Medio Ambiente y SustentabilidadEnergía | Fisica del Calor

Pablo Lamarca Ross - Patrick Spencer Grove2015 (1)

Introducción

Tabla de Contenidos1. Energía• Formas de energía

• Local Vs Generación de energía distante

• Consumo de energía mundial

• Energía, economía, CO2 y cambio climático

• Energía en edificios

Fuente: http://definicion.de/medio-ambiente/

2. Fisica del calor• Reglas de termodinámica

• Tipos de calor: Calor Sensible, Calor Latente

• Calor , contenido de la materia y la temperatura

• Principios bioclimáticos y estrategias

Nuestra fuente de calor

o El sol se constituye como nuestra unica fuente de energía

o Es una esfera compuesta por gases, hidrogeno y Helio

o El nucleo es reactor de fusion nuclear, en donde el hidrogenose combina para formar helio

o El nucleo (core) tiene una Tº de 20,000,000 K mientras quela superficie alcanza los 6,000 K

o La energia se transfiere por radiacion y conveccion y luegose irradia hacia fuera desde la superficie en la forma de

ondas cortas del espectro electromagnetico.

Energía y Física del calor

Fuente: http://definicion.de/medio-ambiente/

o Energía Solar

Transferida a la tierra por radiación electromagnética (0.4 – 0.7μm)

Fuente: Skinner, Botkin and Potter 1999 pp.43-55

Nuestra fuente de calorEnergía y Física del calor

Energía y Física del calor Fuentes y formas de energía

Fuente: Diego ArroyoBibliography: http://www.shutterstock.com/; http://mit.uvt.rnu.tn/OcwWeb/Chemical-Engineering/10-391JJanuary--IAP--2007-Spring-2007/CourseHome/index.htm

Conversion de la energía

Fuente: Diego ArroyoBibliography: Lechner, N. 2009, Heating, Cooling, Lighting, Third Edition, Wiley, New Jersey.

Petroleo Calor Vapor Mecánica Energia Trans.ENERGIAELECTRICA 30 %

Energía y Física del calor

Situación Actual

Fuente: Diego ArroyoBibliography: Lechner, N. 2009, Heating, Cooling, Lighting, Third Edition, Wiley, New Jersey.

Petroleo Calor Vapor Mecánica Energía

Electricidad 32%

Calor 48 %

Energía Utilizable

Energía y Física del calor Conversion de la energía

Energía y Física del calor Energía Renovable / No renovable

Fuente: Diego ArroyoBibliography: source: http://www.energyblueprint.info

Energía y Física del calor Tipos de generación de energía

Fuente: Bokor 2009 www.personal.psu.edu/mlb5137/Cogeneration.ppt; : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Trigeneration_Cycle.jpg

Cogeneración de energía Trigeneración de energía

o Cogeneración simultanea de electridad y energia ( calor real )

o Para que haya eficiencia en la producción se debe encontrar un uso para el calor desechable

o Trigeneración de energía (combina frio, calor y energía) se refiere a la generación simultanea de electricidad y destinar a buen uso el calor y el frio que se generan de la combustion de una materia prima o de un colector solar de calor

Situación Actual

Source: Hegger et al. 2008 p.12

Energía y Física del calor La escalera de la prosperidad

o El consumo de energia parace producir riqueza hasta cierto punto, pero luego esta se estabilizaPor que?

o Las economias desarrolladas utilizan mucha energia de otras potencias en distintas partes del mundo(Ej. USA via China)

o Los países con mayor numero de población ( China , India ) estan rapidamente subiendo la escalera.

Energía y Física del calor Efecto Invernadero

o Fenomeno por el cual determinados gases que componen la atmosfera retienen parte de la energia que tierra emite luego de haber sido calentada por el sol ( Radiacion solar)

o Sin efecto invernadero no habria vida en la tierra ya que la tº de esta seria -18º C

o Hoy este efecto se acentua por la produccion de gases que producen los humanos. C02 - Metano

Fuente : http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero

Energía y Física del calor Energía y Cambio Climatico

Fuente: CIBSE TM36: 2005“climate change and the indoor environment”

Escenario para gases de Efecto Invernadero Modelación de Climas

Energía y Física del calor Protocolo de Kyoto y más…

o El Reporte Stern (2006) : Se establece que en el caso de la economía, el no realizar nada por el cambio climático cuesta mas que hacer algo para el manejar los riesgos

o Protocolo de Kioto (2008 hasta 2012) Se realiza un tratado internacional que busca limitar la producción de gases de invernadero a niveles que no sean peligrosos y que no interfieran con el clima a nivel global

o Panel Intergubernamental acerca del Cambio Climático. (PISCC) Identifica dos respuestas estratégicas : Mitigación y Adaptación

o Mitigación: Estabilización de los gases invernaderos y de la concentración atmosférica

o Adaptación: Aprender como lidiar con el cambio climático al cual ellos se han propuesto adherirse

Energía y Física del calor Construcción en el mundo de acuerdo a PISCC

El primer escenario muestra gran emisión de gases invernadero y se nota una especial concentración en los países no desarrollados en este orden: Asia emergente, Medio Oriente, África del Norte, Latino América

30 % de la

producción de los gases invernaderos se producen por la construcción y luego el desarrollo de los edificios

ESC. 01

ESC. 02

Energía y Física del calor Leyes de la termodinámica

Rama de la física quehace foco en el estudiode los vínculosexistentes entre elcalor y las demásvariedades de energía.Analiza por lo tanto, losefectos que poseen anivel macroscópico lasmodificaciones de Tº ,presión, densidad,masa y volumen encada sistema

Fuente http://definicion.de/termodinamica/

Energía y Física del calor Leyes de la termodinámica

1ra Ley de Termodinámica- Principio de conservación de la energía- Energía ( Incluido el calor) no puede ser creado o destruido. - La energía solo puede transformarse

2da Ley de Termodinámica-La energía ( o su trabajo ) cambia de niveles altos a niveles bajos (ej: corrientes de aire caliente fluyen de zonas mas templadas a zonas mas frías)

Fuente: Diego ArroyoBibliography: http://www.shutterstock.com/; http://mit.uvt.rnu.tn/OcwWeb/Chemical-Engineering/10-391JJanuary--IAP--2007-Spring-2007/CourseHome/index.htm

Energía y Física del calor Termodinámica / Definiciones

CALORo Forma de energía o Puede ser medidao Unidades de medición:

Calorías. Definida como la cantidad de calor requerida para subir la temperatura de un kilogramo de agua en un grado centígrado.

o Dos tipos: Sensible ( que puede ser percibida) asociada al cambio de Tº en una substancia. Latente ( que no puede ser percibida), energía utilizada en el cambio de fase. La

temperatura total no se altera.

Fuente: Diego ArroyoBibliography: http://www.shutterstock.com/; http://mit.uvt.rnu.tn/OcwWeb/Chemical-Engineering/10-391JJanuary--IAP--2007-Spring-2007/CourseHome/index.htm

Energía y Física del calor Termodinámica /Fisica

Fuente:modified from Lutgens &Tarbuck 1992 p.69

Calor latente presente en las fases de H20

Energía y Física del calor Termodinámica /Definición

Temperatura

o Puede ser considerada como la presencia de calor en una substancia

o El calor se transfiere de un cuerpo a otro cuando estos se encuentran a diferentes Tº

o El calor se transfiere ( 2da ley de termodinámica) de 4 posibles maneras:

Conducción Latente ( evaporación + condensación) Conexión Radiación

Fuente: http://www.houleinsulation.com/images/appleagte_facts_1_large.jpg

Energía y Física del calor Termodinámica /Transferencia de calor

Conducción Conexión Radiación • Transmisión directa del calor a

través de un material o entre dos materiales en contacto directo.

• Vibración molecular, la intensidad aumenta con la temperatura.

• El aire es un muy buen conductor

• Transmisión del calor a través de fluidos o gases como resultado de la circulación

• El calor expande los fluidos ( líquidos y gases).

• La expansión hace disminuir la densidad.

• Los fluidos menos densos flotan hacia fuera y son reemplazados por fluidos fríos mas densos…. Y así el ciclo continua

• Proceso de conversión del calor de una substancia radiación electromagnética y la subsecuente reconversión de esta energía radiante a calor por medio de la absorción por medio de otra substancia en el camino ( Pol, pág. 53)

• Energía electromagnética emitida como ondas por cualquier material que supere los -273º C; Transferencia a velocidad de la luz

• No requiere de ningún medio para la transferencia ( puede pasar en el vacío)

En función de:

Conducción térmicaÁrea (superficies en contacto)EspesorDiferencia de temperaturas(Ejemplos de buenos y malos

conductores)

En función de:Coeficiente de convección de un mat.Posición de la superficieDirección de la masa de calorVelocidad del liquidoDiferencia de temperatura

Fuente: Pohl, J., 2011, Building Science : Concepts and Application / Wiley-Blackwell,Cal Poly, California.

Energía y Física del calor Termodinámica /Radiación

Temperatura Surface Material Emissivity ε

Aluminum Commercial sheet 0.09

Aluminum Heavily Oxidized 0.2 - 0.31

Asphalt 0.93

Brass Polished 0.03

Brick, red rough 0.93

Chromium polished 0.08 - 0.36

Concrete, rough 0.94

Glass smooth 0.92 - 0.94

Iron polished 0.14 - 0.38

Iron, plate rusted red 0.61

Stainless Steel, weathered 0.85

Stainless Steel, polished 0.075

Wood oak 0.91

Wrought Iron 0.94

Fuente: modified from Sturman & Tapper 2006 p.30

o Cuerpo Negro ε = 1

ε1 > ε2 > ε3 > ε4

Energía y Física del calor Termodinámica /Radiación Directa y Difusa

Como la radiación solar llega desde la atmosfera a Superficie terrestre?

Directa : Rayos del sol Difusa : ( Cielo ) Radiación solar es Reflejada y esparcida por moléculas y partículas atmosféricas.

o surface type albedo αdesert

0.2~0.45grass (long) 0.16grass (short) 0.26soils (dark-wet) 0.05soils (light-dry) 0.40water (high sun) 0.03~0.10water (low sun) 0.10~1.0snow (fresh) 0.95

Energía y Física del calor Diseño Bioclimatico / Estrategías

Fuente : Diego Arroyo

Energía y Física del calor

Casa tradicional Queensland uso de veranda, circa 1912

Diseño Bioclimatico / Estrategías para enfriar

San Francisco Federal Building/ Architects: Morphosis

VENTILACIÓN NATURAL

Fuente: http://pingmag.jphttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:StateLibQld_1_14094_Large_Queenslander_home_in_Emerald_with_a_family_gathered_on_the_verandah,_ca._1912.jpg

Energía y Física del calor

MASA TÉRMICA + VENTILACIÓN

NOCTURNA

fuente: Diego Arroyo; http://www.thelongestwayhome.com/blog/iran/getting-to-know-yazd-and-my-travel-partner/; http://habitbydesign.blogspot.com.au/2008/07/its-been-hot.htmlRichard Hyde, Steve Watson, Wendy Cheshire, Mark Thomson, 2007, The Environmental Brief: Pathways for Green Design, Taylor and Francis.

Torres de viento , Iran

Diseño Bioclimatico / Estrategías para enfriar

Energía y Física del calor Diseño Bioclimatico / Estrategías para enfriar

Consorcio Nacional de Seguros, Santiago Chile/ Arquitectos: Browne, Huidobro

Source: http://greenpassivesolar.com/wp-content/uploads/2012/02/Evaporative-Cooling.pdf; www.plataformaarquitectura.cl

INTERNAL GAINS

Energía y Física del calor Diseño Bioclimatico / Estrategías para calentar

GANANCIAS INTERNAS

Fuente: C. Candido

Energía y Física del calor Diseño Bioclimatico / Estrategías para calentar

BedZed, Londres/ Arquitecto: Bill Dunster

Instituto Rocky Mountains / Amory B. Lovins

GANANCIAS DE CALOR PASIVA

Source: http://www.passivehouse.us/passiveHouse/PassiveHouseInfo.html; http://inhabitat.com/bedzed-beddington-zero-energy-development-london/