UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA
XV SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR “DISEÑO DE UNA CASA ECOLOGICA PARA EL USO EFICIENTE DE ENERGÍAS RENOVABLES EN LA CIUDAD DE AYACUCHO”
AUTORES: Mg. JANAMPA QUISPE, Kléber Mg. CERÒN BALBOA, Octavio Ing. CORTEZ LEDESMA, Nicolás E. Bach. ORÉ GARCÍA, Julio
kleber_jq@yahoo.es ocb4567@hotmail.com nicortele@hotmail.com julioore@yahoo.com
Introducción
Las edificaciones en nuestra ciudad son construidas sin tener en cuenta diseños que optimicen el uso de la energía, diseños que se adecuen al clima y aprovechen el potencial energético en energías renovables de nuestra zona y menos aún toma en cuenta el impacto del cambio ambiental que genera.
En general, las edificaciones de viviendas no corresponden a construcciones bioclimáticas ni son sostenibles
Introducción
El desarrollo de los materiales ligeros (ladrillos con huecos, ventanas acristaladas) hace que las construcciones pesadas, sean sustituidas por construcciones ligeras; lo que disminuye considerable su inercia térmica. La envolvente de la vivienda así como sus elementos interiores, influyen sobre las diferencias entre el clima interior y exterior. Entre ambos se producen numerosos fenómenos de intercambio de flujos energéticos que definen el comportamiento térmico y ambiental de la vivienda.
Introducción
Morillón, D., sostiene que arquitectura bioclimática es “acción de proyectar o construir considerando la interacción de los elementos del ambiente energético como el clima, a fin de que sea el edificio mismo el que regule los intercambio de materia y energía” Gonzalo V. Ch. “La buena arquitectura siempre ha sido y debe ser bioclimática, y una arquitectura no bioclimática carece de calidad”
Objetivo Diseño y estudio energético de una casa ecológica de adobe de 60m2, concebida para ser construida aislada de la urbe y que relacione los conceptos de arquitectura bioclimática, solar activa, sostenible y automatizada.
Metodología
Criterios de Evaluación Bioclimática: – Parte del análisis del clima del lugar – Define las condiciones de confort térmico – El tipo de uso de la casa y su ubicación
Requerimiento energético y automatización de las componentes de suministro Morillón,D.
Evaluación Bioclimática
El diseño toma en cuenta un edificio que capte la energía solar, según la época del año, a fin de regularla de acuerdo a las necesidades de calefacción, ventilación, iluminación, etc. El aprovechamiento de la radiación que llega al edificio se basa en la optimización de la orientación; la definición de volúmenes y aberturas de los edificios; la selección de materiales apropiados, etc.
ORIENTACIÓN Y UBICACIÓN
La ciudad de Ayacucho se encuentra ubicada en un amplio valle en la Sierra Sur Central Andina del Perú a una altitud de 2761 m.s.n.m. aproximadamente. El clima de Ayacucho es templado y seco, con una temperatura media anual de 17,5º C. Se encuentra a una latitud sur de 13º 09´26” y longitud oeste de 74º 13´22”.
CONDICIONES CLIMATOLÓGICAS DE LA CIUDAD DE AYACUCHO Temperatura Temperatura en Ayacucho 30
25
T (oC)
20 Máxima 15
Mínima Media
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
Mes
Temperatura media anual de 17,5º C
14
Isoterma de temperaturas para la ciudad de Ayacucho
Movimiento aparente del sol
Radiaci贸n solar
Radiaci贸n Global sobre una superficie horizontal 4,8 kWh/m虏-d铆a UNSCH-CM
Velocidad de viento Velocidad media de viento en Ayacucho 8 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre
7
V(Km/h)
6 5 4 3 2
Octubre Noviembre Diciembre
1 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Horas
El viento casi todo el día tiene dirección N, NE y E. Las noches, sobre todo después de las 24h, son muy calmas. Entre las 12 y 20hr se presentan mayores variaciones de la velocidad del viento.
Humedad Humedad relativa en Ayacucho 120
HR(%)
100 80
Máxima Mínima Media
60 40 20 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12 13
Mes
Valor medio anual: 56%. La humedad relativa máxima es de 97% en enero y febrero (época de lluvias) mientras que la humedad mínima es de sólo un 22% en el mes de agosto
Horas de Sol Porcentaje de horas de sol por mes 100
HS(%)
80 60 40 20 0 0
2
4
6
8
10
Meses
ď Ź ď Ź
Puede brillar todo el aĂąo entre la 08 y 16 horas. El promedio de brillo solar anual es de 67%
12
CONDICIONES DE CONFORT TÉRMICO
Confort térmico: La sensación mental que expresa la satisfacción con el ambiente térmico. (ASHRAE,1971)
Método de Fanger - norma ISO 7730 – humedad (40-60%), – velocidad de viento interior menor a 0,1m/s, – Metabolismo M=1,2 met. – Ropa 1 clo (invierno) y 0,5 clo (verano) Define la temperatura operativa de 23ºC, variando según el arropamiento entre una temperatura óptima en torno a los 21,5ºC (invierno) y a 24,5ºC (verano).
CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO a)
b)
c)
Orientación: la facha principal hacia el Norte, las paredes de frente al norte dispondrán de mayor área que las paredes orientadas al este y oeste. Durante los meses de marzo a septiembre (otoño e invierno) la pared vertical de la fachada principal, recibe la mayor radiación solar (altura solar : 50 a 70º) Los meses de octubre a febrero (primavera y verano) la fachada posterior recibe también una importante pero menor radiación solar, la altura solar : 70 a 90º. Sombras: para proteger la casa, frente a las ganancias solares de verano, se dispone de aleros o persianas, diseñados de tal manera que permitan la captación de la radiación solar en invierno e impidan su acceso en verano. Aislamiento: dos paredes de adobe con espacio de aire entre ellas. Las ventanas son de carpintería de madera y están dotadas de doble cristal.
CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO d) Almacenamiento de calor: para aumentar la inercia térmica, se usará materiales de alta densidad. La capacidad de almacenamiento térmico se aumenta mediante un muro Trombe de cara al norte. e) Ventilación natural: el muro Trombe funciona con sistema de calefacción en invierno y como sistema de ventilación en verano, para la ventilación cruzada E-W y N-S se dispone de pequeñas ventadas en las paredes respectivas. f) Iluminación: en el día a través de las ventanas de mayor área en la pared principal y en el tejado superior. Durante la noche, mediante sistema fotovoltaico de iluminación. g) Agua caliente sanitaria: a través de paneles solares térmicos colocados en el tejado de la casa. h) Requerimiento energético: mediante sistemas fotovoltaicos, colectores solares térmicos y biomasa
CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO
CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS DE LA CASA Análisis térmico de los cerramientos Caracterización de los cerramientos y determinación de la transmitancia global de la vivienda (U)
Gradiente de temperatura en una pared
Propiedades tĂŠrmicas de los cerramientos
Propiedades tĂŠrmicas de los cerramientos
Pérdida de calor por unidad de área y por diferencia de temperatura de un grado centígrado a través de los cerramientos de la casa ecológica
Carga tĂŠrmica mensual
Temperatura para el cual la casa se encuentra en equilibrio con el medio exterior, para la carga térmica disponible mensualmente
Temperatura de equilibrio 30.0 25.0 Temperatura de equilibrio Temperatura máxima Temperatura mínima Temperatura media
T(oC)
20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0
2
4
6
8
Meses
10
12
14
Características térmicas
Coeficiente de transmisión de calor
U (W/m2 K)
Tejado y suelo
: 0, 604 y 0,511
Paredes exteriores
: 0,816
Ventanas y puerta
: 2,87 y 1,21
Muro trombe
: 1,83
Coeficiente global medio del edificio
: 7,84 W/m2 K
Coeficiente global de pérdidas
: 158,09 W/K
Tasa de infiltración
: 0,5 a 0,9
Superficie del muro trombe
: 4 m2
Consumo de energía eléctrica de la Casa Ecológica IIuminación: Ambiente
Número de puntos
Potencia teórica (W)
Tiempo
Dormitorio
2
15
4
120
Baño
1
20
1
20
Cocina
1
20
4
80
Sala comedor
2
20
5
200
Sala de estudio
2
20
3
120
Almacén
1
15
3
45
Exterior
2
15
5
150
(h)
TOTAL:
Consumo (Wh)
735
Electrodomésticos: Artefacto
Puntos
Potencia (W)
Tiempo (h)
Consumo (Wh)
Computadora
1
75
4
300
Impresora
1
30
1/3
10
TV colores
1
60
3
180
Equipo de sonido
1
20
4
80
Plancha
1
750
1/3
250
Frigorífico
1
6,7
24
160
Licuadora
1
30
1/6
5
Módulo portátil de sensoriamiento
1
5
24
120
Inversor CC/CA
2
100
4
800
Dimensionamiento Fotovoltaico Consideraciones:
mínima radiación solar (enero)
5 días de autonomía
electrodomésticos de alta eficiencia.
autosostenible eléctricamente a 2,64 KWh/día
Se requiere:
14 paneles de 50W
6 baterías solares de 100Ah (80%)
2 inversores de 1000W (90% de eficiencia)
Eficiencia global del sistema de 67,8%.
Dimensionamiento Solar térmico
Calentamiento de agua: dos paneles de 1,20m x 1,69m los cuales proporcionan 250 l de agua caliente a 40`C por día. Cocción de los alimentos: cocinas solares tipo caja de dimensiones: 50 x 50 x 25 cm, área de apertura de 0,53 m2 y área de la cocina 0,25 m2. Alternativamente: una cocina tipo parábola de acero galvanizado y aluminio con un diámetro de 1,5 m.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN AEROGENERADOR -Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) que actúa sobre las palas del rotor. -La potencia extraíble del viento por unidad de área viene dada por la ecuación: Potencia del viento para Huamanga
P = 7, 35W / m 2 A
ρ
P = k. A
.v 3
k=16/27 :Coeficiente de pérdidas v=2,16m/s: velocidad de viento promedio anual ρ = 1,23kg/m3:Densidad del aire en Huamanga
Velocidad mínima de arranque de los aerogneradores 3 a 4 m/s NO RECOMENDABLE COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA DE ELECTRICIDAD EN HUAMANGA
BIODIGESTOR UNA ALTENATIVA ENERGÉTICA DE COCCIÓN 1.Válvula de salida de biogás 2.Almacenamiento de biogás
5,8m
3
3. Nivel del agua con materia orgánica
10m
ANIMAL
ESTIÉRCOL (kg)
BIOGAS lit/kg
Cerdo
2,25
78
Gallina
0,18
62
La obtención de biogás está en relación al tipo de biomasa biomasa de aves de corral y cerdos. Biodigestor de estructura flexible anaeróbico de polietileno de 5.8 m3 con dos quemadores Permite cocinar por lo menos 6 horas diarias cocción de alimentos durante el día.
PANEL DE DISTRIBCIÓN Y PROTECCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
INSTRUMENTACIÓN: MÓDULO DE ADQUISICIÓN DE DATOS
BIBLIOGRAFIA GALLOWAY, T. La Casa Solar: Guía de Diseño, Construcción y Mantenimiento. Nº Edición:1ª Año de edición: 2006. Plaza edición: MADRID CELIS D'AMICO, F. Arquitectura bioclimática, conceptos básicos y panorama actual. Seminario de Arquitectura Integrada en su Medio Ambiente (SAIMA) de la Universidad Politécnica de Madrid. 2000. BAÑO, A.
La construcción sostenible: criterios para una actuación arquitectónica acorde con el medio ambiente. Dpto. de Arquitectura de la Universidad de Alcalá de Henares de Madrid
AMBROSETTI, P. Radiación Solar en Ayacucho. UNSCH – 1978 APES (Asociación Peruana de Energía Solar). Memorias de los Simposios Peruanos de Energía Solar. 2001 al 2005 ESPINOZA, R.
Energía Solar. Centro de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniería. Lima 2005
BIBLIOGRAFIA
HORN, M..
Energía Solar. Centro de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniería. Lima 2005
AALFS, M..
Solar Cookers Internacional. SCI Board Menber.
ZANABRIA, P.
Radiación Solar en el Cusco. Universidad Nacional San Antonio Abad del Cusco. 2004
JANAMPA, K.
Caracterización térmica de dos cocinas solares (tipo Nandwani) de diferente altura interior . Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga
MORILLON, D.
Comportamiento Bioclimático en la Arquitectura. Instituto de Energía – UNAM 2003
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