ANÁLISIS TERMICO EXPERIMENTAL DE UNA CHIMENEA SOLAR ... · ANÁLISIS TERMICO EXPERIMENTAL DE UNA...

ANÁLISIS TERMICO EXPERIMENTAL DE UNA

CHIMENEA SOLAR ADOSADA A UNA HABITACIÓN

Hugo Francisco Baez Lobato.

Posgrado en Diseño

División de Ciencias y Artes para el Diseño,

e.mail [email protected]

Manuel Gordon Sánchez

Departamento de Energía

División de Ciencias Básicas e Ingeniería

Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco

Av. San Pablo 180. Colonia Reynosa Tamaulipas.

CP 02200, México, D.F.

Tel. 53 18 90 00

e-mail: [email protected]

mailto:[email protected]

ANÁLISIS TÉRMICO EXPERIMENTAL

DE UNA CHIMENEA SOLAR ADOSADA A

UNA HABITACIÓN SPrimera edición digital

Julio, 2011

Lima - Perú

© Hugo Francisco Baez Lobato

Manuel Domingo Gordón Sánchez

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0189

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

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Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• El pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

ANÁLISIS TERMICO EXPERIMENTAL DE UNA CHIMENEA SOLAR ADOSADA A UNA HABITACIÓN.

Hugo Francisco Baez Lobato. Posgrado en Diseño División de Ciencias y Artes para el Diseño, Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco. Calle San Pablo No.180, Azcapotzalco, México D.F. e.mail [email protected] Manuel Domingo Gordon Sánchez Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco. División de Ciencias Básicas e Ingeniería. Departamento Energía. Laboratorio de Investigaciones en energía solar. San Pablo 180. Colonia Reynosa Tamaulipas. 02200, México, D.F. Tel. 5318-9000 e-mail: [email protected] Resumen. En este trabajo de tesis se presenta el estudio térmico experimental de una chimenea solar como sistema de ventilación adosada a un espacio, como elemento de extracción de aire para llevar al confort térmico el espacio a ventilar y así evitar el uso de dispositivos de consumo eléctrico. La chimenea solar tiene una superficie de absorción una placa negra de acero, cuyo espesor es de 0.002 m, tiene una altura de 4.8 m y un largo de 1.22 m. El espacio a ventilar tiene una superficie de 2.97 m2, los materiales utilizados en este modelo son placas de yeso y terminados con impermeabilizante. En la chimenea solar se colocaron termopares tipo j para obtener datos de temperatura, estos datos están presentados en forma grafica para observar el comportamiento térmico de la chimenea y así poder realizar la comparación térmica entre la chimenea solar y el espacio a ventilar. Las mediciones de temperaturas se obtuvieron por medio de un software llamado Lab View, este software nos dio la información cada 10 minutos, dándonos la posibilidad de obtener todas las mediciones a lo largo de la chimenea solar en un mismo tiempo. Las consideraciones principales que se hicieron fueron: obtener las temperaturas en la chimenea solar, así como en el espacio a ventilar, para tener un comparativo térmico de bienestar para el ocupante y la velocidad de extracción del aire generado por la chimenea. Palabras Clave: confort térmico, chimenea solar, Lab View, ventilación. Introducción. Si bien la importancia de la ventilación ha sido abordada desde los tratadistas de la antigüedad como lo son Vitruvio y Palladio, la ventilación natural se ha visto relegada desde la aparición de los sistemas artificiales de climatización y ventilación mecánica. Sin embargo, en la actualidad el uso de la ventilación natural está volviendo a figurar con gran importancia en el ámbito arquitectónico, desde los géneros habitacionales, industriales, comerciales, hasta aquellos edificios de grandes alturas o rascacielos, incluyendo a los llamados edificios inteligentes. Retomar los conceptos lógicos y naturales de ventilar los espacios no es por casualidad o moda; por una parte, el hombre se ha dado cuenta de los grandes beneficios de ventilar naturalmente en términos de salud, bienestar y confort. Pero también por los grandes ahorros energéticos que se consiguen al evitar o reducir la ventilación mecánica y los sistemas artificiales de acondicionamiento del aire. Si bien es cierto que en las grandes urbes la calidad del aire es cuestionable para ser utilizado directamente, existen aún muchos lugares en donde la aplicación de la ventilación natural es posible, deseable y necesaria. Es de hecho una de las principales estrategias de climatización natural con las que cuenta la arquitectura bioclimática. El confort humano se alcanza cuando se obtienen valores aceptables de ciertas variables para el aire como son la temperatura, la humedad relativa, el movimiento del aire y cierta calidad del mismo, en la zona ocupada. El rango de estas variables dependerá principalmente de la actividad de los ocupantes estén desarrollando y en gran medida de la época del año. Un rango aceptable recomendado de las temperaturas operativas de confort durante el invierno y durante el verano son de 20 °C a 24 °C, y de 23 °C a 27 °C respectivamente (ASHRAE 55-1981). Los valores aceptables para las velocidades promedios máximas del aire en el interior de la zona ocupada son de 1.2 m/s en el invierno y 1.5 m/s en verano. A su vez, la historia de la humanidad muestra que desde hace mucho tiempo el hombre, sin el conocimiento previo de los estándares actuales, ha buscado estas condiciones favorables de confort a través de medios naturales, prueba de ello son algunas arquitecturas antiguas que utilizaron estrategias naturales como es la ventilación. El uso de sistemas pasivos para ventilar naturalmente una vivienda o edificación es una técnica antigua, quizás no del todo perfeccionada, y ha retomado importancia durante las tres últimas décadas. Un sistema pasivo puede definirse como un dispositivo como un dispositivo simple en construcción y en funcionamiento, y que puede formar parte de la misma estructura de la construcción. Indiscutiblemente, las edificaciones ventiladas naturalmente utilizan menor energía eléctrica que las ventiladas mecánicamente, razón por la cual estos sistemas han tomado gran importancia durante los últimos años.

Dentro de los sistemas pasivos de ventilación podemos mencionar las torres de viento, las paredes tromba, las fachadas dobles y las chimeneas solare, cada uno de estos sistemas son capaces de inducir el aire a través del recinto haciendo uso de fuentes de energía natural como el viento y/o la energía solar. Su estudio ha tomado gran interés entre la comunidad científica durante las últimas décadas. Una chimenea solar se puede definir como una cavidad ventilada alargada, generalmente ubicada en la parte mas soleada de una edificación. El aire en el interior de la chimenea se calienta por la radiación solar, dando lugar a un incremento de las fuerzas de flotación, las cuales a su vez inducen el aire hacia la parte superior y posteriormente hacia el exterior de la chimenea solar. La extracción del aire en una edificación por la chimenea, origina que aire desde el exterior pase a ocupar el espacio desalojado al interior del recinto, a través de aberturas tales como puertas y ventanas, y de esa forma proporciona ventilación a la edificación. Actualmente, la ventilación en las edificaciones sigue siendo un factor muy importante que debe tomarse en cuenta al momento de diseñar cualquier edificación o vivienda, y las chimeneas solares son sistemas pasivos que pueden utilizarse como una alternativa para disminuir el consumo de energía de dichas edificaciones. Para ello es necesario el estudio a detalle de este tipo de sistemas para conocer más a fondo los beneficios que puede proporcionar para el confort térmico dentro de la vivienda y asi poder diseñar adecuadamente sistemas de ventilación natural aplicado a viviendas y edificaciones. Análisis Climático. Con la finalidad de tener en cuenta las características del clima de la Ciudad de México, zona en donde se colocó la chimenea solar, se realizo un estudio de análisis climático completo, para determinar así cuales son los meses que necesitan ventilación.

Tabla1. Temperaturas Horarias La tabla 1 muestra en color azul las horas de calentamiento y el color amarillo las horas de ventilación o enfriamiento a lo largo de todo el año, estas horas se presentan en los meses de marzo, abril y mayo, meses en la que puede aplicarse un sistema de ventilación pasiva, que en este caso es una chimenea solar adosada a un espacio o habitación para lograr el confort en esta época del año en este caso de estudio ubicado en la ciudad de México. Como lo muestra la gráfica 1 las temperaturas máximas se puede decir que las tardes de todo el año son confortables a excepción de los meses de marzo, abril y mayo, cuando las temperaturas sobrepasan las zonas de confort. La temperatura máxima más elevada se presenta en el mes de abril con 27,7º, siendo el límite de confort para este mes de 25.7 º C, es decir que la temperatura llega a sobrepasar la zona de confort por dos grados centígrados. En la gráfica 2 de días grado, podemos determinar cuando son necesarios los requerimientos de calentamiento y enfriamiento a lo largo del año. Descuerdo a los días grado, la mayor parte del año se tienen requerimientos de calentamiento con excepción en los meses de abril y mayo donde no hay requerimientos de calentamiento, por el contrario, se necesita enfriamiento. La zona de confort para la ciudad de México se encuentra entre los 20.5 °C y 25.5 °C, por lo que se puede observar que los meses de Marzo a Mayo es necesario enfriar para llegar al confort térmico, misma que se cálculo con las siguientes ecuaciones:

( )medn TT *31.06.17 +=

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

11.0 9.8 8.8 8.0 7.6 7.4 7.8 9.1 11.0 13.4 15.9 18.2 20.1 21.3 21.7 21.5 21.1 20.4 19.4 18.2 16.9 15.4 13.9 12.4

12.2 10.9 9.9 9.1 8.7 8.5 8.9 10.2 12.2 14.5 17.1 19.6 21.6 22.9 23.4 23.2 22.7 22.0 20.9 19.6 18.2 16.6 15.0 13.6

14.3 13.0 11.9 11.1 10.6 10.4 10.9 12.2 14.3 16.8 19.5 21.9 23.9 25.2 25.7 25.5 25.1 24.3 23.2 21.9 20.5 19.0 17.4 15.8

16.0 14.7 13.7 12.9 12.5 12.3 12.7 14.0 16.0 18.4 20.9 23.2 25.1 26.4 26.8 26.6 26.2 25.4 24.4 23.2 21.9 20.4 18.9 17.4

16.6 15.5 14.5 13.8 13.3 13.2 13.6 14.8 16.6 18.8 21.2 23.4 25.2 26.4 26.8 26.7 26.2 25.5 24.6 23.4 22.1 20.7 19.3 17.9

16.5 15.5 14.6 14.0 13.6 13.5 13.9 14.9 16.4 18.4 20.4 22.3 23.9 24.9 25.3 25.2 24.8 24.2 23.3 22.4 21.2 20.0 18.8 17.6

15.4 14.4 13.6 13.0 12.6 12.5 12.8 13.9 15.4 17.3 19.2 21.0 22.5 23.5 23.8 23.7 23.3 22.7 22.0 21.0 20.0 18.9 17.7 16.5

15.5 14.6 13.8 13.2 12.8 12.7 13.0 14.0 15.5 17.3 19.3 21.1 22.6 23.6 23.9 23.8 23.4 22.8 22.0 21.1 20.0 18.9 17.7 16.6

15.4 14.5 13.7 13.2 12.8 12.7 13.0 13.9 15.3 17.1 18.9 20.6 22.1 23.0 23.3 23.2 22.8 22.3 21.5 20.7 19.6 18.6 17.4 16.4

14.2 13.2 12.3 11.7 11.3 11.2 11.6 12.6 14.2 16.1 18.2 20.0 21.6 22.6 22.9 22.8 22.4 21.8 21.0 20.0 19.0 17.8 16.6 15.3

13.0 11.9 11.0 10.3 9.8 9.7 10.1 11.2 13.0 15.2 17.4 19.6 21.4 22.5 22.9 22.8 22.3 21.6 20.7 19.6 18.3 17.0 15.6 14.3

11.6 10.4 9.4 8.7 8.3 8.1 8.5 9.7 11.5 13.8 16.2 18.4 20.3 21.5 21.9 21.7 21.3 20.6 19.6 18.5 17.1 15.7 14.3 12.9

14.3 13.2 12.3 11.6 11.2 11.0 11.4 12.5 14.3 16.4 18.7 20.8 22.5 23.6 24.0 23.9 23.5 22.8 21.9 20.8 19.6 18.2 16.9 15.5

ortZonadeconfZc =

Donde:

ortZonadeconfZ

anualmediaaTemperaturT

aneutraTemperaturT

c

med

n

==

=

Gráfica 1. Comportamiento térmico de la Ciudad de México. Gráfica 2. Días grado en la Ciudad de México. Construcción de modelo. Este modelo (figura 1) se realizo a escala real con la finalidad de obtener el comportamiento térmico dentro del espacio generado por la ventilación ocasionada debido a la succión de aire que genera la chimenea solar. Este espacio fue construido con paneles de yeso prefabricados aislados con fibra de vidrio entre ellos y cubiertos con una capa de impermeabilizante blanco en su exterior.

Figura 1. Espacio a ventilar con chimenea solar

Este espacio fue instrumentado en su interior con termopares tipo K para obtener los datos de las temperaturas y así poder realizar el análisis del comportamiento térmico generado por la chimenea solar. Los termopares fueron colocados en tres mallas (figura 2) o niveles para obtener a diferentes alturas el comportamiento térmico y así poder obtener una relación de temperaturas a lo largo, ancho y alto del espacio a ventilar, teniendo en cuenta que la distribución de las mayas comienza del piso a techo. Pudiendo generar con esta información un confort térmico para el ocupante adecuado. La forma en que fueron adquiridos estos datos fue por medio de un software llamado Lab View, el cual nos permite obtener los datos en tiempo real y en las condiciones en las que se encuentra el termopar, ya que este le manda la información a un modulo receptor el cual a su vez convierte la señal en lenguaje que la computadora puede almacenar en una base de datos. La forma en que se realizo el acomodo de los termopares en el interior del espacio fue como lo muestra la figura 5. Este acomodo permite obtener información del comportamiento térmico dentro del espacio al que estarían sometidos los ocupantes.

Figura 2. Acomodo de termopares. Con la construcción del modelo y el acomodo de los termopares se realizaron las pruebas térmicas al espacio. Estas pruebas fueron realizadas en dos etapas, en la primera etapa las condiciones de trabajo fueron: que la chimenea solar no estuviera en funcionamiento, esto es que las salidas de aire del espacio estuvieran cerradas para observar el comportamiento térmico que se genera en el espacio en condiciones normales. Las condiciones de trabajo de la segunda etapa fueron: que la chimenea solar entrara en funcionamiento desde las 06:00 a las 18:00 horas, con la finalidad de que el espacio tuviera extracción de aire por medio de la chimenea solar para así generar movimiento de aire en el interior del espacio y lograr que este tuviera niveles de confort aceptable para los ocupantes. Esta prueba tuvo la finalidad de observar las condiciones térmicas que se generan en el interior del espacio por medio de la chimenea solar. Los datos obtenidos en la primer etapa los podemos observar en la gráfica 3, estos datos son generados a partir de la base de datos generada por el software de adquisición (Lab View). Los datos obtenidos en la grafica 3 corresponden a la malla 1 que se encuentra a 0.3m del nivel del piso, teniendo en cuenta que esta evaluación se realizo sin la chimenea solar, por lo que se puede observar que el comportamiento térmico interno del espacio no esta en condiciones favorables, ya que a partir de las 09:30 a.m y hasta las 11:30 a.m el interior del espacio se

P1

P3

P2

L1 L4

Malla 1

Malla 3

encuentra en confort térmico, pues este esta limitado por el limite de confort térmico superior (LCTS) y el limite de confort térmico inferior (LCTI), a diferencia de este lapso se requiere ventilación después de las 11:30 para lograr el confort.

Grafica 3. Grafica 4. La gráfica 4 muestra el comportamiento térmico con la chimenea solar, que es la segunda etapa de la evaluación. Con la aplicación de la chimenea solar en el espacio, el comportamiento térmico de este es favorable, ya que el comportamiento térmico del espacio esta entre el LCTI y LCTS. Estos resultados hablan de lo favorable que es la chimenea solar para lograr el confort térmico de este espacio, ya que a partir de las 09:30 a.m se logra el confort y se logra permanecer en este a lo largo del día, condición aceptable para los ocupantes de este espacio. Para la malla dos se obtuvieron los siguientes resultados como lo muestra la gráfica 5, esta malla se encuentra localizada a 1.6 m del nivel del piso. Los datos obtenidos en la gráfica 5 están por arriba del LCTS, lo que indica que en estas condiciones es necesaria la extracción del aire para lograr el confort térmico interno del espacio analizado. A diferencia de la malla uno se alcanza temperaturas más elevadas. La gráfica 6 muestra el comportamiento térmico con la chimenea solar de la malla dos, teniendo en cuenta que esta malla esta en una posición critica, ya que se encuentra a la altura en la que el ocupante puede percibir mas la temperatura dentro de un espacio.

Gráfica 5. Gráfica 6 Se puede observar en la gráfica 6 la chimenea solar tiene la capacidad de bajar la temperatura en el interior del espacio ya que el comportamiento térmico en el interior de este esta entre el LCTI y el LCTS, teniendo en cuenta que en esta malla la temperatura en condiciones en que no se encuentra operando la chimenea solar es mas elevada que en la maya uno. Para la malla tres los datos obtenidos se pueden observar en la gráfica 7. Esta malla se encuentra a 2.10 m del nivel del piso, además que se encuentra próxima al techo del espacio. Para los datos registrados del comportamiento térmico del interior del espacio con la chimenea solar, se pueden observar en la gráfica 8. Las temperaturas en esta malla al igual que en las mallas anteriores se encuentran dentro de la zona de confort, lo que indica que la chimenea solar es adecuada para el espacio, ya que genera la succión de aire necesaria para ventilar el espacio y como consecuencia el refrescamiento necesario dentro del espacio para que los ocupantes se encuentren en confort térmico.

Comportamiento Térmico Diurno con chimenea solar

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Gráfica 7 Gráfica 8 Además de las mediciones de temperatura del interior del espacio, la gráfica 9 muestra las velocidades de succión en las salidas del espacio que comunican a este con la chimenea solar, con la finalidad de tomar en cuenta la cantidad de aire que se esta evacuando hacia el exterior para conocer la tasa de ventilación que la chimenea solar esta generando al espacio.

Gráfica 9 Para la tasa de ventilación se toma en cuenta el área de ventila, por donde es extraído el aire del espacio interior hacia el exterior en este caso son las salidas del espacio hacia la chimenea solar.

VAQ **025.0=

donde:

extraccióndevelocidadV

nventilaciódeáreaA

nventilaciódetasaQ

===

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6:48

11:2

6:48

12:0

6:48

12:4

6:48

01:2

6:48

02:0

6:48

02:4

6:48

03:2

6:48

04:0

6:48

04:4

6:48

05:2

6:48

Hora

°C

AMBIENTE MAYA3,L1,P2 MAYA3,L2,P2 MAYA3,L3,P2 LCTI LCTS

Velocidades de extracción de aire

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

11:07:14a.m.

12:07:14p.m.

01:07:14p.m.

02:07:14p.m.

03:07:14p.m.

04:07:14p.m.

05:07:14p.m.

06:07:14p.m.

HORA

m

/ss

Salida inferior Salida superior Salida chimenea

Tasa de ventilación

00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01

11:07:14

a.m

.

12:07:14

p.m

.

01:07:14

p.m

.

02:07:14

p.m

.

03:07:14

p.m

.

04:07:14

p.m

.

05:07:14

p.m

.

06:07:14

p.m

.

Hora

m3 /s

Salida inferior Salida superior

En la gráfica 10 se puede observar las tasas de ventilación que se generan con la chimenea solar, debido a la extracción de aire del interior del espacio hacia el exterior por el tiro de la chimenea. Los datos obtenidos en la chimenea solar son los que presentan la grafica 11, que nos presenta el comportamiento térmico del dispositivo a lo largo del día. Esta gráfica es muestra de que el comportamiento térmico de la chimenea solar va relacionado con el comportamiento térmico del interior del espacio a ventilar, ya que a mayor temperatura en la chimenea solar el efecto de extracción de aire en el espacio a ventilar es mayor.

Conclusiones En el análisis térmico del espacio se puede observar que la chimenea solar puede ser un dispositivo de ventilación natural adecuado ya que nos brinda el poder llevar al confort térmico un espacio. Este dispositivo solar se puede aplicar como ayuda para la ventilación en zonas donde sea una de las principales estrategias a seguir para la sustentabilidad de viviendas o edificaciones. La chimenea solar es un sistema de ventilación que no utiliza otra energía que no sea la solar, pues es dependiente de esta energía ya que por este lado puede brindar una ventilación adecuada sin ningún gasto energético eléctrico como lo es el caso de los sistemas de acondicionamiento de aire mecánicos. Este sistema brinda una uniformidad en las temperaturas internas de un espacio ya que al evacuar el aire hacia el exterior ocasiona un movimiento interno en el espacio capas de llevar al confort térmico todos los espacios en el interior de la habitación o habitaciones a la que se encuentra adosado. Genera tasas de ventilación aceptables para generar confort en espacios en los que un sistema mecánico gastaría energía eléctrica, que como se ve en este trabajo se puede resolver con sistemas de ventilación pasiva como lo es una chimenea solar. Se debe tener en cuenta que las temperaturas en la chimenea solar son efecto de la radiación ya que para otras radiaciones estas mediciones tendrán otro valor, parámetro de importancia para el diseño de una chimenea solar, además del tamaño y los materiales de construcción de esta. La ventilación que brinda una chimenea solar tiene una ventaja sobre los dispositivos mecánicos llamada ruido, ya que las chimeneas no generan ruido ni vibraciones que perturben el confort acústico del espacio a ventilar. Teniendo como desventaja el espacio que se necesita para colocar la chimenea, ya que esta necesita espacio considerable de la fachada de la vivienda en comparación con un dispositivo mecánico de ventilación. La chimenea solar es un dispositivo adecuado para la ciudad de México ya que con este sistema se puede lograr el confort térmico que se demanda en la casa habitación o en edificaciones que así lo necesiten y no caer en la forma tradicional de solucionar el problema de ventilación colocando un sistema de aire acondicionado en lugares donde la energía solar puede llegar a resolver este problema.

Comportamiento Térmico de chimenea solar

0

1020

30

4050

60

06:0

7:11

06:4

7:11

07:2

7:11

08:0

7:11

08:4

7:11

09:2

7:11

10:0

7:11

10:4

7:11

11:2

7:11

12:0

7:11

12:4

7:11

13:2

7:11

14:0

7:11

14:4

7:11

15:2

7:11

16:0

7:11

16:4

7:11

17:2

7:11

18:0

7:11

Hora

°C

Placa negra Vidrio Ambiente interno

RADIACIÓN SOLAR

0

200400

600

8001000

1200

06:4

4 a.

m.

07:1

4 a.

m.

07:4

4 a.

m.

08:1

4 a.

m.

08:4

4 a.

m.

09:1

4 a.

m.

09:4

4 a.

m.

10:1

4 a.

m.

10:4

4 a.

m.

11:1

4 a.

m.

11:4

4 a.

m.

12:1

4 p.

m.

12:4

4 p.

m.

01:1

4 p.

m.

01:4

4 p.

m.

02:1

4 p.

m.

02:4

4 p.

m.

03:1

4 p.

m.

03:4

4 p.

m.

04:1

4 p.

m.

04:4

4 p.

m.

05:1

4 p.

m.

05:4

4 p.

m.

06:1

4 p.

m.

06:4

4 p.

m.

07:1

4 p.

m.

07:4

4 p.

m.

RAD

W / m

2 S

Radiación MAYOR A 500 W/m2

Bibliografía. Confort y Eficiencia Energética en la Arquitectura, Memorias del IV Congreso Latinoamericano COTEDI en la Ciudad de México 2005, Vol. I, UAM-COTEDI Rodríguez Viqueira, Manuel (2001). Introducción a la Arquitectura Bioclimática .Ed Limusa. México D.F Jerald D. Parker (2007). Calefacción, ventilación y aire acondicionado. Ed. Limusa Wiley. México D.F García Chávez y Fuentes Freixanet. Viento y Arquitectura. El viento como factor de diseño arquitectónico. Trillas; México. (1995 Szokolay Steve, Environmental Science Handbook. The Construccion Press, Ltd. Lancaster, U.K.1980

Ibáñez, M., Rosell Polo, J. R., Rosell Urrutia, J,I. (2005) Tecnología Solar, Colección Energías Renovables, Ed Mundi-Prensa Madrid, España García Chávez José Roberto (2000). Compilador Hacia una Arquitectura Ecológica y Sustentable UAM-Azc. México. D.F

Actualmente, la ventilación en las edificaciones sigue siendo un factor

muy importante que debe tomarse en cuenta al momento de diseñar

cualquier edificación o vivienda, y las chimeneas solares son sistemas

pasivos que pueden utilizarse como una alternativa para disminuir el

consumo de energía de dichas edificaciones.

Una chimenea solar se puede definir como una cavidad ventilada

alargada, generalmente ubicada en la parte mas soleada de una

edificación.

El aire en el interior de la chimenea se calienta por la radiación solar,

dando lugar a un incremento de las fuerzas de flotación, las cuales a su

vez inducen el aire hacia la parte superior y posteriormente hacia el

exterior de la chimenea solar.

INTRODUCCIÓN

Un rango aceptable recomendado de las temperaturas operativas de

confort durante el invierno y durante el verano son de 20°C a 24°C, y de

23°C a 27°C respectivamente (ASHRAE 55-1981)


Análisis Climático

MES T M T m T med 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 PRO

Enero 21.7 7.4 14.6 11.0 9.8 8.8 8.0 7.6 7.4 7.8 9.1 11.0 13.4 15.9 18.2 20.1 21.3 21.7 21.5 21.1 20.4 19.4 18.2 16.9 15.4 13.9 12.4 14.6

Febrero 23.4 8.5 15.9 12.2 10.9 9.9 9.1 8.7 8.5 8.9 10.2 12.2 14.5 17.1 19.6 21.6 22.9 23.4 23.2 22.7 22.0 20.9 19.6 18.2 16.6 15.0 13.6 15.9

Marzo 25.7 10.4 18.1 14.3 13.0 11.9 11.1 10.6 10.4 10.9 12.2 14.3 16.8 19.5 21.9 23.9 25.2 25.7 25.5 25.1 24.3 23.2 21.9 20.5 19.0 17.4 15.8 18.1

Abril 26.8 12.3 19.6 16.0 14.7 13.7 12.9 12.5 12.3 12.7 14.0 16.0 18.4 20.9 23.2 25.1 26.4 26.8 26.6 26.2 25.4 24.4 23.2 21.9 20.4 18.9 17.4 19.6

Mayo 26.8 13.2 20.0 16.6 15.5 14.5 13.8 13.3 13.2 13.6 14.8 16.6 18.8 21.2 23.4 25.2 26.4 26.8 26.7 26.2 25.5 24.6 23.4 22.1 20.7 19.3 17.9 20.0

Junio 25.3 13.5 19.4 16.5 15.5 14.6 14.0 13.6 13.5 13.9 14.9 16.4 18.4 20.4 22.3 23.9 24.9 25.3 25.2 24.8 24.2 23.3 22.4 21.2 20.0 18.8 17.6 19.4

Julio 23.8 12.5 18.2 15.4 14.4 13.6 13.0 12.6 12.5 12.8 13.9 15.4 17.3 19.2 21.0 22.5 23.5 23.8 23.7 23.3 22.7 22.0 21.0 20.0 18.9 17.7 16.5 18.2

Agosto 23.9 12.7 18.3 15.5 14.6 13.8 13.2 12.8 12.7 13.0 14.0 15.5 17.3 19.3 21.1 22.6 23.6 23.9 23.8 23.4 22.8 22.0 21.1 20.0 18.9 17.7 16.6 18.3

Septiembre 23.3 12.7 18.0 15.4 14.5 13.7 13.2 12.8 12.7 13.0 13.9 15.3 17.1 18.9 20.6 22.1 23.0 23.3 23.2 22.8 22.3 21.5 20.7 19.6 18.6 17.4 16.4 18.0

Octubre 22.9 11.2 17.1 14.2 13.2 12.3 11.7 11.3 11.2 11.6 12.6 14.2 16.1 18.2 20.0 21.6 22.6 22.9 22.8 22.4 21.8 21.0 20.0 19.0 17.8 16.6 15.3 17.1

Noviembre 22.9 9.7 16.3 13.0 11.9 11.0 10.3 9.8 9.7 10.1 11.2 13.0 15.2 17.4 19.6 21.4 22.5 22.9 22.8 22.3 21.6 20.7 19.6 18.3 17.0 15.6 14.3 16.3

Diciembre 21.9 8.1 15.0 11.6 10.4 9.4 8.7 8.3 8.1 8.5 9.7 11.5 13.8 16.2 18.4 20.3 21.5 21.9 21.7 21.3 20.6 19.6 18.5 17.1 15.7 14.3 12.9 15.0

ANUAL 24.0 11.0 17.5 14.3 13.2 12.3 11.6 11.2 11.0 11.4 12.5 14.3 16.4 18.7 20.8 22.5 23.6 24.0 23.9 23.5 22.8 21.9 20.8 19.6 18.2 16.9 15.5 17.5

1, 67.36%

2, 29.86%

3, 2.78%

Horas promedio mensuales a lo largo del día

Enero

Diciembre

El color amarillo indica la necesidad de ventilación o enfriamiento a lo

largo de todo el año, en la ciudad de México estas horas se presentan en

los meses de marzo, abril y mayo.

Meses en la que puede aplicarse un sistema de ventilación pasiva, que

en este caso es una chimenea solar adosada a un espacio o habitación

para lograr el confort en esta época del año en este caso de estudio,

ciudad de México.


Construcción del modelo

El modelo se realizó con la finalidad de obtener el comportamiento térmico

dentro de una habitación ventilada por la succión de aire que genera la

chimenea solar.

Este espacio fue construido con paneles de yeso prefabricados aislados con

fibra de vidrio entre ellos y cubiertos con una capa de impermeabilizante blanco

en su exterior.


Espacio con termopares tipo K para registrar temperaturas y así poder

determinar el comportamiento térmico generado por la chimenea solar.

Termopares colocados en tres mallas o niveles para obtener el campo 3D

de temperatura, a lo largo, ancho y alto del espacio a ventilar.

La forma en que fueron adquiridos estos datos fue por medio del software

Lab View, el cual nos permite obtener los datos en tiempo real.

Construcción del modelo

P1

P3

P2

L1L3

Malla 1

Malla 3


Estas fueron realizadas en dos etapas, en la primera las condiciones de

trabajo fueron: la chimenea solar no estuvo operando, las salidas de aire

del espacio estuvieron cerradas para observar el comportamiento térmico

que se genera en el espacio en condiciones normales.

Las condiciones de trabajo de la segunda etapa fueron: la chimenea

solar entra en funcionamiento desde las 06:00 a las 18:00 horas

Pruebas


10

15

20

25

30

35

06:0

7:1

4 a

.m.

06:4

7:1

4 a

.m.

07:2

7:1

4 a

.m.

08:0

7:1

4 a

.m.

08:4

7:1

4 a

.m.

09:2

7:1

4 a

.m.

10:0

7:1

4 a

.m.

10:4

7:1

4 a

.m.

11:2

7:1

4 a

.m.

12:0

7:1

4 p

.m.

12:4

7:1

4 p

.m.

01:2

7:1

4 p

.m.

02:0

7:1

4 p

.m.

02:4

7:1

4 p

.m.

03:2

7:1

4 p

.m.

04:0

7:1

4 p

.m.

04:4

7:1

4 p

.m.

05:2

7:1

4 p

.m.

Hora

°C

AMBIENTE MAYA1,LI,P1 MAYA1,LI,P2 MAYA1,L1,P3 MAYA1,L2,P1MAYA1,L2,P2 MAYA1,L2,P3 MAYA1,L3,P1 MAYA1,L3,P2 MAYA1,L3,P3MAYA1,L4,P1 MAYA1,L4,P2 MAYA1,L4,P3 LCTI LCTS


10

15

20

25

30

06

:06

:48

06

:46

:48

07

:26

:48

08

:06

:48

08

:46

:48

09

:26

:48

10

:06

:48

10

:46

:48

11

:26

:48

12

:06

:48

12

:46

:48

01

:26

:48

02

:06

:48

02

:46

:48

03

:26

:48

04

:06

:48

04

:46

:48

05

:26

:48

Hora

°C

MAYA1,L1,P1 MAYA1,L1,P2 MAYA1,L1,P3 MAYA1,L2,P1 MAYA1,L2,P2MAYA1,L2,P3 MAYA1,L3,P1 MAYA1,L3,P2 MAYA1,L3,P3 MAYA1,L4,P1MAYA1,L4,P2 MAYA1,L4,P3 LCTI LCTS AMBIENTE

Sin Chimenea solar

Con Chimenea solarZona de Confort

Térmico

Datos obtenidos en la malla 1 que se encuentra a 0.3 m del piso


Pruebas

Esta malla se encuentra localizada a 1.6 m del nivel del piso.


10

15

20

25

30

35

06:0

7:1

4

06:4

7:1

4

07:2

7:1

4

08:0

7:1

4

08:4

7:1

4

09:2

7:1

4

10:0

7:1

4

10:4

7:1

4

11:2

7:1

4

12:0

7:1

4

12:4

7:1

4

01:2

7:1

4

02:0

7:1

4

02:4

7:1

4

03:2

7:1

4

04:0

7:1

4

04:4

7:1

4

05:2

7:1

4

Hora

°C

AMBIENTE MAYA2,L1,P1 MAYA2,L1,P2 MAYA2,L1,P3 MAYA2,L2,P1MAYA2,L2,P2 MAYA2,L2,P3 MAYA2,L3,P1 MAYA2,L3,P2 MAYA2,L3,P3MAYA2,L4,P2 MAYA2,L4,P3 LCTI LCTS


10

15

20

25

30

06:0

6:4

8

06:4

6:4

8

07:2

6:4

8

08:0

6:4

8

08:4

6:4

8

09:2

6:4

8

10:0

6:4

8

10:4

6:4

8

11:2

6:4

8

12:0

6:4

8

12:4

6:4

8

01:2

6:4

8

02:0

6:4

8

02:4

6:4

8

03:2

6:4

8

04:0

6:4

8

04:4

6:4

8

05:2

6:4

8

Hora

°C

AMBIENTE MAYA2,L1,P1 MAYA2,L1,P2 MAYA2,L1P3 MAYA2,L2,P1

MAYA2,L2,P2 MAYA2,L2,P3 MAYA2,L3,P1 MAYA2,L3,P2 MAYA2,L3,P3MAYA2,L4,P2 MAYA2,L4,P3 LCTI LCTS

Zona de Confort

Térmico

Sin Chimenea solar

Con Chimenea solar


La malla 3 se encuentra a 2.10 m del piso, próxima al techo del espacio.

Pruebas


10

15

20

25

30

35

06:0

7:1

4

06:4

7:1

4

07:2

7:1

4

08:0

7:1

4

08:4

7:1

4

09:2

7:1

4

10:0

7:1

4

10:4

7:1

4

11:2

7:1

4

12:0

7:1

4

12:4

7:1

4

01:2

7:1

4

02:0

7:1

4

02:4

7:1

4

03:2

7:1

4

04:0

7:1

4

04:4

7:1

4

05:2

7:1

4

Hora

°C

AMBIENTE MAYA3,L1P2 MAYA3,L2,P2 MAYA3,L3,P2 LCTI LCTS


10

15

20

25

30

06:0

6:4

8

06:4

6:4

8

07:2

6:4

8

08:0

6:4

8

08:4

6:4

8

09:2

6:4

8

10:0

6:4

8

10:4

6:4

8

11:2

6:4

8

12:0

6:4

8

12:4

6:4

8

01:2

6:4

8

02:0

6:4

8

02:4

6:4

8

03:2

6:4

8

04:0

6:4

8

04:4

6:4

8

05:2

6:4

8

Hora

°C

AMBIENTE MAYA3,L1,P2 MAYA3,L2,P2 MAYA3,L3,P2 LCTI LCTS

Zona de Confort

Térmico

Sin Chimenea solar

Con Chimenea solar


Pruebas

Además de las mediciones de temperaturas del interior, la gráfica

muestra las velocidades de succión en las salidas del espacio que

comunican a èste con la chimenea solar, con la finalidad de tomar en

cuenta la cantidad de aire que se está evacuando hacia el exterior para

conocer la tasa de ventilación que la chimenea solar està generando en la

habitaciòn.

Velocidades de extracción de aire

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

11:07:14

a.m.

12:07:14

p.m.

01:07:14

p.m.

02:07:14

p.m.

03:07:14

p.m.

04:07:14

p.m.

05:07:14

p.m.

06:07:14

p.m.

HORA

m

/ss

Salida inferior Salida superior Salida chimenea


Pruebas

Para la tasa de ventilación se toma en cuenta el área de ventila, por

donde es extraído el aire del espacio interior hacia el exterior. Son las

salidas del espacio hacia la chimenea solar.

VAQ **025.0extraccióndevelocidadV

nventilaciódeáreaA

nventilaciódetasaQ

Tasa de ventilación

00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.009

0.01

11:0

7:14

a.m

.

12:0

7:14

p.m

.

01:0

7:14

p.m

.

02:0

7:14

p.m

.

03:0

7:14

p.m

.

04:0

7:14

p.m

.

05:0

7:14

p.m

.

06:0

7:14

p.m

.

Hora

m

3 /s

Salida inferior Salida superior


Los datos obtenidos en la chimenea solar nos presenta el comportamiento

térmico del dispositivo a lo largo del día.

Pruebas

Comportamiento Térmico de chimenea solar

0

10

20

30

40

50

60

06:0

7:1

1

06:4

7:1

1

07:2

7:1

1

08:0

7:1

1

08:4

7:1

1

09:2

7:1

1

10:0

7:1

1

10:4

7:1

1

11:2

7:1

1

12:0

7:1

1

12:4

7:1

1

13:2

7:1

1

14:0

7:1

1

14:4

7:1

1

15:2

7:1

1

16:0

7:1

1

16:4

7:1

1

17:2

7:1

1

18:0

7:1

1

Hora

°C

Placa negra Vidrio Ambiente interno

R AD IAC IÓN S OL AR

0

200

400

600

800

1000

1200

06

:44

a.m

.

07

:14

a.m

.

07

:44

a.m

.

08

:14

a.m

.

08

:44

a.m

.

09

:14

a.m

.

09

:44

a.m

.

10

:14

a.m

.

10

:44

a.m

.

11

:14

a.m

.

11

:44

a.m

.

12

:14

p.m

.

12

:44

p.m

.

01

:14

p.m

.

01

:44

p.m

.

02

:14

p.m

.

02

:44

p.m

.

03

:14

p.m

.

03

:44

p.m

.

04

:14

p.m

.

04

:44

p.m

.

05

:14

p.m

.

05

:44

p.m

.

06

:14

p.m

.

06

:44

p.m

.

07

:14

p.m

.

07

:44

p.m

.

RA

D W

/ m

2

S

R adiac ión MAY OR A 500 W/m2


Conclusiones

De los resultados se observa que la chimenea solar puede ser un dispositivo

de ventilación natural adecuado ya que nos permite llevar al confort térmico a

un espacio. Este dispositivo solar se puede aplicar como ayuda para la

ventilación en zonas donde sea una de las principales estrategias a seguir para

la sustentabilidad de viviendas o edificaciones.

Este sistema brinda uniformidad en las temperaturas internas de un espacio ya

que al evacuar el aire hacia el exterior ocasiona un movimiento interno capaz

de llevar al confort térmico a todos los espacios en el interior de la habitación o

habitaciones.

Genera tasas de ventilación aceptables para el confort en espacios; un

sistema mecánico consume energía eléctrica, que puede evitarse con una

chimenea solar.

Se debe tener en cuenta que las temperaturas del aire en la chimenea

solar son efecto de la radiación, parámetro de importancia para el diseño

de una chimenea solar, además del tamaño y los materiales de

construcción de ésta.

La ventilación que brinda una chimenea solar tiene una ventaja sobre los

dispositivos mecánicos: las chimeneas no generan ruido ni vibraciones

que perturben el confort acústico del espacio a ventilar. Teniendo como

desventaja el espacio que se necesita para colocar la chimenea, espacio

considerable de la fachada de la vivienda en comparación con un

dispositivo mecánico de ventilación.


La chimenea solar es un dispositivo adecuado para la ciudad de

México ya que con este sistema se puede lograr el confort térmico que

se demanda en la casa habitación o en edificaciones que así lo

necesiten y no caer en la forma tradicional de solucionar el problema

de ventilación colocando un sistema de aire acondicionado en lugares

donde la energía solar puede llegar a resolver este problema.


ANÁLISIS TERMICO EXPERIMENTAL DE UNA CHIMENEA SOLAR ... · ANÁLISIS TERMICO EXPERIMENTAL DE UNA...

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