“ DISEÑO DE UNA CASA ECOLOGICA PARA EL USO EFICIENTE DE ENERGÍAS RENOVABLES EN LA CIUDAD DE AYACUCHO” XV SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR AUTORES: Mg. JANAMPA QUISPE, Kléber [email_address] Mg. CERÒN BALBOA, Octavio [email_address] Ing. CORTEZ LEDESMA, Nicolás E. [email_address] Bach. ORÉ GARCÍA, Julio [email_address] UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA

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

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

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

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.

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” 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 60m 2 , concebida para ser construida aislada de la urbe y que relacione los conceptos de arquitectura bioclimática, solar activa, sostenible y automatizada.

Diseño y estudio energético de una casa ecológica de adobe de 60m 2 , 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.

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.

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”.

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 media anual de 17,5º C

Isoterma de temperaturas para la ciudad de Ayacucho

Movimiento aparente del sol

Radiación solar Radiación Global sobre una superficie horizontal 4,8 kWh/m²-día UNSCH-CM

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. Velocidad de viento

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.

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 Humedad

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

Puede brillar todo el año entre la 08 y 16 horas. El promedio de brillo solar anual es de 67% Horas de Sol

Puede brillar todo el año entre la 08 y 16 horas.

El promedio de brillo solar anual es de 67%

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). 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).

CONDICIONES DE CONFORT TÉRMICO

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

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.

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

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)

Análisis térmico de los cerramientos

Gradiente de temperatura en una pared

Propiedades térmicas de los cerramientos

Propiedades térmicas 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

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 térmica mensual

Temperatura para el cual la casa se encuentra en equilibrio con el medio exterior , para la carga térmica disponible mensualmente

Características térmicas Coeficiente de transmisión de calor U (W/m 2 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/m 2 K Coeficiente global de pérdidas : 158,09 W/K Tasa de infiltración : 0,5 a 0,9 Superficie del muro trombe : 4 m 2

Coeficiente de transmisión de calor U (W/m 2 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/m 2 K

Coeficiente global de pérdidas : 158,09 W/K

Tasa de infiltración : 0,5 a 0,9

Superficie del muro trombe : 4 m 2

Consumo de energía eléctrica de la Casa Ecológica IIuminación: 735 TOTAL: 150 5 15 2 Exterior 45 3 15 1 Almacén 120 3 20 2 Sala de estudio 200 5 20 2 Sala comedor 80 4 20 1 Cocina 20 1 20 1 Baño 120 4 15 2 Dormitorio (h) Consumo (Wh) Tiempo Potencia teórica (W) Número de puntos Ambiente

IIuminación:

Electrodomésticos: 1905 TOTAL : 800 4 100 2 Inversor CC/CA 120 24 5 1 Módulo portátil de sensoriamiento 5 1/6 30 1 Licuadora 160 24 6,7 1 Frigorífico 250 1/3 750 1 Plancha 80 4 20 1 Equipo de sonido 180 3 60 1 TV colores 10 1/3 30 1 Impresora 300 4 75 1 Computadora (h) Consumo (Wh) Tiempo Potencia (W) Puntos Artefacto

Electrodomésticos:

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%.

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 m 2 y área de la cocina 0,25 m 2 . Alternativamente: una cocina tipo parábola de acero galvanizado y aluminio con un diámetro de 1,5 m.

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 m 2 y área de la cocina 0,25 m 2 .

Alternativamente: una cocina tipo parábola de acero galvanizado y aluminio con un diámetro de 1,5 m.

-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: PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN AEROGENERADOR Potencia del viento para Huamanga k=16/27 :Coeficiente de pérdidas v=2,16m/s: velocidad de viento promedio anual ρ = 1,23 kg/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

-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:

BIODIGESTOR UNA ALTENATIVA ENERGÉTICA DE COCCIÓN 1.Válvula de salida de biogás 2.Almacenamiento de biogás 3. Nivel del agua con materia orgánica 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. 10m 5,8m 3 62 0,18 Gallina 78 2,25 Cerdo BIOGAS lit/kg ESTIÉRCOL (kg) ANIMAL

PANEL DE DISTRIBCIÓN Y PROTECCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

INSTRUMENTACIÓN: MÓDULO DE ADQUISICIÓN DE DATOS

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

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

BIBLIOGRAFIA

GRACIAS Cualquier consulta a [email_address]

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