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XIII SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR, TACNA NOVIEMBRE 2006 1/8
Construcción y análisis de una vivienda solar activa,
adecuada al medio rural de la sierra peruana
A. Presentación TITULO : Construcción y análisis de una vivienda solar activa, adecuada al medio rural
de la sierra peruana AREA : Energía Solar - Solar térmica y Aplicaciones AUTOR : Magíster Luciano Ré y técnicos Taller Inti INSTITUCIÓN : Misioneros de Belén (Suiza) Centro de Formación Campesina de la Prelatura de Sicuani (Peru) DIRECCIÓN : Calle Bolívar Nº 500 – Espinar PAIS : SUIZA, PERU CIUDAD : ESPINAR - CUSCO TELEFAX : 084 – 30 13 54 Email, Web : [email protected] www.taller-inti.org Los Misioneros de Belén (Suiza), representados por el ingeniero Luciano Ré y acompañado por su equipo técnico, desde cuatro años vienen ejecutando un proyecto de desarrollo en la Provincia de Espinar, centrado en la energía solar. Los Misioneros de Belén, en convenio con el Centro de Formación Campesina aúnan esfuerzos para la elaboración del presente documento, ambos se encuentran identificados dentro de la Prelatura de Sicuani, en el Departamento del Cusco. B. Resumen La provincia de Espinar es una de las trece provincias de la región Cusco. Además una de las provincias más altas del departamento Cusco y cuenta con 65’000 pobladores de los cuales unos 40’000 viven en el ámbito rural. La Provincia de Espinar es también una de las más pobres del departamento. Cinco de los ochos distritos están definidos en extrema pobreza (IMA 1999). Pobreza significa desnutrición y escasa higiene, significa también vivir en una vivienda sin agua, sin desague, sin luz eléctrica y ningún tipo de confort, la población que mas sufre de esta situación son los niños. La casa, o vivienda, actualmente no resulta ser el lugar de encuentro de la familia donde se comparte lo ocurrido durante el día, se crea un contacto con y entre los hijos y los padres. Las temperaturas muy frígidas, la elevada humedad, la falta o escasa iluminación y a veces la abundancia de humo hacen difícil un desarrollo armonioso de la familia al interior de la vivienda. En Espinar mismo tenemos una de las irradiaciones solares más fuertes del mundo medimos diariamente entre 5 y 7[kWh/m² dia] constantemente casi todo el año. Desde hace cuatro años trabajamos con diferentes tipos de invernaderos, hornos y cocinas solares, duchas solares, sistemas de electrificación fotovoltaicos, sistemas de bombeo y fogones mejorados. Hace poco mas de dos años hemos empezado con el proyecto de una vivienda solar activa, adecuada al medio rural de la sierra peruana. Con un presupuesto de 2’300.-USD que incluye materiales y trabajo hemos logrado construir una vivienda de 37[m²] (7,8m x 4,8m) habitables la cual cuenta con dos dormitorios, un baño completo de ducha lavador e inodoro, salón y cocina con lavadero y fogón. La vivienda integra las tecnologías solares y renovables de apoyo es decir un sistema de agua, un sistema de desague, un fogón mejorado, una ducha solar e iluminación fotovoltaica. Gracias a coeficientes de intercambio térmicos “K” idóneos y trabajando con materiales naturales de la zona como adobe, paja, esteras piedras y arena hemos logrado construir una vivienda acogedora, relativamente barata que cada persona puede construir bajo un guía. Pese a medir temperaturas externas cercas de los -20°C, la temperatura interna no baja de los 10°C en la madrugada y sube hasta 22°C de día mientras que en construcciones no mejoradas se miden temperaturas internas entre los -5°C y los 8°C todo el año.
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C. Tecnologías aplicadas
I. El volumen habitativo Los Andes peruanos se caracterizan sobretodo por algunos aspectos climatológicos bastante “críticos”. En la temporada seca de mayo a octubre tenemos días bien soleados con una energía solar diaria Global Horizontal (Gh) que alcanza los 7’000[Wh/m2dia]. En esta misma temporada las noche son bastante frías, las temperaturas mínimas registradas alcanzan los -20[°C]. Durante el resto del año la energía solar diaria alcanza los 5’000[Wh/m2dia] y las noches no son tan frías, como mínimo registramos 5[°C]. El cuerpo humano es muy sensible a la temperatura, la humedad y las corrientes de aire. El cuerpo humano se siente bien “comodo” entre 18[°C] y 28[°C] con una humedad relativa que varia entre los 20[%] y 50[%]. El aire no debe de moverse a más de 0.1[m/s] para no provocar sensaciones de frío por de bajo de los 25[°C].
Para crear un ambiente de vida confortable durante las 24 horas del día tenemos que cosechar la energía solar a través de un involucro semi-transparente de día y bien aislado para el transcurso de la noche. La vivienda solar que presentamos es una vivienda “solar activa” asi definida porque se deben de efectuar algunas acciones para que el sistema de calefacción solar funcione. A través de tragaluces que se quedan abiertos durante el día recibimos la energía solar y la almacenamos en las paredes de adobe. Al ocultarse el sol los tragaluces se cierran con planchas de Technopor de 50[mm] e impiden que se escape la calor o bien que se produzca una “catarata” de aire frío. El adobe es un material muy interesante, almacena la calor y al mismo tiempo regula la humedad, absorbe humedad que abunda en el aire y la devuelve si el aire se seca; se dice también que el adobe “respira”. Los Andes peruanos se encuentran cerca de la línea del ecuador, es decir que el sol durante el día muy rápidamente sube a un ángulo de incidencia relativamente importante, entre los 52[°] y los 85[°] respecto a la línea horizontal así que a través de las ventanas puestas en las paredes verticales logramos muy poca ganancia solar. Las ventanas no deben ser demasiado grandes para limitar las pertas térmicas pero sí deben dar una sensación de bienestar. El involucro o volumen habitativo lo hemos aislado con aire. El aire es un aislante termico bastante bueno y sobretodo no contaminante y barato. Las paredes norte y sur comportan dos filas de adobes con un espacio de 5[cm] de aire entre ellos. Por debajo del techo de calamina tenemos un “falso techo” que comporta una estructura en sándwich compuesta por la parte de debajo de esteras cubiertas por 2[cm] de paja y 2[cm] de barro para impedir el intercambio de aire. Por encima del barro tenemos otros 40 hasta 60[cm] de paja para lograr el efecto aislante deseado y un coeficiente K de 0.174[W/m2K]. El piso consiste en un vaciado de 40[cm] con 20[cm] de piedras y 20[cm] de aire para impedir el efecto capilar de la humedad. Las tablas de madera (machimbrado) que componen el piso descansan en cima de listones sujetados en amarres de cemento. Los pisos del baño y de la cocina tienen una estructura similar a los pisos de madera, simplemente en cima de las piedras tenemos 10[cm] de piedras finas (hormigón) y ladrillos de arcilla cocida. Solo las paredes este y oeste que
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tienen superficies relativamente pequeñas no están aisladas, se componen de una fila simple de adobes de 40[cm]x30[cm]x15[cm]. Estas paredes quedan simples en vista de una futura ampliación de la superficie habitativa. En la construcción misma de la casa solo se utilizaron 18 bolsas de cemento, el tartajeo interno para no “ahogar” los adobes se ha efectuado con una mezcla de 60% de barro y 40% de arena y hasta el momento no se encuentra ningún tipo de rajadura en las paredes.
II. Análisis térmica Para la construcción de la casa solar hemos decidido utilizar materiales ecológicos, biodegradables, de bajo costo y de baja carga medio ambiental. En la estructura principal hemos trabajado con adobes, palos rollizos en eucaliptos de la zona, paja y esteras. Teniendo en cuenta que el costo completo de la casa incluidas las horas de trabajo no debe de pasar los 2’300.-USD hemos trabajado con materiales de la zona y relativamente baratos. Un análisis de las pertas de calor nos muestra que las pertas mayores se encuentran en las paredes a causa de la fuerte superficie acumulada. La segunda causante de pertas de calor son las ventanas y se ha evaluado la posibilidad de instalar ventanas dobles, posibilidad descartada por su alto costo y se ha optado por la instalación de cortinas de tela bastante gruesa. Las puertas de metal para resistir a las inclemencias de la naturaleza, también nos daban pertas relativamente elevadas así que con una inversión moderada hemos decidido forrar las puertas con 5[cm] de Technopor reduciendo así de casi un 80[%] las pertas de calor. A fin de evaluar las pertas de calor y las ganancias que tenemos que lograr con una calefacción alternativa hemos evaluado la casa solar con una temperatura interna de 18[°C], una temperatura del aire externa de -5[°C] y una temperatura del suelo de 4[°C]. Teóricamente, teniendo en cuenta las características térmicas de los diferentes componentes hemos logrado los diferentes datos: Exemplo : Temp. Interna 18 [°C] Temp. Externa -5 [°C] Diff. Temp. 23 [K] Temp. Suelo 4 [°C] Diff. Temp. 14 [K]
Perdidas Objeto Pérdidas Perdidas Objeto Pérdidas relativas [W/K] reales [W]
[W/K] Paredes 75.0 [W] Paredes 1'726.0 Ventanas 26.9 Ventanas 618.7 Ventanas dobles 11.1 Ventanas dobles 255.3 Puertas 14.9 Puertas 342.2 Puertas aisladas 3.2 Puertas aisladas 73.1 Techo aislado 4.9 Techo aislado 112.4 Tragaluces 5.2 Tragaluces 120.6 Piso 16.9 Piso 387.8 Total estandard 143.8 Total estandard 3'307.7 Total mejorado 116.3 Total mejorado 2'675.1
0.0200.0400.0600.0800.0
1'000.01'200.01'400.01'600.01'800.02'000.02'200.02'400.02'600.02'800.03'000.03'200.03'400.0
Pare
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Vent
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Vent
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tas
[W]
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Teóricamente, para lograr y mantener una temperatura interna de 18[°C] con una temperatura externa de -5[°C] es suficiente desarrollar una potencia calorífica de alrededor de 3’000[W], lo que vamos a lograr con el fogón mejorado quemando un kilo de leña por hora durante las tres o cuatro horas de la noche antes de ir a la cama (de 18.00 a las 22.00).
III. Toma de medidas en continuo Para poder efectuar una evaluación en tiempo real de la casa solar hemos instalado siete sensores de temperatura y hemos tomado las temperaturas cada minuto evaluando así cada diez minutos un promedio de las medidas el todo gracias a un datalogger. En cada cuarto se instaló un sensor por un total de cuatro. Bajo el techo de calaminas se instalaron otros dos sensores y al exterior se tomó también la temperatura del aire externa. De las cuatro temperaturas internas se hizo un promedio definido como “Tm interna”. Las medidas han sido tomadas durante 17 días seguidos. Los primeros siete días los tragaluces se quedaron siempre abiertos y los restantes diez días se abrían los tragaluces a las 08.00 de la mañana y se serraban a las 17.00 de la tarde.
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Text.Tm internaDelta T
El grafico nos muestra como en los primeros días, sin el uso de los tragaluces, la temperatura máxima interna se queda entre los 19 y 21[°C]. La temperatura mínima interna oscila entre los 8 y 12[°C]. Utilizando los tragaluces la temperatura máxima se queda entre los 19 y los 22[°C]. La temperatura mínima oscila entre los 9 y los 13[°C]. Un dato relevante es que durante una noche la temperatura exterior bajó a -16[°C] mientras la temperatura interna se quedó en los 10[°C] es decir que con esta construcción podemos tener hasta 26[K] de diferencia entre interior y exterior. Otro dato interesante es que la temperatura interna utilizando los tragaluces no baja tan rápidamente como cuando no se utilizan los tragaluces.
Con tragaluces
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Text.Tm internaDelta T
En el próximo grafico vemos como influye el fogón en el desarrollo de la temperatura media interna. Quemando 2.[kg] de leña hemos logrado aumentar la temperatura media de toda la casa de 17 a 18.5[°C] durante casi dos horas. Lo interesante es también que la temperatura mínima no bajó por de bajo de los 15[°C] y al día siguiente la temperatura exterior no fue demasiado elevada pero la temperatura interna subió hasta los 24[°C].
Sin tragaluces
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8 h
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00.0
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Text.
Tm interna
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Con tragaluces y fogón
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10.47 h
12.07 h
13.27 h
14.47 h
16.07 h
17.22 h
18.42 h
20.02 h
21.22 h
22.42 h
04.50 h
01.22 h
02.42 h
04.02 h
05.22 h
06.42 h
08.02 h
09.22 h
10.42 h
12.02 h
13.22 h
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04.02 h
05.22 h
06.42 h
08.02 h
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Text.
Tm interna
Delta T
Estos datos nos dan la certidumbre que si la casa solar sería habitada normalmente y que cada noche se quemarían unos dos kilos de leña, es decir la cantidad usual de energía para cocinar la cena se puede lograr un clima interno totalmente acogedor. Dato importante, hasta la hora de acostarse, al rededor de las 21.00 / 22.00 la temperatura interna de la casa se queda en unos 17[°C].
IV. El sistema de Agua y desague Una de las necesidades básica que se debe de priorizar en una vivienda es el abastecimiento de agua. La casa solar tiene un sistema de abastecimiento propio gracias a manantiales que se encuentran a unos 100[m] de la vivienda. La altura que el sistema de bombeo debe de vencer para llenar un tanque de 140[l] que se encuentra en el techo de la vivienda es de 14.70[m]. Para abastecer de agua a la vivienda hemos trabajado con tres sistemas de bombeo. Dos diferente tipos de bombas a pistones eléctricas de 12[VDC] y 80[W] de potencia y una bomba de ariete. En la casa tenemos una ducha solar que abastece de agua caliente a una ducha instalada en el baño. Al mismo tiempo el baño cuenta con un inodoro y un lavadero con pileta. En la cocina tenemos un segundo lavadero con su pileta. En el jardín también tenemos una pileta instalada. La casa está también dotada de un sistema de desague con poza séptica de 2[m3], ningún tipo de agua residual sale al aire libre. Características de la bomba a pistones Shurflo:
Lo interesante de este tipo de bombas es que variando la altura de bombeo casi no varia su flujo entre los 5.5 y 5.9[l/min],. La eficiencia aumenta hasta un 25% con una altura de bombeo de 13[m]. Esta bomba está indicada para trabajar hasta 50[m] de altura. Con este tipo de bomba de baja potencia no necesitamos el apoyo de un panel fotovoltaico, el bombeo durante todo un día se puede efectuar con una batería de 68[Ah] bien cargada.
Características de la bomba a pistones Flojet:
La bomba Flojet es más indicada para trabajar con los 100 metros de manguera y la pendiente indicada. La bomba Flojet bombea entre 8 y 11[l/min] utilizando casi la misma potencia eléctrica de la Shurflo. La eficiencia es casi constante en un 35% por diferentes alturas de bombeo. La bomba Flojet está indicada para trabajar con una altura de bombeo de hasta 25[m].
0.00
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30.00
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Altura de bombeo [m]
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Potencia hidraulica[W hidr.]
Potencia Electrica [W el.]
Eficiencia [%]
Portada [l/min]
100m
¾“
10m 2"
ManantialBomba 12V / 7AQ= 6 l/minH= 50m
Filtro
JardinPileta
Tanque 140l Ducha
solar70l
BañoDuchaInodoroLavadero
CocinaLavadero
Poza2m3
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Potencia hidraulica[W hidr.]
Potencia Electrica [W el.]
Eficiencia [%]
Portada [l/min]
Fogón, quemado 2kg de leña prendido 17.45 apagado 19.15
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Bomba de ariete11/2" - 3/4"
caida entrada 2[m]
05
10152025303540
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Altura de bombeo [m]
Efic
ienc
ia [%
]
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2.00
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12.00
eficienciabombeo [%]Portada[l/min]
Características de la bomba de ariete:
La bomba de ariete nos permite bombear hasta 5[l/min] a una altura de 13[m]. La gran ventaja de una bomba de ariete es que no necesita el suministro de ningún tipo de energía. El aspecto negativo de este tipo de tecnología es la escasa cantidad de agua que se logra bombear. Hasta un 85% del agua se queda en la parte inferior y sirve a producir la energía cinética que alimenta la bomba y produce el golpe de ariete.
V. El Fogón mejorado
Hablando de una casa solar puede oírse un poco raro hablar de un fogón. Nuestra tarea en dibujar esta casa no fue solo de crear un lugar calido si no también de pensar en la armonía de la familia. Normalmente en el campo se cocina en K’onchas (cocinas rusticas de barro) que producen demasiado humos tóxicos y que ponen en segundo plan a la mujer encerrándola en la chosita que funciona como cocina. El fogón mejorado, dotado de tres hornillas, un sistema de chimenea y un recogedor de cenizas permite a la mujer cocinar en la casa misma, en directo contacto con los componentes de la familia, en posición recta y no agachada. En este tipo de fogón mejorado los humos tóxicos de escape no son negativos si no más bien ayudan a calentar la casa.
T1
T2T3
T4
T5
T6
T7T8Salida pared
To1
To2
To3
Durante un análisis térmico del fogón hemos podido recoger los siguientes datos:
Temperaturas agua y fogón
0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00
100.00110.00120.00
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T1T2T3To1To2To3
Temperaturas chimenea
0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00
100.00110.00120.00130.00
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T4T5T6T7T8
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Los ensayos se efectuaron durante dos horas y quemando 2[kg] de leña de construcción. Lo interesante es que hemos logrado hacer hervir 1[l] de agua en menos de 15 minutos y que un litro de agua ha hervido en una hornilla (To1) durante más de 11/2[h]. Hasta en la hornilla más alejada de la boca de fuego (To3) un litro de agua hirvió durante 40 minutos. Mientras en el grafico de la izquierda se ve que a las 19.00 las temperaturas del fogón mismo siguen aumentando (habían todavía brasas incandescentes) vemos que en la grafica de la derecha los humos de escape salen de la casa en unos 35[°C]. Esto demuestra que casi toda la energía calorífica que quemamos se utiliza para cocinar y para calentar la casa. Con un manejo adecuado de la leña el fogón podemos también cuidar a que los humos de escape no pasen de los 40[°C].
VI. El Sistema Fotovoltaico Domiciliario (SFD)
En nuestros días es casi común que la energía es la sangre de la economía y que la energía es una de las llaves para el desarrollo. Sin acceso a ningún tipo de energía es muy difícil lograr un desarrollo. En el campo nos encontramos con índices de desarrollo humano muy bajos y los logros educativos nos dejan en uno de los últimos lugares a nivel continental. Gracias a un Sistema Fotovoltaico Domiciliario (SFD) sencillo con un costo actualmente no superior a los 500.-USD podemos tener luz eléctrica gratuita durante muchos años. La luz eléctrica nos permite de prender diferentes tipos de artefactos como televisor b/n, DVD y radio que nos permiten informarnos para formar una conciencia ciudadana. Gracias a la luz eléctrica se puede mejorar el habito de lectura de los niños y de los adultos. Con un SFD no hay ningún peligro de producir incendios porque es muy fácil de manejar. En la casa solar hemos trabajado con dos baterías de 53[Ah], mientras una batería se carga, la segunda sirve a bombear agua y al día siguiente se alternan las baterías.
VII. La Ducha Solar
La falta de aseo o una forma de aseo inadecuado es la causante principal de muchas enfermedades en el ámbito rural de la sierra. Con agua cerca del punto de congelamiento proveniente de los manantiales o de los ríos seguramente es mejor cerrar un ojo sobre el aspecto de higiene corporal. A nuestro modo de ver un sistema sencillo de agua caliente debe ser parte integrante de una casa del siglo XXI. Con una inversión de 200.- Nuevos Soles hemos armado un tanque plano de plancha galvanizada de 0.635[mm] (1/40”) de espesor, un armazón de madera de 2” protegido con plástico semitransparente para producir el efecto invernadero y algunos tubos de Polietileno hemos logrado producir un artefacto que
nos abastece 70[litros] de agua a 34[°C] entre las 09.00 de la mañana y las 22.00 de la noche. La eficiencia energética, es decir el producto de la energía solar incidente en la ducha dividida por la energía transmitida al agua llega a un 58%.
PanelFotovoltaico
51Wp/12VDC36 celdas
+ - -+ -+Carga
Regulador de carga12VDC/10A
+ -
Lampara 1
+ -Lampara
2
+ -Lampara
3
+ -TV
+ -Convertidor
DC-DC
+ -
rojo
negro
Caja de conexiones5 salidas con fusibles
4x2.5A/1x2A1x 3/4.5/6/7.5/9VDC
Lampara 1
Lampara 2
Lampara 3
+-
Bateria53Ah/12VDC
3 Lamparas de luz blanca11W/7'000h de vida
Conexiones:
1. Bateria - Regulador2. Panel - Regulador (Cable Nro12)3. Caja de conexiones - Regulador4. Lamparas, Radio, TV b/n - Caja de conexiones
Desde el regulador, en la instalacion se utilizan cables Nro14.Las letras indican la polaridad positiva +
2
1
3
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XIII SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR, TACNA NOVIEMBRE 2006 8/8
VIII. Costos de la casa solar Hablando de una vivienda solar activa, adecuada al medio rural de la sierra peruana no podemos olvidar el aspecto económico de un tal proyecto. Como base nos hemos fijado de no pasar la suma de 2’300.-USD. Hemos logrado la meta construyendo una vivienda cómoda, con todos los tipos de confort para poder llevar adelante una vida digna también en uno de los lugares del mundo climáticamente más difíciles. Para ahorrar dinero hemos cargado bastante las espaldas del dueño de la casa las cuales horas de trabajo no están remuneradas. En total hemos trabajado 170 días, de los cuales, unos 30 días deben ser efectuados por una persona competente y formada como albañil. Teniendo en cuenta esta repartición de carga de trabajo hemos logrado una vivienda solar con un costo total de 2’255.-USD. El grafico siguiente muestra la repartición de los costos.
Gastos casa solarMateriales y trabajo
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
500.00
550.00
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De esta grafica se reconoce claramente como gasto lo más importante el techo. Las calaminas, los rollizos y las correas como también el trabajo del albañil contienen costos elevados. En segundo lugar la instalación eléctrica, es decir el SFD completo con cables interruptores etc. Para disminuir ulteriormente los costos del techo de calamina y así mejorar también el aislante térmico, podemos pensar en un techo de paja para recuperar también los conocimientos locales. No podemos pero olvidarnos que un techo de paja necesita su manutención anual y un cambio de la paja cada dos o tres años. D. Conclusiones y agradecimientos Gracias a este trabajo estamos convencidos, y las mediciones lo demuestran, que hemos logrado presentar una vivienda solar activa, adecuada al medio rural de la sierra peruana bajo diferentes aspectos. En una vivienda de este tipo con integradas las diferentes tecnologías renovables estamos seguro que una familia se puede desarrollar de manera sana y harmoniosa. Mirando a una inversión por de bajo de los 2’500.-USD podemos decir que se ha logrado una casa cómoda, acogedora, saludable que permite y fomenta la comunicación entre los diferentes miembros de una familia sin recurrir a una inversión demasiado elevada. Con este proyecto esperamos despertar la atención de diferentes instituciones que trabajan apoyando a las personas que más necesitan y que quieren salir adelante simplemnte con nuevas ideas y opciones para una mejor y digna vida. Agradezco a todo el equipo técnico del Taller Inti de Espinar como también a mi esposa y mi hija por la paciencia y el amor que me han regalado. Espinar, Cusco 05 de noviembre de 2006 Ing. Luciano Ré