntesis y conclusiones

En esta etapa se incluyeron todas las conclusiones a las que se llegaron durante el desarrollo

del trabajo y el análisis de resultados, los aspectos positivos y negativos de las chimeneas

solares. En esta etapa también se incluyeron recomendaciones para el desarrollo de un

trabajo futuro. Como resultado de esta etapa se espera tener un documento bien

elaborado, de alta calidad y de fácil lectura para cualquier tipo de persona.

4. Capítulo 4

Uno de los problemas principales de la vivienda de interés social en el mundo es el poco

confort térmico que tienen las personas que habitan en ellas. En climas cálidos, las casas

durante el día se calientan de tal manera que son casi inhabitables sin un sistema de

refrigeración, pero el problema reside en que la mayoría de personas que habitan este tipo

de vivienda VIS son personas de bajos recursos que no tienen como costear la compre y uso

de sistemas de refrigeración.

Las altas temperaturas dentro de las viviendas no solo afecta el confort térmico de las

personas, también afecta su salud, las relaciones familiares, las actividades escolares y

laborales, ya que dentro de estas viviendas se crea un estrés térmico que afecta a todas las

personas que habitan en ella.

Este proyecto de grado busca encontrar una solución al problema de las altas temperaturas

que tienen las viviendas VIS en ciudades de clima cálido, con un prototipo de chimenea solar

de bajo costo que baje la temperatura al interior de la vivienda y aumente la ventilación

dentro de la misma para lograr mejorar el confort térmico de las personas sin el uso de

sistemas de refrigeración.

Durante este capítulo se desarrolló el método explicado en el capítulo 3 para cumplir cada

uno de los objetivos del proyecto.

4.1 Diseño conceptual del prototipo de chimenea solar

Después de haber identificado y definido el problema se procedió a diseñar

conceptualmente un prototipo de chimenea solar que cumpliera con los requerimientos de

funcionamientos y de costos. Dicho diseño constaba de las características generales del

producto antes de hacer el ejercicio de ingeniería. A continuación se describe cada uno de

los pasos que se desarrollaron durante la etapa de diseño conceptual del prototipo de

chimenea solar, explicando la importancia de cada uno de los aspectos considerados para

realizar el prototipo. Este diseño se planteó teniendo en cuenta cada uno de los objetivos

del proyecto.

Para comenzar, se buscó en la literatura trabajos anteriores en el tema para hacer un

desarrollo sobre un trabajo previo. Sobre el tema solo se encontró análisis matemáticos y

no experimentales. Los trabajos matemáticos encontrados fueron de gran ayuda ya que se

encontró la posición ideal de la chimenea en la vivienda, la relación en el tamaño

entrada/salida de aire y altura de la chimenea. Además se encontró que el tema se estaba

desarrollando ampliamente en España, pero no en Colombia, lugar donde no se encontraros

trabajos significativos.

Para desarrollar este proyecto de grado se tomó en cuenta el trabajo desarrollado por

Alberto Sánchez González de la Universidad Carlos III de Madrid en su proyecto de grado

“Estudio mediante simulación numérica de chimeneas solares para ventilación,

refrigeración y calefacción”. En su trabajo, Alberto encontró el flujo másico dentro de la

chimenea solar con respecto a la relación entre la altura de la chimenea y el ancho del canal

de la misma. En la tabla 1 se muestra el flujo másico en Kg/s para cada relación entre altura

de la chimenea en m y ancho del canal en cm.

Ancho del canal (cm)

10 20 30 40 50

Altura, h (m)

1 0,0214 0,0226 0,0217 0,0201 0,0191

1,5 0,0321 0,0389 0,0399 0,0396 0,0383

2 0,0416 0,0552 0,0597 0,0607 0,0606

2,5 0,0504 0,0706 0,0796 0,0833 0,084

3 0,0585 0,0851 0,0988 0,1058 0,1086 Tabla 3. Flujo másico en relación con el ancho y la altura de la chimenea Solar (Sanchez, 2008).

Para el diseño conceptual de la chimenea, se buscó la placa comercial de mayor altura para

lograr que al área de recepción de radiación solar fuera mayor, siguiendo los parámetros

de la tabla 1. Teniendo la altura de la placa definida, se precisó cuál era el ancho del canal

que aumentara el flujo másico a través de la chimenea.

El resultado encontrado por Sánchez, fue comprobado por Juan Carlos León de la

Universidad Politécnica de Cataluña en su trabajo de grado “Parámetros de diseño de la

chimenea solar”, en el que se comprueba que el ancho en el que la chimenea solar funciona

más óptimamente es a 30 cm. Ambos estudiantes llegaron a la conclusión que entre más

alta sea la chimenea solar, mayor va a ser la velocidad de viento que pase por la vivienda.

Con el fin de complementar los trabajos previos de mejoramiento de confort térmico en

vivienda y mejorar las soluciones obtenida por estudiantes de la Universidad de los Andes,

se va a utilizar la solución de (Gómez, 2011) y a cada uno de los prototipos se le va a adaptar

una película reflectiva para mejorar la respuesta térmica y comprobar el funcionamiento de

ambos dispositivos en las viviendas.

Para desarrollar el prototipo se estableció que el material absorbente debería ser un metal

con capacidad calorífica muy baja para que no se necesitara mucha energía para elevar su

temperatura y con resistencia térmica muy baja, para que fuera capaz de liberar la energía

almacenada muy fácilmente. Otra de las características que se busco fue que el precio de la

lámina del material absorbente fuera económico y que su instalación fuera fácil ya que se

tenía que hacer un soporte debido al peso del vidrio y de la lámina combinados.

Material Densidad [Kg/m3]

Cp [J/Kg*K] K [J/Kg*K] α x 105

[m2/s]

Precio Lamina +

Precio material soporte [COP]

Aluminio 2702 903 237 97,1 220000 Acero al carbono

7854 434 60,5 17,7 145000

Hierro Galvanisado

7870 447 80,2 23,1 132000

Acero Inoxidable

8055 480 37,7 10,9 195000

Latón 8530 380 110 33,9 410000 Tabla 4. Propiedades de los materiales (Cengel & Ghajar, 2011).

Para escoger la placa absorbente se tuvo en cuenta todos los metales que fueran

comerciales y que cumplieran los requisitos de transferencia de calor anteriormente

expuestos. Posteriormente se tuvo en cuenta el precio de venta de cada material para

evaluar la relación beneficio/costo de cada material.

El material escogido para la lámina receptora fue hierro galvanizado, debido a su relación

beneficio/costo comparado con otros metales, ya que su precio es bajo y cumple con las

características térmicas y físicas que se estaban buscando para construir el prototipo.

Posteriormente se estableció que los demás lados de la chimenea solar debían ser

transparentes para que la radiación solar pudiera traspasar sin mayor dificultad y así la placa

absorbente se calentara con mayor facilidad y a mayor velocidad. Evaluando las

características y los costos de diferentes materiales transparentes, se decidió que el

material que se utilizaría seria vidrio normal, debido a su bajo costos y sus buenas

características trasmitivas.

El soporte de la chimenea fue diseñado con el mismo material de la placa receptora para

facilitar su instalación, ya que se debe soldar la placa al soporte para que quedara fija a la

estructura.

La Chimenea fue instalada en el costado occidental de la casa para intentar disminuir las

altas temperaturas que se presentan en la tarde. El prototipo de chimenea, al estar en el

costado occidental de la casa, puede absorber la radiación de la tarde y así funcionar de

maneras más óptima que por la mañana, donde su funcionamiento no es tan necesario, ya

que las temperaturas no son tan altas.

Figura 3. Diseño conceptual del prototipo de chimenea solar

4.2 Diseño conceptual y construcción del modelo de la vivienda

Para realizar el diseño de las viviendas que se iban a usar para realizar este proyecto de

grado, se tomó como referencia las dimensiones de una habitación del apartamento de 60.8

metros cuadrados que construye el consorcio Parques del Pinar en el municipio de Yumbo

en el Valle del Cauca. El prototipo se utiliza con la aprobación de la junta directiva del

consorcio.

Los prototipos que se hicieron son la representación de la habitación principal de la vivienda

de interés social diseñada por el consorcio Parques del Pinar, que tiene un área aproximada

de 8.8 metros cuadrados. El modelo tiene unas dimensiones de 2,4 metros de fondo por 3,6

metros de frente por motivos de funcionalidad, ya que las placas de fibrocemento tienen

unas dimensiones de 2,4 m x 1,2 m. A continuación se presenta el diseño interno de la

vivienda.

Figura 4.Vivienda de interés social de 60.8 m2. Fuente Pagina web www.gpi.com.co

Cada modelo de vivienda tiene dos ventanas tipo basculante de 1.2 metros por 1.2 metros,

una en el lado occidental y otra en el lado oriental. Además una puerta de 1,95 metros de

alto por 90 centímetros de ancho.

Las viviendas que edifica el consorcio Parques del Pinar están construidos en cemento

fundido en sitio con formaleta metálica y con sistema interno de mallas electro-soldadas.

Por facilidad de construcción y costo de la obra, los prototipos de vivienda se construyeron

con estructura metálica de 14 cm, paredes dobles de fibrocementos de 8 mm de espesor y

tejas de Eternit.

4.3 Evaluación numérica del prototipo de chimenea solar

Durante este proyecto de grado se realizó un análisis de transferencia de calor de la

chimenea solar con el fin de comparar los resultados obtenidos experimentalmente con los

resultados teóricos para optimizar las dimensiones de la chimenea y con ello la respuesta

térmica en la vivienda.

Para hacer el análisis teórico se utilizó EES (Ver anexos).

A continuación se presenta las condiciones y variables que se tuvieron en cuenta para

realizar el análisis de transferencia de la chimenea solar.

La intensidad de radiación solar es la fuente principal de la chimenea solar, para el análisis

va a ir representada por (I). El vidrio tiene una temperatura Tv, pero debido a que si espesor

es mínimo, se va a despreciar la conducción en él. La placa receptora tiene una temperatura

𝑇𝑝 a una radiación dada.

La temperatura de la placa y del vidrio va aumentando con respecto a la altura de la

chimenea, en ningún caso se mantiene constante. La temperatura del aire en el canal

también va cambiando con respecto a su cercanía con la placa absorbedora. Por último se

toma la temperatura ambiente como Tamb.

Para hacer el análisis de transferencia de calor se hicieron las siguientes suposiciones:

• Condiciones estacionarias de operación.

• Flujo es permanente.

• Se considera el aire como gas ideal.

• La temperatura de la placa, el canal y el vidrio es igual en toda la superficie.

• La densidad de aire caliente es constante dentro de la chimenea.

• La presión atmosférica local es de 0,88 atm.

• Se utiliza la ecuación de flujo en la chimenea solar expuesta por el profesor

Loboguerrero como el movimiento dentro del canal (Loboguerrero).

• La transferencia de calor entre las placas y el aire dentro del canal se da por medio

de Convección natural.

Figura 5.Modelo de transferencia de calor al interior de la chimenea solar.

Al hacer el análisis teórico se llegaron a las siguientes ecuaciones principales:

El balance de energía en la placa:

𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 𝑄𝑟𝑎𝑑𝑃 + 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑃 [4]

El balance de energía en el Vidrio:

𝑄𝑟𝑎𝑑𝑃 = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑉𝐸 + 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑉𝐼 [5]

El balance de energía en el Canal:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑉𝑖 + 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑃 = �̇� ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 [6]

El motor principal de la chimenea solar es la energía proveniente del sol, por lo tanto:

𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 𝐼𝑜 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜃 ∗ 𝜏𝑣 ∗ [7]

Del libro de Beckman & Duffie (Beckman & Duffie, 2006) utilizamos la fórmula de radiación

entre dos placas:

𝑄𝑟𝑎𝑑𝑃 = 𝜎 (𝑇𝑃

4−𝑇𝑉4)∗(𝐴𝑃)

1

𝜖𝑝+

1

𝜖𝑉−1

[8]

Para hallar la constante de convección para la placa y el vidrio:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑃 = 𝐴 ℎ𝑐𝑃 ∗ (𝑇𝑝 − 𝑇𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙) [9]

ℎ𝑐𝑃𝑙𝑎𝑐𝑎 = 𝑁𝑢𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎∗𝑘

𝐿𝑐 [10]

4.4 Construcción y montaje del prototipo de chimenea solar.

La chimenea solar está compuesta de una placa receptora de hierro de 0,8 mm de espesor

que está pintada de color negro mate para que logre absorber la mayor cantidad de

radiación solar y maximizar la trasferencia térmica hacia el ducto. La placa receptora está

aislada térmicamente en la parte inferior de atrás para evitar el traspaso de calor hacia la

vivienda y en la parte superior no está aislada para aprovechar la radiación térmica de la

mañana.

Las paredes laterales de la chimenea son de vidrio de 170 centímetros de alto, 30

centímetros de ancho y 4 milímetros de espesor. La parte frontal es de vidrio de 4

milímetros de espesor, 170 centímetros de alto y 50 centímetros de ancho.

La chimenea solar tiene un área interna de 1500 centímetros cuadrados, un área

suficientemente grande para dejar pasar el aire que va a absorber la chimenea. La entrada

de aire está construida en hierro galvanizado para lograr soportar el peso del vidrio y de la

placa sin que haya deformación.

El área interna de la chimenea se diseñó teniendo en cuenta los trabajos de grado de

Alberto Sánchez y su tesis “Estudio mediante simulación numérica de chimeneas solares

para ventilación, refrigeración y calefacción” y Juan Carlos León y su trabajo “Parámetros

de diseño de la chimenea solar”. Ellos encontraron que para una altura de placa entre 1.5

m y 2 m se maximizaba la transferencia de calor al interior de la chimenea con un ducto de

1500 centímetros. Ellos hallaron que con estas medidas la chimenea absorbía más flujo de

viento y por lo tanto se generaba una mayor velocidad al interior de la vivienda.

La chimenea se instaló en la parte superior de la vivienda a una altura de 190 cm con el fin

de succionar el aire de mayor temperatura debido a su densidad.

Para realizar la instalación se construyó un soporte como medida de prevención para no

comprometer la estructura de la casa con el peso de la chimenea, debido a que la vivienda

se construyó con materiales de bajo costo y baja resistencia a cargas compresivas.

Figura 6.Chimenea solar instalada en la vivienda

4.5 Evaluación Experimental de la chimenea solar

Para evaluar el desempeño real del prototipo de chimenea solar, se adaptó una de las

viviendas con una chimenea solar y la otra vivienda va a funcionar como una vivienda

control, esto con el fin de comparar ambas viviendas y poder comparar el funcionamiento

de una vivienda con chimenea solar y otra sin chimenea solar. En la figura 6 se muestra la

vivienda con la adaptación de la chimenea solar.

En la figura 4 se muestran las dimensiones relevantes de la vivienda experimental.

Figura 7.Vivienda control y vivienda con chimenea solar

Montaje experimental

Los equipos y elementos utilizados en el montaje experimental fueron los siguientes:

2 Hobos H08-004-02

2 Termometro Omega HH506RA

1 Estacion meteorológica

2 Anemometro SDL 350

1 62 Mini termómetro infrarrojo Fluke

En la figura 8 se muestra la distribución del montaje experimental dentro de la vivienda de

la chimenea solar y en la figura 8 se muestra la distribución del montaje experimental

dentro de la vivienda de la Control.

Figura 8.Lugar de las mediciones en la vivienda con chimenea solar

Figura 9. Lugar de las mediciones en la vivienda Control

Las variables medidas fueron las siguientes.

Radiación solar

Temperatura ambiente

Temperatura al interior de la vivienda con adaptación de chimenea solar

Temperatura interior de la vivienda control

Velocidad de viento en la vivienda con adaptación de chimenea solar

Velocidad de viento en la vivienda control

Velocidad de viento en el exterior de las viviendas

Temperatura del canal de la chimenea solar

Temperatura de la placa metálica de la chimenea solar

La estación meteorológica se instaló en un punto alejado a las 2 viviendas para que

estuviera expuesto y sin interferencias de ningún tipo. Este equipo se usó para medir la

radiación solar y la velocidad del viento del lugar. El intervalo de tiempo de las mediciones

fue de 1 minuto. En la figura 10 podemos observar la posición de la torre meteorológica con

respecto a las viviendas.

Figura 10.Ubicación torre meteorológica con respecto a las viviendas experimentales

Los Hobos se utilizaron para medir la temperatura interna de cada una de las viviendas, esos

se ubicaron a una altura del piso de 105 cm y en la mitad de la vivienda modelo. El intervalo

de tiempo de las mediciones fue de 5 minutos y ambos Hobos estuvieron sincronizados

entre sí para poder comparar los datos obtenidos. En la figura 11 Se muestra la ubicación

del Hobo dentro de la vivienda experimental y el la figura 12 Se muestra la ubicación del

Hobo en la vivienda control.

Figura 11. Ubicación real del Hobo y del Anemómetro vivienda Chimenea solar

Figura 12. Ubicación del Hobo y del Anemómetro al interior de la vivienda con chimenea solar.

Los anemómetros se utilizaron para medir la velocidad del viento que ingresaba en cada

una de las viviendas, esto con el fin de comparar el funcionamiento de la chimenea solar. El

intervalo de tiempo de las mediciones fue de 1 segundo, ya que la velocidad del viento no

era constante en todo momento. Los datos obtenidos fueron promediados para sacar la

velocidad media del viento cada 10 minutos. Los anemómetros fueron ubicados en el

mismo lugar de los Hobos eso con el fin de saber la velocidad potencial de viento que

reciben las personas.

Figura 13. Ubicación del Hobo y del Anemómetro al interior de la vivienda Control

Los termómetros fueron utilizados para medir la temperatura de la placa metálica de la

chimenea solar y la temperatura media del canal de la chimenea solar. El intervalo de

tiempo de las mediciones fue de 15 minutos.

Figura 14.Ubicación del Termómetro y del anemómetro en la entrada de aire de la chimenea solar.

Capítulo 5

5.1 Presentación y análisis de resultados

Los resultados experimentales se dividieron por variables medidas en la toma de datos. En

la Figura 15, se muestran los resultados obtenidos el lunes 21 de septiembre de la

temperatura al interior de la vivienda con prototipo de chimenea solar adaptada, la

temperatura al interior de la vivienda control y la temperatura ambiente del lugar. En las

figuras 19 y 23, Se muestran las gráficas para radiación solar y la velocidad del viento al

interior de la vivienda con prototipo de chimenea solar y velocidad del viento en la vivienda

control respectivamente para el lunes 21 de septiembre. En las figuras 30, se muestra la

gráfica de Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura

ambiente, respectivamente para el mismo día.

En la figura 16 se muestran los resultados obtenidos el miércoles 23 de septiembre de la

temperatura al interior de la vivienda con prototipo de chimenea solar adaptado, la

temperatura al interior de la vivienda control y la temperatura ambiente del lugar . En las

figuras 20 y 24 se muestran las gráficas de radiación solar y velocidad del viento al interior

de la vivienda con prototipo de chimenea solar y velocidad del viento en la vivienda control

respectivamente para el miércoles 23 de septiembre. En la figura 31 se muestra la gráfica

de Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente,

respectivamente para el mismo día.

En la figura 17 se muestran los resultados obtenidos el Jueves 24 de septiembre de la

temperatura al interior de la vivienda con prototipo de chimenea solar adaptado, la

temperatura al interior de la vivienda control y la temperatura ambiente del lugar . En las

figuras 21 y 25 se muestran las gráficas de radiación solar y velocidad del viento al interior

de la vivienda con prototipo de chimenea solar y velocidad del viento en la vivienda control

respectivamente para el jueves 27 de septiembre. En la figura 32 la gráfica de Temperatura

de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente,

respectivamente para el mismo día.

En la figura 18 se muestran los resultados obtenidos el Sábado 26 de septiembre de la

temperatura al interior de la vivienda con prototipo de chimenea solar adaptado, la

temperatura al interior de la vivienda control y la temperatura ambiente del lugar . En las

figuras 22 y 26 se muestran las gráficas de radiación solar y velocidad del viento al interior

de la vivienda con prototipo de chimenea solar y velocidad del viento en la vivienda control

para el sábado 26 de septiembre. En la figura 33 se muestran la gráfica de Temperatura de

la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente para el mismo día.

En la figura 27 se muestra la gráfica de velocidad del viento Vs radiación solar para todos

los días. En la figura 28 se enseña la gráfica de Temperatura al interior de la vivienda Vs

radiación solar para todos los días. En la ilustración 29 se muestra la gráfica de velocidad

del viento Vs la temperatura de la placa receptora de la chimenea solar.

Los resultados de las radiaciones solares expuestos en este capítulo son el promedio de 10

datos tomados minuto a minuto, para obtener la radiación promedio del lugar cada 10

minutos. Los resultados de velocidad del viento son el promedio de los datos tomados

segundo a segundo durante 10 minutos, para obtener una velocidad del viento promedio

cada 10 minutos. Estos dos datos se promedian con el fin de analizar y observar la relación

de ambos datos para verificar el funcionamiento correcto de la chimenea solar.

5.1.1 Temperatura al interior de las viviendas y temperatura ambiente

Figura 15.Temperatura de bulbo seco del ambiente, del interior de la vivienda control y del interior de la vivienda con chimenea solar para el lunes 21 de septiembre.

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

12:00 18:00 0:00

Te

mp

era

tura

(ºC

)

Hora (h:mm)

Temperature CasaControl

Temperature CasaChimenea

Temperatura Ambiente

Figura 16. Temperatura de bulbo seco del ambiente, del interior de la vivienda control y del interior de la vivienda con chimenea solar del miércoles 23 de septiembre.

Figura 17. Temperatura de bulbo seco del ambiente, del interior de la vivienda control y del interior de la vivienda con chimenea solar del jueves 24 de septiembre.

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Hora (h:mm)

Temperature CasaControl

Temperature CasaChimenea

Temperatura ambiente

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Hora (h:mm)

Temperature CasaControl

Temperature CasaChimenea

Temperatura

Figura 18. Temperatura de bulbo seco del ambiente, del interior de la vivienda control y del interior de la vivienda con chimenea solar del sábado 26 de septiembre.

En la Figura 15 se aprecia que la temperatura de la vivienda control es mayor a la

temperatura de la vivienda con chimenea solar entre la 1 y las 3:30 de la tarde que son las

horas críticas de temperatura al interior de las viviendas en el valle del Cauca. En la figura

17 Se muestra que durante estos horarios la radiación solar es alta y constante a un valor

de 600 W/m2, esta disminución se puede dar gracias al funcionamiento de la chimenea solar

que produce un flujo de aire dentro de la vivienda. Después de las 3:30 de la tarde se aprecia

que la temperatura en la vivienda con chimenea solar aumenta 2 grados centígrados y

posteriormente a las 4:10 pm disminuye a la temperatura que se encontraba entre la 1 y

las 3:30 pm, mientras que la temperatura de la vivienda control entre 3:30 y 4:10 es

contante a un valor de 37 grados Celsius. En la figura 15 también se observa que hay unos

picos de temperatura alrededor de las 5 de la tarde en la vivienda control esto se deben a

que en dicha hora se agregó una carga variable de personas al interior de la vivienda para

la manipulación, almacenamiento y evaluación de equipos de medición. En la misma figura

se observa que hay un aumento de temperatura en la vivienda con chimenea solar después

de las 5 de la tarde, esto se debe a que a altas horas de la tarde, el sol solo llegaba a esta

vivienda ya que estaba ubicada en la parte occidental, tapando la vivienda control del sol

en estos horarios. Las viviendas después de la 7 de la noche tienen un comportamiento

similar en la caída de temperatura, llegando a temperaturas de confort térmico entre 22 ºC

y 26 ºC.

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Hora (h:mm)

Temperature CasaControl

Temperature CasaChimenea

Temperatura

En la figura 16 se evidencia que la temperatura interior de la vivienda control alrededor de

las 8 am crece súbitamente hasta 40 ºC, esto se debe a que el sol en la mañana solo afecta

a esa vivienda, debido a que la casa control se encuentra en el oriente del lote y en horarios

muy tempranos de la mañana cubre el sol de la otra vivienda. En la misma figura se observa

que entre las 9:30 am y 1:20 de la tarde la temperatura al interior de la vivienda control

vuelve a crecer de manera rápida sobrepasando la temperatura de la vivienda con chimenea

solar en 2 ºC y 3 ºC. En la figura 16 se muestra que a la 1:30 de la tarde las temperaturas al

interior de las dos viviendas se igualan pero posteriormente la temperatura de la vivienda

con chimenea disminuye 1 grado centígrado mientras la temperatura en la otra vivienda

crece constantemente hasta pasar los 36 grados Celsius. Este cambio se debe al

funcionamiento de la chimenea solar en los picos de crecimiento de la radiación solar. En

la figura 16 se observa que la radiación solar es baja durante toda la tarde, pero hay dos

picos máximos a las 2:20 y a las 3:10, que corresponden con la disminución de la

temperatura de la vivienda con chimenea solar y con el aumento de la temperatura interior

de la vivienda control. En la misma figura se evidencia que después de las 4:15 pm se

aumenta la temperatura de la vivienda con chimenea solar. Al final del día alrededor de las

6 de la tarde las dos temperaturas descienden de manera similar hasta llegar a una

temperatura cercana a 25ºC a las 12 de la noche.

Al comprar la figura 16 con la figura 20 se puede ver que a las 12.20 pm, cuando la radiación

supera los 1000 W/m2, la temperatura al interior de la vivienda control es mayor que la

temperatura dentro de la vivienda con chimenea solar. Cuando la radiación empieza a

disminuir después de la 1 pm, la temperatura de las dos viviendas se comporta de manera

muy similar. Alrededor de las 3 pm, la radiación aumenta significativamente de 300 W/m2

a 600 W/m2 y la temperatura dentro de la vivienda control aumenta significativamente

mientras la temperatura dentro de la vivienda con chimenea solar se mantiene estable.

En la figura 17 se muestra que la temperatura dentro de las 2 viviendas se comportan de

manera similar durante toda la mañana hasta las 10 am cuando la temperatura de la

vivienda control aumenta rápidamente hasta 38 grados Celsius mientras la temperatura de

dentro de la vivienda con chimenea solar decrece súbitamente alrededor de 4 grados hasta

llegar a 32 grados. Después de ese momento se mantiene una diferencia de temperatura

en el interior de ambas viviendas. La diferencia entre las dos viviendas varía entre 1 y 3

grados, siendo mayor la temperatura en la vivienda control durante gran parte de la tarde.

A las 3 de la tarde la temperatura de la vivienda control aumenta súbitamente creciendo 8

ºC en media hora, llegando a una temperatura de 46 ºC, mientras la temperatura en la

vivienda solar se mantienen alrededor de 38 ºC este incremento coincide con el incremento

en la radiación solar un poco antes de las 3 de la tarde, la temperatura dentro de la vivienda

control disminuye también con la radiación pasadas las 3:30. En la casa con chimenea se

puede aprecia el funcionamiento de la chimenea, que no permite un crecimiento súbito en

la temperatura de la vivienda. Al finalizar la tarde, la temperatura al interior de ambas

viviendas decrece de forma similar.

En la figura 18 se evidencia que la temperatura al interior de la vivienda control es

significativamente superior durante toda la mañana que la temperatura en la vivienda con

chimenea solar, esto se debe a que la vivienda control está ubicada en el oriente y gran

parte de la radiación de la mañana solo alcanza esta vivienda. También se puede notar que

después de mediodía la temperatura al interior de las dos viviendas es muy similar hasta

alrededor de las 3 de la tarde donde se distingue un aumento muy grande dentro de la

vivienda control. Después de las 5 de la tarde el comportamiento térmico al interior de

ambas vivienda se comporta de manera muy parecida, disminuyendo rápidamente desde

37 ºC a 27 ºC . En la ilustración se aprecia que la temperatura ambiente en todo momento

es más baja que la temperatura al interior de ambas viviendas y que empieza a disminuir

rápidamente después de las 2:40 de la tarde.

En las anteriores graficas se puede evidencias que durante los horarios críticos de

temperatura entre las 12:00 pm y 4 de la tarde no se presentan picos de temperatura en la

vivienda con chimenea solar. Por el contrario en la otra vivienda el día jueves 24 y sábado

26 se presentan picos de temperatura que superan los 42 ºC al interior de la vivienda.

5.1.2 Radiación

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

12:30 12:58 13:27 13:56 14:25 14:54 15:22 15:51

Rad

iaci

ón

(W

/m2)

Hora (h:mm)

Figura 19. Radiación solar Vs hora Velocidad del viento vs radiación solar para el lunes 21 de septiembre.

Figura 20.Radiacion solar Vs hora para el miércoles 23 de septiembre.

0

100

200

300

400

500

600

700

12:30 12:58 13:27 13:56 14:25 14:54 15:22 15:51

Rad

iaci

ón

(W

/m2)

Hora (h:mm)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

12:30 12:58 13:27 13:56 14:25 14:54 15:22 15:51

Rad

iaci

ón

(W

/m2)

Hora (h:mm)

Figura 21. Radiación Solar Vs Hora jueves 24 de septiembre.

Figura 22. Radiación solar Vs Hora para el sábado 26 de septiembre.

En la figura 19 se aprecia que la radiación solar es máxima entre las 12:30 y 1:30 teniendo

picos de radiación de 800 W/m2, después de estas horas la radiación se comporta

constantemente entre la 1:30 y 3 en un valor de radiación de 600 W/m2. A partir de las 3:30

la radiación disminuye a 400 W/m2.

En la figura 20 se muestra la radiación solar durante la tarde del miércoles 23 de septiembre.

En la figura se observa que la radiación fue baja durante todo el día entre 300 W/m2 y 400

W/m2, teniendo picos máximos de radiación solar de 600 W/m2 a las 12:30, 2:20 y 3:10. La

radiación disminuye después de las 3:30 de la tarde.

En la figura 21, se evidencia que la radiación varía mucho durante toda la tarde siendo

máxima a la 1:50 pm, pero teniendo picos de radiación cercanos a 800 W/m2 a las 12:40 de

la tarde y entre las 2:20 y 2:40 pm.

En la figura 22 se aprecia que la radiación varía mucho durante la toma de datos, siendo

máxima a las 12:30 pm y mínima entre la 1:30 y 2 de la tarde. En la misma grafica se nota

que después de la 1:30 de la tarde la radiación solar varía entre 300 W/m2 y 600 W/m2.

0

200

400

600

800

1000

1200

12:30 12:58 13:27 13:56 14:25 14:54 15:22 15:51

Rad

iaci

ón

(W

/m2)

Hora (h:mm)

5.1.3 Velocidad del viento

Figura 23.Velocidad del viento al interior de la vivienda control y de la vivienda con chimenea solar para el lunes 21 de septiembre.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

12:30 12:58 13:27 13:56 14:25 14:54 15:22 15:51

Vel

oci

dad

del

vie

nto

(m

/s)

Hora (h:mm)

VVCChimenea

VVCControl

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

12:30 12:58 13:27 13:56 14:25 14:54 15:22 15:51

Vel

oci

dad

de

l vie

nto

(m

/s)

Hora (h:mm)

VVCChimenea

VVCControl

Figura 24. Velocidad del viento al interior de la vivienda control y de la vivienda con chimenea solar para el miércoles 23 de septiembre.

Figura 25. Velocidad del viento al interior de la vivienda control y de la vivienda con chimenea solar para el jueves 24 de septiembre.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

12:00 12:28 12:57 13:26 13:55 14:24 14:52 15:21 15:50

Vel

oci

dad

de

l vie

nto

(m

/s)

Hora (h:mm)

VVCChimenea

VVCControl

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

12:30 12:58 13:27 13:56 14:25 14:54 15:22 15:51

Vel

oci

dad

del

vie

nto

(m

/s)

Hora (h:mm)

VVCChimenea

VVCControl

Figura 26. Velocidad del viento al interior de la vivienda control y de la vivienda con chimenea solar para el sábado 26 de septiembre.

En la figura 23 se observa que la velocidad del viento al interior de la vivienda con chimenea

solar es mucho mayor que la velocidad del viento en vivienda control durante las

mediciones realizadas, esto se debe al funcionamiento de la chimenea solar en los puntos

altos de radiación solar. En la figura 19 se observa que en los puntos de la radiación es alta,

la velocidad del viento es mayor. Al disminuir la radiación, la velocidad del aire disminuye

significativamente. Se puede observar también que la velocidad del viento en la casa de la

chimenea solar disminuye con el paso del tiempo y es mayor en horas cercanas al medio

día, teniendo un maximo de velocidad alrededor de la 1 de la tarde de 0,5 m/s. en la misma

figura se aprecia que la velocidad del viento al interior de la vivienda control es muy cercana

a 0 durante las horas que se midieron experimentalmente.

En la figura 24 se aprecia que la velocidad del viento en la vivienda con chimenea solar es

mayor a la velocidad del viento al interior de la vivienda control. En la misma figura se ve

que hay 3 puntos máximos de velocidad de viento en la vivienda con chimenea solar, estos

3 puntos corresponde a los puntos máximos de radiación solar de 600 W/m2 a las 12:30,

2:20 y 3:10 de la tarde, lo cual nos indica que la chimenea solar produce un flujo de viento

en la vivienda.

En la figura 25 se evidencia que la velocidad del viento dentro de la vivienda con chimenea

solar es mayor a la velocidad del viento en la vivienda control. Los valores máximos de la

velocidad del viento dentro de la vivienda con chimenea solar coinciden con los valores

máximos de radiación solar a las 2 pm y 2:20 pm. En la misma grafica se muestra que la

velocidad al interior de la vivienda control es cercana a 0 m/s entre la 1:30 pm y 3:10 pm,

después de este horario la velocidad del viento aumenta hasta una velocidad del viento

cercana a 0,1 m/s. En la figura 25 se puede ver la velocidad máxima de viento dentro de la

vivienda con chimenea solar ocurre a radiaciones solares entre 600 y 800 W/m2.

En la ilustración 26 se evidencia que la velocidad del viento dentro de la vivienda con

chimenea solar es significativamente mayor en todo momento que la velocidad del viento

en la vivienda control. Los picos de mayor velocidad de viento al interior de la vivienda con

chimenea solar no corresponden a los picos de mayor radiación solar.

5.1.4 Temperatura de la vivienda Vs radiación solar

Figura 27.Temperatura Vs radiación solar para todos los días

En las figuras 27 se evidencia que en la vivienda con chimenea solar no se presentan picos

de temperaturas cuando aumenta la radiación solar, ya que a radiaciones mayores a 650

W/m2 la temperatura al interior de esta vivienda no supera los 36 grados Celsius. En la

misma grafica se observa que la vivienda control presenta picos de temperaturas a

radiaciones medias entre 500 y 600 W/m2.

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

0 200 400 600 800 1000 1200

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Radiacion (W/m2)

Casa Control

Casa Chimenea

5.1.5 Velocidad del viento Vs radiación solar

Figura 28. Velocidad del viento Vs radiación solar para todos los días.

En la figura 28 se aprecia que la velocidad del viento dentro la vivienda con chimenea solar

es más alta que la velocidad del viento dentro de la vivienda control. Al comparar las gráficas

con las ilustraciones 28 y 29 se evidencia que los mayores valores de velocidad de viento se

dan en los momentos en que la diferencia de temperatura del canal de la chimenea solar y

la tempera ambiente es máxima. En la figura 28, se aprecia que las mayores velocidades de

viento no se dan a las máximas radiaciones, si no a radiaciones medias, esto se debe a que

la mayor diferencia entre la temperatura del canal y la temperatura ambiente se da cuando

la radiación solar está en un rango entre 500 y 650 W/m2 debido a que la temperatura

ambiente no es tan alta.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0 200 400 600 800 1000 1200

Vel

oci

dad

del

vie

nto

(m

/s)

Radiacion (W/m2)

CasaControl

CasaChimenea

5.1.6 Velocidad de viento Vs temperatura de la placa

Figura 29. Velocidad del viento Vs Temperatura de la placa para todos los días.

5.1.7 Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura

ambiente

Figura 30. Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente para el día lunes 21 de septiembre..

-0,05

0,05

0,15

0,25

0,35

0,45

0,55

40 45 50 55 60

Vel

oci

dad

del

vie

nto

(m

/s)

Temperatura de la Placa (ºC)

Jueves 24

Sabado 26

Miercoles 23

Lunes 21

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

12:00 12:28 12:57 13:26 13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Hora (h:mm)

Tplaca

Tcanal

Tamb

Figura 31. Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente para el día miércoles 23 de septiembre.

Figura 32. Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente para el día jueves 24 de septiembre.

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

60

12:00 13:12 14:24 15:36 16:48

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Hora (h:mm)

Tplaca

Tcanal

Tamb

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

12:00 12:28 12:57 13:26 13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Hora (h:mm)

Tplaca

Tcanal

Tamb

Figura 33. Temperatura de la placa, temperatura del canal de la chimenea y temperatura ambiente para el dia Sabado 26 de septiembre.

5.2 Evaluación costo de la chimenea solar

Una de las principales consideraciones que se tuvieron en cuenta al diseñar y construir era

que ésta debía ser de bajo costo y de fácil transporte para que pudiera ser usada en

viviendas de interés social sin afectar la rentabilidad de los constructores.

Teniendo esto en cuenta se investigó un gran número de materiales que tuvieran una alta

relación beneficio/costo para que la chimenea fuera lo más eficientemente a un precio

bajo. También se tuvo en cuenta que los materiales que componen la chimenea solar son

materiales comerciales, fáciles de conseguir en cualquier región, de fácil transporte e

instalación.

En la tabla se muestra cada uno de los materiales y la mano de obra utilizada para

desarrollar el prototipo, con sus respectivos costos. Además se hace una comparación de

cómo se ve afectado el precio del metro cuadrado de una vivienda de 100 SMMV si se

adapta la chimenea solar desarrollada en este trabajo de grado.

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

60

62

12:00 12:28 12:57 13:26 13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Hora (h:mm)

Tplaca

Tcanal

Tamb

Insumo Costo Unitario [COP]

Cantidad Costo total [COP]

Costo adicional por m2 en vivienda de 60 m2 [COP ]

Placa hierro galvanizado 1,8 m x 0,55 m x 0,0018 m

32000 1 32000 533,3

Vidrio frontal 1,8 m x 0,5 m x 0,004

12000 1 12000 200

Vidrio lateral 1.8 m x 0,3 m x 0,004 m

7000 2 14000 233,3

Soporte chimenea 100000 1 100000 1666,7

Tapa chimenea 16000 1 16000 266,7 Doblado 2000 4 8000 134 Mano de obra Día 35000 3 105000 1750

Costo total 287000 COP $ 4784 Tabla 5. Insumos y costos de la chimenea solar

Como se muestra en la tabla 3 el costo de instalar una chimenea solar en una vivienda de

100 SMLV es muy bajo y el valor por metro cuadrado crecería alrededor de COP 4784 por

metro cuadrado de vivienda, lo que hace viable que las constructoras que construyan este

tipo de proyectos VIS tengan en cuenta este sistema pasivo para aliviar las altas

temperaturas de las vivienda de interés social. Sin embargo, cabe mencionar que si la

chimenea solar se produce y comercializa masivamente, los costos de construcción de este

sistema podrían disminuirse en gran proporción. Es de resaltar que en proyectos de gran

tamaño el valor de una chimenea por vivienda podría descender aún más debido a que uno

de los costos más relevantes al construir estos dispositivos es la mano de obra y en obras

de gran magnitud, siempre hay disponibilidad de mano de obra.

Durante el análisis se encontró que el mayor costo al construir este dispositivo es el soporte

que sostiene la chimenea solar. Para la vivienda en donde se instaló la chimenea se tuvo

que poner un soporte para no fracturar la estructura de la vivienda ya que el material de las

paredes era muy frágil. Si la chimenea se va a instalar en una vivienda de cemento este

costo podría no ser incluido y buscar una forma económica de adaptar la chimenea a la casa

o apartamento.

Capítulo 6

6.1 Conclusiones

Se comprobó que la chimenea solar ayuda a aumentar el confort térmico de las VIS

debido a que aumenta la velocidad de viento al interior de la vivienda, aumentando

la sensación de confort de las personas que habitan en ella.

Aparentemente la chimenea solar ayuda a controlar los picos de temperatura que

se presentan al interior de las viviendas, ya que para este proyecto dentro de la

vivienda con chimenea solar no se presentan crecimiento súbito de temperatura.

Durante este proyecto se comprobó que no se necesitan radiaciones solares muy

altas para que la chimenea solar funcione, ya que se comprobó que la mayor

velocidad de viento dentro de la vivienda con chimenea solar no correspondía a los

valores más altos de radiación. Para que la chimenea funcione se necesita poca

nubosidad y diferencias de temperaturas al interior de la chimenea y en el ambiente.

Se comprobó que las chimeneas solares son sistemas de enfriamiento pasivos de

bajo costo, que para el caso de las viviendas de interés social pueden ser utilizadas

para aliviar las altas temperaturas que se presentan en este tipo de viviendas y

aumentar la velocidad de viento para refrescarlas. La chimenea solar es fácil de

adaptar a cualquier tipo de vivienda y su construcción se puede hacer con materiales

comerciales que se obtienen fácilmente dentro del mercado colombiano. Cabe

resaltar que la chimenea solar es un sistema no contaminante del medio ambiente,

ya que no utiliza combustibles fósiles para su funcionamiento. Su fuente de energía

es la radiación solar, la cual es inagotable, lo que hace que este dispositivo pueda

ser usado por cualquier persona del mundo.

6.2 Recomendaciones

Para aumentar la cantidad de radiación solar que incide sobre la chimenea se

aconseja que la placa receptora este a un ángulo de 30 grado sobre la superficie.

Durante este proyecto no se logró probar la chimenea de esa manera debido a la

dificultad de su instalación ya que el techo que se utilizó en las viviendas era en teja.

Esta recomendación es fácil de adaptar cuando el techo es en plancha.

Se recomienda hacer la calibración de todos los equipos de medición, ya que

durante la toma de datos de este proyecto muchos de los equipos no estaban

calibrados por lo que muchos datos se tuvieron que despreciar. También se aconseja

que se revisen el funcionamiento de los equipos y como es su funcionamiento con

anterioridad para evitar posibles errores en la toma de datos.

6.3 Bibliografía

Cengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2011). Transferencia de calor y masa. Mexico: Mc Graw Hill.

Chen, Z. D., Bandopadhayay, P., Halldorsson, J., Byrjalsen, C., Heiselberg, P., & Li, Y. (2003). An

experimental investigation of solar chimney model with uniform wall heat flux.

DANE. (23 de Abril de 2015). Departamento Administrativo Nacional de Estadistica. Obtenido de

http://www.dane.gov.co/index.php/estadisticas-sociales/deficit-de-vivienda

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Imprenta Nacional de Colombia.

Gamboa, J. D., Rosillo, M. E., Herrera, C. A., López, O., & Iglesias, V. (2011). Confort Ambiental en

vivienda de interes social en Cali. Cali: Universidad del Valle.

Givoni, M. (1969). Climate and architecture. Elsevier Ltd.

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Izard, J. L., & Guyot, A. (1980). Arquitectura bioclomatica. Barcelona: Gustavo Gili S.A.

Leòn, J. C. (2010). Parametros de diseño de la chimenea solar. Barcelona.

Loboguerrero, J. (s.f.). Analisis Para el flujo de gases dentro de una chimenea . Bogota.

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Olgyay, V. (1968). Clima y arquitectura en Colombia. Cali: Universidad del Valle.

Sanchez, A. (2008). Estudio mediante simulacion numerica de chimeneas solares para ventilacion,

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Sol-arq: Soluciones arquitectónicas sustentables . (2014). Ventilación vertical: torres y atrios.

Recuperado el 10 de Agosto de 2015, de www.sol-arq.com

Yarke, E. R. (2005). Ventilacion natural de edificios. Buenos Aires: Nobuko.

Anexos

Análisis Numérico "Energía en el canal" Qcanal = abs(MpuntoCanal*Cp*(TCanal-Tcasa)) Qcanal=abs(QconvInternoVidrio+QconvPlaca) "Flujo másico dentro del canal" MpuntoCanal = densidadAireCanal*Areaducto*Vprom "Velocidad dentro de la chimenea" Vprom=((densidadAireCasa/densidadAireCanal)*(Ke+f*(LongitudPlaca/DiametroDucto))) "Energía Placa" "Energía que entra a la placa" QPlaca=QradPlacaVidrio+QconvPlaca QPlaca=Irradiacion*Costeta*tramitanciavidrio*absortividadPlaca*AreaPlaca "Energía que sale de la placa" "Energía que sale por radiación" QradPlacaVidrio=abs((Boltzman*AreaPlaca*((TPlaca^4)-(TVidrio^4))/((1/EmisividadPlaca)+(1/EmisividadVidrio)-1))) "Energia que sale por conveccion" QconvPlaca=(AreaPlaca*hcPlaca*(TPlaca-TCanal)) hcPlaca=((NuPlaca*kVientointerno)/(LongitudPlaca)) NuPlaca=((0,825+((0,387*RalPlaca)^(1/6))/(1+(0,492/Printerno)^(9/16))^(8/27))^2) RalPlaca=abs((gravedad*Beta*(TPlaca-TCanal)*(LongitudPlaca^3))/(ViscosidadcinematicaInterna*difusividadtermicaInterna)) "Energía vidrio" "Energía que entra al vidrio" QradPlacaVidrio=QconvInternoVidrio+QconvExternoVidrio "Energía que sale del vidrio" "Energía que sale hacia el interior del canal" QconvInternoVidrio=(AreaVidrio*hcInternoVidrio*(TVidrio-TCanal))

hcInternoVidrio=abs(((NuInternoVidrio*kVientointerno)/(LongitudVidrio))) NuInternoVidrio=((0,825+((0,387*abs(RalInternoVidrio))^(1/6))/(1+(0,492/Printerno)^(9/16))^(8/27))^2) RalInternoVidrio=(gravedad*Beta*(TVidrio-TCanal)*(LongitudVidrio^3))/(ViscosidadcinematicaInterna*difusividadtermicaInterna) "Energía que sale hacia el ambiente" QconvExternoVidrio=(AreaVidrio*hcExternoVidrio*(TVidrio-Tamb)) hcExternoVidrio=((NuExternoVidrio*kVientoexterno)/(LongitudVidrio)) NuExternoVidrio=((0,825+((0,387*RalExternoVidrio)^(1/6))/(1+(0,492/PrExterno)^(9/16))^(8/27))^2) RalExternoVidrio=(gravedad*Beta*(TVidrio-Tamb)*(LongitudVidrio^3))/(ViscosidadcinematicaExterna*difusividadtermicaExterna) "Constantes" gravedad = 9,81 {m/s^2} EmisividadPlaca=0,99 EmisividadVidrio=0,94 Boltzman=0,00000005670 {W/m^2*K^4} tramitanciavidrio=0,7 AreaPlaca=0,875 {m^2} AreaVidrio=0,875 {m^2} LongitudPlaca= 1,75 {m} LongitudVidrio=1,75 {m} Irradiacion = 800 Costeta=0,886 absortividadplaca=0,98 "Para hallar las propiedades del aire dentro del canal, se va a tomar las propiedades de aire a una temperatura de 60 ºC" Tinterna=55+273{Cº} Tamb= 32+273 {Cº} P=101,350 {KPa} Beta = 1/(Tinterna+273) Tcasa=35+273 "Casa" densidadAireCasa=Density(Air_ha;T=Tcasa;P=P) "Canal" Cp=SpecHeat(Air_ha;T=Tinterna;P=P) PrInterno=Prandtl(Air_ha;T=Tinterna;P=P) ViscosidadcinematicaInterna=Viscosity(Air_ha;T=Tinterna;P=P)

kVientointerno=Conductivity(Air_ha;T=Tinterna;P=P) densidadAireCanal=Density(Air_ha;T=Tinterna;P=P) difusividadtermicaInterna=ThermalDiffusivity(Air_ha;T=Tinterna;P=P) "Área Canal" Largo=0,3 Ancho=0,5 Areaducto=Largo*Ancho DiametroDucto=(2*Largo*Ancho)/(Largo+Ancho) "Fricción dentro del Canal" RugosidadHierroGalvanizado=0,06 Reynols=(DiametroDucto*Vprom)/(ViscosidadcinematicaInterna) Er=RugosidadHierroGalvanizado/(DiametroDucto*1000) f=64/Reynols Ke=0,5 "Exterior" PrExterno=Prandtl(Air_ha;T=Tamb;P=P) ViscosidadcinematicaExterna=Viscosity(Air_ha;T=Tamb;P=P) kVientoexterno=Conductivity(Air_ha;T=Tamb;P=P) difusividadtermicaExterna=ThermalDiffusivity(Air_ha;T=Tamb;P=P)