EFECTOS TÉRMICOS DE UNA PARED COLECTOR-ACUMULADOR DE

ENERGÍA SOLAR, COMO SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO EN LA

CLIMATIZACIÓN HABITACIONAL

César Efraín Rivasplata Cabanillas

EFECTOS TÉRMICOS DE UNA

PARED COLECTOR-ACUMULADOR

DE ENERGÍA SOLAR, COMO SISTEMA

DE ACONDICIONAMIENTO EN LA

CLIMATIZACIÓN HABITACIONAL

Primera edición digital

Julio, 2011

Lima - Perú

© César Efraín Rivasplata Cabanillas

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0208

Editor: Víctor López Guzmán

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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.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

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

EFECTOS TERMICOS DE UNA PARED COLECTOR-ACUMULADOR DE

ENERGIA SOLAR, COMO SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO EN LA

CLIMATIZACION HABITACIONAL

Rivasplata Cabanillas Cesar Efrain.

Facultad de Ciencias. Centro de Energías Renovables. Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann de Tacna.

Centro de Energias Renovables de Tacna (CERT) Ciudad Universitaria, Miraflores s/n, Fono +51 52 425982.Tacna, Perú.

cesarrivasplata@yahoo.com.

RESUMEN En la UNJGB el CERT-Tacna, cuenta con un ambiente de laboratorio que integra en su desarrollo arquitectónico una pared colector acumulador de energía solar. La pared, construida en piedra de canto rodado, forma parte de un sistema de acumulación de energía calorífica y a la vez la superficie externa sirve como placa de colección de la energía solar incidente, posibilitando con ello una contribución de ganancia de calor por convección, conducción y radiación. En el artículo se presentan resultados del comportamiento de las temperaturas del aire interior del laboratorio en correlación con las diferentes temperaturas medidas en las superficies externas e internas de la pared. Igualmente se muestran gráficos comparativos teóricos y experimentales entre las temperaturas externas e internas y su grado de fluctuación para periodos de 24 horas.

PALABRAS CLAVE: Transferencia de calor, colector-acumulador solar, sistema pasivo solar.

ABSTRACT At UNJBG-CERT in Tacna, we count on a laboratory that in its architectonic development integrates a collector solar power accumulator all. It was built with granite. It is a part of an accumulation system of calorific energy as well as at the external surface is used as a collection plate of incidental solar energy, making possible with it a contribution of heat for convection, conduction and radiation. In this article, there are results of the behavior of the temperatures of the interior air in the laboratory in correlation with different temperature measurements in the external and internal surfaces of the wall. In the article. Also there are some theoretical and experimental comparative graphics between external and internal temperatures and their fluctuation grade for 24-hour periods.

KEYWORDS: Heat transfer, solar collector - accumulator, passive solar system. INTRODUCCIÓN

El sistema empleado consiste de una pared construida en piedra y unida con mortero de cemento. La orientación de la pared externa es hacia el norte, formando un ángulo de inclinación de 10º.( Tacna esta ubicada en el hemisferio sur a una latitud de 17º sur y a 500 msnm). La forma de la pared es del tipo semi - piramidal, una por razones estructurales y la otra a efectos de lograr una mayor ganancia de energía en las épocas de invierno. El área frontal de la pared es de 2.64m x 7.8 m = 20.60 m², y esta cubierta por una superficie particionada de vidrios herméticamente cerrados, los vidrios están separados de la pared por un capa de aire de 0.10 m .La masa de la pared es de 4019 Kg., con una densidad promedio de 2560 Kg./m³ y un volumen de 1.57 m³. De la relación Área de vidrio / Volumen de masa térmica, tenemos un valor de 10. Esta cantidad es un indicador importante en el dimensionamiento de un sistema de acumulación de calor en función a las condiciones del clima y a las temperaturas externas y de confort a las que debe operar el mismo. La pared tiene ubicadas y atravesando esta, en sus partes inferior y superior 12 orificios de 0.10 m de diámetro x 0.55 m y 0.36 m respectivamente. La pared esta pintada de color negro mate y atravesada por travesaños perpendiculares y horizontales para el soporte de la cuadricula de 24 pedazos de vidrio de 0.80m² c/u. Las graficas siguientes dan una idea de la descripción dada líneas arriba:

Fig. 1. Dimensiones de la pared, orificios de circulación del aire y dimensiones de la habitación.

Fig. 2. Orientación de la pared y posición aparente del sol en verano e invierno.

DETERMINACIÓN DE LAS VARIABLES DE CONFORT EN LA HABITACIÓN.

El objetivo de un sistema pasivo solar para calefacción ambiental esta orientado a mantener las condiciones de confort en un rango de temperaturas de 18-22 ºC.

El balance de energía dentro de la habitación esta dado por:

ConstRCt

TT ee arConst

RCTT ar TT ar TT ee ar ee ee )ln(ConstRCtTT ar Const

RCTT ar TT ar TT )ln(RC

dtTaT

dTr

r

RCt

ar eATT RCeATT eATT ar eATT ar eATT ar

empujerr PRTaTGA

dtdTmc PTa )(GA (1)

Donde: Pempuje, es el calor necesario para complementar las perdidas o para alcanzar las temperaturas de confort.

Lo ideal es que Pempuje sea cero y que el abastecimiento de energía sea exclusivamente generado por contribución solar.

Para condiciones de radiación 00G o sea durante las horas de no sol, y sin energía complementaria tenemos:

RCdt

TaTdT

r

r

RCdt

Ta (2)

Donde C= mc y m = masa de la pared en la habitación Bajo estas condiciones de contorno y resolviendo la ecuación (2) se tiene:

(3)

Donde:

rT : Es la temperatura interior de la habitación

aT : Es la temperatura ambiente exterior de la habitación R= resistencia a las perdidas de calor A= (Tr - Ta)t = 0 , donde t = 0 se toma a partir de las 24 horas (12 p.m.). Si se grafica la ecuación (3) utilizando data experimental y se compara con los gráficos desarrollados experimentalmente deberá existir una correlación gráfica similar. Esta expresión permitirá también pronosticar del valor de la temperatura desde un valor de una hora definida en la que ya no existe sol hasta el día siguiente cuando comienza nuevamente el aporte solar.

DATA EXPERIMENTAL DE TEMPERATURAS- PERIODO FINES DEL VERANO

La Fig. 3. muestra la data experimental registrada de las temperaturas en el interior de la habitación y las del ambiente externo, para el periodo del 27 de marzo al 4 de Abril (a fines del verano) Puede apreciarse en estas una correlación grafica similar en las fluctuaciones de las temperaturas internas y externas, con valores promedio al interior de la habitación entre 28ºC y 24ºC en relación con las temperaturas ambientes externas que oscilan entre 26ºC y 17ºC.

Para el caso de la menor temperatura registrada en la noche el ΔT es de 7ºC, Esta diferencia de temperaturas es un claro indicador de las bondades de la pared en cuanto a contribución térmica para mantener temperaturas superiores a las del ambiente.

Para el caso de la diferencia de temperaturas durante el día, se observan valores punta cerca al medio día (11am- 2 p.m.), con ΔT próximos a 3ºC, esta diferencia que podría generar una situación de no confort en el ambiente, es fácilmente eliminada con la apertura de las ventanas tipo bisagra, ubicadas en la pared sur opuesta a la pared de acumulación (Fig. 2.) Adicionalmente, en épocas de verano la incidencia de la radiación solar, por la trayectoria del sol, no inciden sobre la pared, facilitándose la evacuación del calor a través de las ventanas antes mencionadas y que se encuentran en la zona de estratificación del aire de mayor temperatura.

Fig. 3. Data experimental de las temperaturas periodo 27 de Marzo al 4 Abril 2008.

Fig. 4. Humedad dentro de la habitación y en el ambiente periodo 27 Marzo al 4 Abril 2008.

Desde la Fig. 4. se demuestra que las condiciones de humedad en interiores se mantienen en un rango que oscila entre 45 % y 50%, que en combinación con las temperaturas indican una zona de confort adecuada.

DATA EXPERIMENTAL Y TEÓRICA PARA DOS DÍAS REPRESENTATIVOS. FINES DE VERANO

Desde RCt

ar eATT RCeATT eATT ar eATT ar eATT ar , con C=mc, R = r/A y ( Tr- Ta)t=0, es factible que utilizando data experimental real, se obtengan curvas como las de la Fig. 5., donde es factible observar una correlación casi perfecta entre las curvas obtenidas y graficadas experimentalmente utilizando dos tipos diferentes de equipos y la grafica obtenida teóricamente.

Fig. 5. Comparación experimental y teórica de las temperaturas internas días 3-4 Abril. DATA EXPERIMENTAL DE TEMPERATURAS: PERIODO INICIOS DE OTOÑO.

El cambio climático esta influyendo en las condiciones habituales de cada lugar en la tierra. Tacna no es una excepción, con veranos más intensos y con pronósticos del tiempo más crudos para la época de invierno. La siguiente secuencia de gráficos demuestra ello. La irradiancia solar en Tacna del orden promedio anual es de 5.5 W/m².día, es una característica y un recurso importante para esta Región Sur del Perú.

Fig. 6. Radiación solar diaria promedio para tres días La Fig. 7 desarrolla el perfil de temperaturas en diferentes puntos de la pared, tanto en la cara externa como en la cara interna, y al ingreso del aire en la parte inferior como en los ingresos de la parte superior. El comportamiento de la pared como un colector solar es evidente, pues incrementa la temperatura del aire que pasa por la pared en un ∆≥20ºC, mientras que la temperatura de la cara interna de la pared tiene una diferencia cercana a 3ºC, con la temperatura de entrada del aire por la parte inferior de la pared, indicador del retardo de temperaturas que ocurren a lo largo del día, contribuyendo con un aporte de energía que permite mantener una

estabilidad en las temperatura de confort del orden de dentro de la habitación del orden de 23ºC, cuando la mínimas de la temperatura exterior llegan a 10ºC. Una diferencia de 13ºC, entre las temperaturas internas y externas en las condiciones actuales, pronostica un comportamiento de estabilidad térmica y condiciones de confort aun en condiciones de menor temperatura externa, en razón a que la incidencia de la radiación solar, en los meses más fríos (junio, julio, agosto) es más favorable

Fig. 7. Temperaturas en diversos niveles de la pared cara externa e interna

Fig. 8. Cuadro comparativo de temperaturas internas y externas para verano y otoño.

CONCLUSIONES

Los resultados experimentales confirman que el comportamiento de la pared colector acumulador, representa una alternativa interesante de aplicación de un sistema térmico solar pasivo, del aprovechamiento de la energía solar con fines de calefacción ambiental. Existe una compatibilidad entre lo que pronostica la parte teórica con la parte experimental, contribuyendo ello a convalidar el uso de este tipo de tecnología. El aporte energético para calentamiento del aire en ambientes cerrados, en climas fríos, como es el caso del clima en los Andes Peruanos, donde vive un porcentaje considerable de la población peruana en extrema pobreza, puede contribuir a mejorar las condiciones de vida de los que mas necesitan de energía y que carecer de ella, pero que si disponen de un recurso potencial en el sol en casi todo el año, del orden de 6 Kwh./m².día. La Region Tacna,y el Plan Sierra Exportadora, en sus planes de desarrollo de viviendas, centros comunitarios, escuelas, postas medicas, etc, deberia promover el desarrollo de sitemas de viviendas bioclimatizadas mediante el uso de sistemas solares pasivos, que son comno en este caso, amigabales con el ambiente y que contribuyan con un desarrollo sotenible El indicador de Área de vidrio y masa de pared, en este caso del orden de 10 m² de área cobertera por 1m³ de piedra, puede ser útil para el dimensionamiento de diversos sistemas en diferentes lugares donde las condiciones del clima sean diferentes.

REFERENCIAS John Hertz (1981). Diseño bioclimatico en arquitectura. Sector Industria y Turismo.INTITEC.Direccion tecnologica. John W. Twidell y Anthony D.Weir.(1986). Renewable Energy Resources.The University Press, Cambridge.