UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA

TAREA Nº 1 Auditoria energética de una vivienda.

ASIGNATURA : Introducción a la energía y eficiencia energética.

INTEGRANTES : Cristobal Baracatt

PROFESOR : Valeri Bubnovich

FECHA ENTREGA : 13 de Junio de 2014

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1. OBJETIVOS

1.1 Realizar una auditoria energética de una casa, donde estime los

requerimientos de energía para calefacción y agua caliente mensual y anual.

1.2 Estime el costo energético asociado por cada mes y por año en base al uso de

leña y después de gas natural

1.3 Proponga un diseño de calefacción de la casa con agua calentada por paneles

solares (tienes que elegirlas en el mercado) que funcionen según el principio

de termosifón.

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2. INTRODUCCIÓN

La casa analizada se ubica en la Concón, en la V región de Chile. La casa considera

un piso, además cuenta con un sótano, para almacenamiento de diversos artículos.

2.1 CALEFACCIÓN:

Primero se deben estimar las pérdidas de calor desde la casa hacia el medio ambiente

con y sin fuentes internas de energía.

Posteriormente se estima el calor necesario para mantener una temperatura constante

dentro de la casa de 22°C.

Para esto se considerara que las pérdidas de calor que ocurren en la casa se producen

a través de: el techo, las paredes, el piso y las ventanas. Las pérdidas de calor a través

de cada uno de estos elementos dependen de la resistencia térmica de los materiales

de construcción utilizados.

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Para estimar las pérdidas de calor de la casa, sabemos:

Q̇=U ∙ A ∙ (T i−T 0 )

Dónde:

T i : Temperatura interna

T 0 : Temperatura externa

A : Área

U : Conductancia

La conductancia depende del tipo de material de construcción utilizado,

principalmente de su resistencia térmica, donde:

U= 1RT

Por último es necesario estimar las pérdidas producidas producto de la ventilación de

la casa. Para estimar estas pérdidas utilizaremos:

Calor sensible : Q̇f=V̇ ∙ ρAire ∙C p , Aire ∙ (T i−T 0 )

Calor latente : Q̇f=V̇ ∙ ρAire ∙h fg ∙ (w i−w0 )

Dónde:

ρAire = 1,2 [Kg/m3 ]C p , Aire = 1 [KJ /Kg∙ °C ]

h fg = 2,34 [KJ /Kg ]

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El calor necesario de calefacción es menor al calor producido solamente por las

pérdidas de calor de la casa, debido a la generación interna de calor, donde:

Q̇sin generación=Q̇=q ∙ (T i−T 0 )

Q̇con generación=q ∙ (T cf−T 0 )

Dónde: Tcf > Ti.

Q̇sin generación=Q̇congeneración+Q̇ generacióninterna

2.2 CONSUMO DE LEÑA Y GAS NATURAL:

Es posible estimar el consumo mensual y anual en ambos caso, mediante:

Q̇= consumo [MJ ]

entalpía decombustión [MJm3 ]Luego, es posible calcular los costos mensuales y por año producto del consumo de

estos, una vez conocido el precio por m3.

2.3 CONSUMO DE AGUA CALIENTE:

Su diseño se basa en 3 características:

Temperatura del agua de cañería, Ts

Temperatura del agua de uso, Td

El consumo de agua caliente por día y por personas,V̇ , dentro de la casa y el

número de personas, n.

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La energía requerida por día es:

Q̇= ρ∙ V̇ ∙C p ∙ (T d−T s )

Para efectos de cálculo la temperatura del agua de uso, Td será de 60°C

2.4 DISEÑO PARA CALEFACCIÓN Y AGUA CALIENTE CON PANELES

SOLARES:

Para el diseño del sistema de paneles solares, de termosifón, se sabe que:

Q panel=eficiencia panel ∙ A panel ∙Radiación

Posteriormente se estima el número de paneles solares necesarios, tanto para el

sistema de calefacción, como para el consumo de agua caliente mediante:

Númerode paneles= consumo [MJ /mes ]Qpanel [MJ /mes ]

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3. DATOS

Figura 3.1: Diseño de la casa

Tabla 3.1: Dimensiones de la casa.

Área de las paredes 72 [m2]

Área del piso 60 [m2]

Área del techo 68 [m2]

Altura interna de las paredes 3 [m]

Área de las ventanas 26 [m2]

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Tabla 3.2: Materiales de construcción de paredes.

Material Dimensión[mm] Resistencia[m2∙ °C /W ]Revestimiento de madera - 0,14

Revestimiento 12,7 0,23

Fibra mineral aislante 88,9 1,58

Yeso 12,7 0,079

Tabla 3.3: Materiales de construcción techo.

Material Dimensión[mm

]Resistencia[m2 ∙ °C /W ]

Tejas - 0,077

Madera enchapada 12,7 0,11

Espuma aislante 51 0,17

Panel de yeso 12,7 0,079

Tabla 3.4: Temperatura máxima, mínima y media mensual de Concón

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic

Temperatur

a

máxima (°C)

22 22 21 19 16 15 15 15 16 17 19 21

Temperatur

a

mínima (°C)

13 13 12 11 10 8 8 8 9 10 12 13

Temperatur

a

media (°C)

17,5 17,5 16,5 15 13 11,5 11,5 11,5 12,5 13,5 15,5 17

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Tabla 3.5: Entalpia y costo de la leña y gas natural.

Entalpía[Kcal /m3 ] Costo [pesos]

Leña 2,500 151,6

Gas Natural 9,300 623

Tabla 3.4: Radiación mensual de Concón

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic

Radiación

[MJ /m2 ]780 650 540 400 280 220 280 350 480 610 700 740

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4. AUDITORIA

4.1 PÉRDIDAS DE CALOR:

4.1.1 Pérdidas de calor por las ventanas (1 hoja):

Q̇ventanas=4,7[ Wm2 ∙° C ] ∙ (T i−T 0 ) ∙ A ventanas=122,2∙ (T i−T 0 )[ W°C ]

4.1.2 Pérdidas de calor por las paredes:

Rpared=Raire ,e+Rrevestimiento mader+R revestimiento+¿R fibra+R yeso+R aire ,i¿

Rpared=0,030+0,14+0,23+1,58+0,079+0,12=2,179 [m2 ∙ °CW ]

Entonces:

U pared=1Rpared

=0,46[ Wm2 ∙ °C ]

Luego:

Q̇ pared=Apared ∙0,46 [ Wm2 ∙ °C ] ∙ (T i−T 0 )=A pared ∙0,46 ∙ (T i−T 0 )[ W°C ]

Q̇pared=72∙0,46 [ Wm2 ∙ °C ]∙ (T i−T 0 )=33,12 ∙ (T i−T0 ) [ W°C ]

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4.1.3 Pérdidas de calor por el techo:

Rtecho=Raire, e+R tejas+Rmadera+¿Respuma+R yeso+Raire , i ¿

Rtecho=0,030+0,077+0,11+0,17+0,079+0,1=0,566 [m2 ∙ °CW ]

Entonces:

U techo=1Rtecho

=1,767 [ Wm2 ∙ °C ]

Luego:

Q̇techo=A techo ∙1,767[ Wm2∙° C ] ∙ (T i−T0 )=Atecho ∙1,767 ∙ (T i−T 0 )[ W°C ]

Q̇techo=68∙1,767[ Wm2 ∙ °C ] ∙ (T i−T 0)=120,156 ∙ (T i−T 0 ) [ W°C ]

4.1.4 Calor asociado a la ventilación de la casa:

V̇=60 [m2 ] ∙3 [m ]

2 [hr ] =90 [m3

hr ]=0,025[m3

s ]Entonces:

Q̇f=0,025 [m3

s ] ∙1,2[ Kgm3 ]∙1[ KJKg ∙ °C ] ∙ (T i−T 0)

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Q̇f=30 ∙ (T i−T0 ) [ W°C ]

4.1.5 Pérdidas de calor totales:

Q̇=Q̇ ventanas+Q̇ pared+Q̇techo+Q̇f

Q̇= (122,2+33,12+120,156+30 ) ∙ (T i−T 0 )[ W°C ]Q̇=305,48 ∙ (T i−T 0 )[ W°C ]

En donde se despreciará el calor latente de la humedad del aire y las pérdidas de calor

por el piso de la casa.

4.2 GENERACIÓN DE CALOR:

Tabla 4.2.1: Generación interna de calor en la casa.

Carga CantidadPotencia promedio

(W)

Potencia

total (W)

Horas

diarias

de uso

Generación

(Wh/día)

Televisor 3 180 540 7 157,50

Radio 1 40 40 4 6.67

Celular 3 13 39 2 3,25

Notebook 3 100 300 3 37,50

Refrigerador 1 180 180 24 180,00

DVD 2 25 50 1 2,08

Microondas 1 900 900 0,25 9,38

Ampolleta 15 20 300 6 75,00

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Personas 3 70 210 8 70,00

Lavadora 1 950 950 1 39,58

TOTAL - 2478 3509 - 580,96

Luego:

Q̇3=580,96 [W ]

Al incluir la generación interna de calor, se obtiene:

Q̇con generación=305,48 ∙ (Tcf−T 0 )[ W°C ]Dónde:

T cf=T i−Q̇3

q

T cf=22−580,96305,48

=20,10 [°C ]

Utilizando las temperaturas promedio de cada mes de la Tabla 3.4, se determinara el

calor necesario para mantener constante la te temperatura interior de la casa.

Para el mes de Enero, se tiene:

Q̇con generación=305,48 ∙ (20,10−17,5 ) [° C ] [ W°C ]∙24 [h ] ∙ 3600 [s ]1 [h ]

∙31 [dias ]

Q̇con generación=2,13 ∙109 [GJ ]

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Tabla 4.2.2: Calor necesario mensual para mantener la temperatura interior constante.

Mes Días/Mes Consumo [GJ ]

Enero 31 2,13

Febrero 28 1,92

Marzo 31 2,95

Abril 30 4,04

Mayo 31 5,81

Junio 30 6,81

Julio 31 7,04

Agosto 30 6,81

Septiembre 31 6,22

Octubre 30 5,23

Noviembre 31 3,76

Diciembre 30 2,45

El consumo anual se obtiene al sumar el consumo mensual de todos los meses,

entonces:

Consumoanual=55,17 [GJ ]

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4.3 CÁLCULO DEL CONSUMO DE GAS NATURAL:

Para estimar el consumo mensual de gas natural se tiene, para el mes de Enero:

Q̇=2130 [MJ ]

39[ MJm3 ]=54,62 [m3 ]

Luego, los costos mensuales están dados por:

CostoEnero=54,62 [m3 ] ∙623 [ pesosm3 ]=34.028 [ pesos ]

Tabla 4.3.1: Consumo de gas natural y costos mensuales

Mes Días/Mes Consumo [m3 ] Costos [ pesos ]

Enero 31 54,62 34.025

Febrero 28 49,23 30.671

Marzo 31 75,64 47.124

Abril 30 103,59 64.536

Mayo 31 148,97 92.811

Junio 30 174,62 108.785

Julio 31 180,51 112.459

Agosto 30 174,62 108.785

Septiembre 31 159,49 99.361

Octubre 30 134,10 83.546

Noviembre 31 96,41 60.064

Diciembre 30 62,82 39.137

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Luego, el costo anual del consumo de gas natural se obtiene al sumar el costo de cada

mes:

Costo Anual=881.305 [ pesos ]

4.4 CÁLCULO DEL CONSUMO DE LEÑA:

Para estimar el consumo mensual de leña se tiene, para el mes de Enero:

Q̇=2130 [MJ ]

10,5[ MJKg ]=202,86 [Kg ]

Luego, los costos mensuales están dados por:

CostoEnero=202,86 [Kg ] ∙151,6 [ pesosKg ]=30753 [ pesos ]

Tabla 4.4.1: Consumo de gas natural y costos mensuales

Mes Días/Mes Consumo [Kg ] Costos [ pesos ]

Enero 31 202,86 30.753

Febrero 28 182,86 27.721

Marzo 31 280,95 42.592

Abril 30 384,76 58.330

Mayo 31 553,33 83.885

Junio 30 648,57 98.323

Julio 31 670,48 101.644

Agosto 30 648,57 98.323

Septiembre 31 592,38 89.805

Octubre 30 498,10 75.511

Noviembre 31 358,10 54.287

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Diciembre 30 233,33 35.373

Luego, el costo anual del consumo de gas natural se obtiene al sumar el costo de cada

mes:

Costo Anual=796.550 [ pesos ]

4.5 CÁLCULO DE CONSUMO DE AGUA CALIENTE:

Para una familia de 3 personas, se tiene:

V̇=3∙76[ Ldía ]=228[ Ldía ]=0,228[ m3

día ]Considerando:

ρ=1000[ Kgm3 ]C p=4,18 [ KJ

Kg ∙°C ]

Tabla 4.5.1: Calor necesario mensual para consumo de agua caliente.

Mes Días/Mes m3/mes Ts [°C ] Q [GJ/mes]

Enero 31 7,07 17,5 1,26

Febrero 28 6,38 17,5 1,13

Marzo 31 7,07 16,5 1,29

Abril 30 6,84 15 1,29

Mayo 31 7,07 13 1,39

Junio 30 6,84 11,5 1,39

Julio 31 7,07 11,5 1,43

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Agosto 30 6,84 11,5 1,39

Septiembre 31 7,07 12,5 1,40

Octubre 30 6,84 13,5 1,33

Noviembre 31 7,07 15,5 1,31

Diciembre 30 6,84 17 1,23

Para estimar el consumo mensual de gas natural se tiene, para el mes de Enero:

V̇=1260 [MJ ]

39[ MJm3 ]=32,31 [m3 ]

Luego, los costos mensuales están dados por:

CostoEnero=32,31 [m3 ] ∙623 [ pesosm3 ]=20.128 [ pesos ]

Tabla 4.5.2: Consumo de gas natural y costos mensuales para agua caliente.

Mes Días/Mes Consumo [m3 ] Costos [ pesos ]

Enero 31 32,31 20.128

Febrero 28 28,97 18.051

Marzo 31 33,08 20.607

Abril 30 33,08 20.607

Mayo 31 35,64 22.204

Junio 30 35,64 22.204

Julio 31 36,67 22.843

Agosto 30 35,64 22.204

Septiembre 31 35,90 22.364

Octubre 30 34,10 21.246

Noviembre 31 33,59 20.926

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Diciembre 30 31,54 19.648

Luego, el costo anual del consumo de gas natural para la producción de agua caliente

se obtiene al sumar el costo de cada mes:

Costo Anual=253.034 [ pesos ]

Para estimar el consumo mensual de leña se tiene, para el mes de Enero:

Q̇=1260 [MJ ]

10,5[ MJKg ]=[Kg ]

Luego, los costos mensuales están dados por:

CostoEnero=[Kg ] ∙151,6 [ pesosKg ]=[ pesos ]

Tabla 4.5.3: Consumo de leña y costos mensuales para agua caliente.

Mes Días/Mes Consumo [Kg ] Costos [ pesos ]

Enero 31 120,00 18.192

Febrero 28 107,62 16.315

Marzo 31 122,86 18.625

Abril 30 122,86 18.625

Mayo 31 132,38 20.069

Junio 30 132,38 20.069

Julio 31 136,19 20.646

Agosto 30 132,38 20.069

Septiembre 31 133,33 20.213

Octubre 30 126,67 19.203

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Noviembre 31 124,76 18.914

Diciembre 30 117,14 17.759

Luego, el costo anual del consumo de gas natural se obtiene al sumar el costo de cada

mes:

Costo Anual=228 .699 [ pesos ]

4.6 DISEÑO PARA CALEFACCIÓN Y AGUA CALIENTE CON PANELES

SOLARES:

Para el cálculo del número de paneles solares, se considerará un kit solar

termosifónico de 200 L, para cubierta inclinada. Cuyo costo es de 2.017 euros.

Tabla 4.6.1: Características del kit solar termosifónico

Modelo AS-200H -

Volumen 192 [ L ]

Área 1,96 [m2 ]Eficiencia 74,60 -

Como ejemplo para el mes de enero:

Qpanel Enero=74,60100

∙1,96 ∙780[ MJmes ]=1140,48 [ MJmes ]

Para el sistema de calefacción y el de agua caliente, se tiene:

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Númerode panelescalefacción=2130 [MJ /mes ]

1140,48 [MJ /mes ]=1,87

Númerode panelesaguacaliente=1260 [MJ /mes ]

1140,48 [MJ /mes ]=1,10

Tabla 4.6.2: Número de paneles solares para calefacción y agua caliente por mes

Mes Q panel [MJ ] N° paneles de calefacción N° paneles de agua caliente

Enero 1140,48 1,87 1,10

Febrero 950,40 2,02 1,19

Marzo 789,57 3,74 1,63

Abril 584,86 6,91 2,21

Mayo 409,40 14,19 3,40

Junio 321,68 21,17 4,32

Julio 409,40 17,20 3,49

Agosto 511,76 13,31 2,72

Septiembre 701,84 8,86 1,99

Octubre 891,92 5,86 1,49

Noviembre 1023,51 3,67 1,28

Diciembre 1082,00 2,26 1,14

De la tabla es posible observar que el número máximo de paneles necesarios para calefacción son 21,17 para el mes de Junio y para el consumo de agua caliente son 4,32 para el mismo mes.

Por lo tanto:

Númerode paneles=27

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Luego, el costo del equipo necesario para la calefacción y producción de agua caliente es de:

costo=27 ∙2017 [euros ] ∙750,41 [ pesoseuro ]=40.866 .578 [ pesos ]

5. BIBLIOGRAFÍA

1.2.3.4.5.

5.1. Clima de Concón.http://es.wikipedia.org/wiki/Conc%C3%B3nVisitada el 13 de Junio de 2014.

5.2. Explorador de energía solar.http://ernc.dgf.uchile.cl/Explorador/Solar2/Visitada el 13 de Junio de 2014.

5.3. Kit solares térmicos.http://www.trivinco.com/termi-equipos/kits_termosifonicos.htmlVisitada el 13 de Junio de 2014.

5.4. Precio saco de leña.http://www.sodimac.cl/sodimac-cl//product/155543X/Saco-de-lena-25-kilos?kid=bnnext5291&gclid=COvc34TB874CFSOPOgodGSEAmAVisitada el 13 de Junio de 2014.

5.5. Precio de gas natural.http://www.metrogas.cl/tarifas_y_pagosVisitada el 13 de Junio de 2014.

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