Freddy Huayllar / CER UNI XV Simposio Peruano de Energia Solar (perusolar.org) Ver el resto de diapositivas en : http://solucionessolares.blogspot.com/

1. Estudio de transferencia de calor para alcanzar confort térmico en viviendas alto-andinas del Perú Fredy Huaylla Octavio Galarreta Gonzalo Saavedra Abel Gutarra Rafael Espinoza

6. El objetivo del proyecto planteado y su aplicación es diagnosticar la situación térmica actual de cada una de dos viviendas altoandinas del Perú, identificando y calculando los flujos de calor producidos en el interior de ellas y proyectar el mejoramiento térmico correspondiente. Para este efecto venimos trabajando en dos viviendas ubicadas en zonas rurales altoandinas; una en la región SUNI, en la Comunidad San Francisco de Raymina (13° 45’ 26” lat. sur; 73° 51’ 26” long. Oeste; 3700 msnm), distrito Huambalpa, provincia Vilcashuamán, región Ayacucho; otra en la región PUNA, en la Comunidad Vilcallamas Arriba (17° 00’ 58” lat. sur; 69° 30’ 59” long. Oeste; 4500 msnm), distrito Pisacoma, provincia Chucuito, Región Puno.

14. q x Ley de Fourier y ecuación de calor T1 T2 Δ x Δ T = T1 - T2 A x En forma diferencial.. x y z dx dy dz

15. Transferencia por convección Este modo de transferencia de calor se compone por dos mecanismos. Uno asociado al movimiento molecular aleatorio, el otro asociado al movimiento global o macroscópico del fluido. Este último indica que en cualquier instante grandes números de moléculas se mueven de forma colectiva y, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuyen a la transferencia de calor.

16. Estamos interesados en la transferencia de calor por convección entre un fluido en movimiento y una superficie limitante cuando estos tiene temperaturas distintas... Consecuencia de esta interacción fluido-superficie se desarrolla una región en el fluido en la que la velocidad varía de cero en la superficie a un valor finito ‘ v ’ asociado con el flujo. Esta región es la ‘capa límite hidrodinámica’. y y q’’ Superficie calentada Distribución de velocidad u(y) Distribución de temperatura T(y) Fluido

17. Sin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por convección, el modelo apropiado es de la forma. Ley de enfriamiento de Newton Donde ‘ h ‘ se denomina coeficiente de transferencia de calor por convección. Fluido estático Desarrollo de la capa límite sobre una placa vertical caliente Aire Flujo forzado q’’

18. Transferencia por radiación La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita. Este modo de transferencia de energía no requiere la presencia de un medio material. El flujo de calor emitido por una superficie real es menor que el de un cuerpo negro a la misma temperatura y está dado por: Donde ‘ ε ’ (0≤ ε ≤ 1) e s una propiedad radiativa de la superficie denominada emisividad, depende marcadamente del material de la superficie y del acabado

19. 4.- Determinación del coeficiente de transferencia de calor por convección ‘h’. Como se mencionó, la dificultad principal en problemas de transferencia de calor por convección es determinar ‘h’. Para la determinación de este valor demos un breve análisis de los mecanismos físicos que fundamentan la transferencia por convección.

20. La transferencia de calor por convección puede ser de dos tipos, convección forzada o libre. En ambos casos si Ts ≠ T œ . se producirá una capa límite térmica. Además las partículas del fluido que hacen contacto con la superficie adquieren una velocidad cero y y q’’ Superficie calentada Distribución de velocidad u(y) Distribución de temperatura T(y) Fluido

21. El flujo de calor ‘ local ’ se obtiene a cualquier distancia x desde la orilla mediante la aplicación de la ley de Fourier al fluido en y=0. Es decir, Esta expresión es apropiada pues, en la superficie , no hay movimiento del fluido y la transferencia de energía ocurre sólo por conducción. Al combinar con la ley de enfriamiento de Newton se obtiene el valor de h local. Y calculando h prom.

22. En este punto es notorio la necesidad de conocer la distribución de temperaturas T(x,y) en la capa límite, para ello se hace el siguiente análisis de un volumen de control diferencial (dx . dy . 1) . x y z dx dy Se plantea la conservación de la masa en la capa límite hidrodinámica bidimensional, se obtiene como resultado la siguiente ecuación diferencial, conocida como ecuación de continuidad.

23. Considerando la 2da ley de Newton … x y dx dy z x y dx dy z Esfuerzos viscosos Cantidad de movimiento

24. Considerando el análisis anterior se llega a la siguiente ecuación diferencial Para la componente X De forma análoga, considerando la conservación de la energía en la capa límite térmica, se obtiene la siguiente ecuación diferencial. x y dx dy z

25. La situación usual es aquella en que la capa límite se caracteriza con propiedades constantes k, µ, etc y sin generación de energía. Considerando lo que son aproximaciones de capa límite , ya que los espesores de esta son muy pequeños, se aplica lo siguiente.. x y Fluido u v δ V

26. Para el caso de convección libre, el conjunto de ecuaciones que gobiernan este proceso son: Resolviendo este sistema de ecuaciones diferenciales, se obtiene T(x,y) y finalmente ‘h’ Fluido estático Desarrollo de la capa límite sobre una placa vertical caliente

27. Siendo ‘ Gr ’ el número de Grashof y ‘ Pr ’ el número de Prandtl

28. Fluido, T œ Placa Ts Fluido, T œ Placa Ts Flujos impulsados por empuje sobre placas horizontales frías (Ts <T œ) y calientes (Ts>T œ)

30. 5.- Consideraciones para el cálculo del flujo de calor. Plano de la vivienda. Al interior de las viviendas se midieron temperaturas y humedad relativa. Los sensores de temperatura fueron del tipo de resistencia variable, con un rango de medición de -40o a 100 ºC. Los datos se temperatura se almacenaron en registradores portátiles de cuatro canales. En el exterior de las viviendas se midieron la irradiancia solar, humedad relativa, velocidad y dirección de viento y temperatura. Para ello se utilizó una minicentral meteorológica.

31. COCINA DORMITORIO 1 DORMITORIO 2 SALA-COMEDOR N

32. Anemómetro Radiómetro Termo higrómetro Sensores conectados Canales

39. Q=-1,542 kW-h/día

40. Q=3,498 kW-h/día

41. Q= 0,437 kW-h/día

42. Q=13,207 kW-h/día

43. Q=15,601 kW-h/día

50. Q= 0,243 kW-h/día

51. Q= 1,424 kW-h/día

52. Q= -0,387 kW-h/día

53. Q= 1,083 kW-h/día

54. Q= 2,364 kW-h/día

55. 8.- Conclusiones. 1. En la vivienda de la comunidad de Raymina, las curvas de variación diaria de temperatura interior y exterior están en fase. Esto hace suponer la existencia de filtración alta lo que es concordante con el estado físico observado en esta vivienda. En la vivienda de la comunidad de Vilcallamas, se aprecia un desfase de aproximadamente 2 horas entre las temperaturas mencionadas, lo que supone una menor filtración, lo que se corrobora en la inspección física. 2. En ambos casos, los rangos de temperatura están fuera de condiciones de confort durante las 24 horas del día. 3. En ambas viviendas actualmente, el suelo mas que actuar como un sumidero de calor actúa como una fuente de calor (Raymina 3,498 kW-h/día y Vilcallamas Arriba 1,424 kW-h/día ); esto sucede debido a que en gran parte del día el ambiente interior de las viviendas está a menor temperatura que el suelo (temp. del suelo: Raymina 9,03 C y Vilcallamas 8,63 C). No obstante, la conclusión directa es que en ambos casos el suelo debe de aislarse, ya que al ser las temperaturas deseadas para los ambientes interiores mayores a 15 C, el suelo actuaría definitivamente como un sumidero.

56. 4. Respecto a los techos. En Raymina se observa que el principal contribuyente tanto en ganancia como en pérdida de energía es el techo, ganando de día y perdiendo de noche y con un balance neto de 13,207 kW-h/ día lo cual representa más del 80% de la ganancia global diaria; esta situación se debe a que en su mayoría el techo es de calamina metálica. En Vilcallamas Arriba la contribución energética del techo ( 1,083 kW-h/día ) representa el 45 % del total global diaria, en este caso el valor de energía dado por el techo es menor que en Raymina debido a que el techo de Vilcallamas se conforma de una mayor masa térmica y con una conductividad térmica menor a la de un metal. Los resultados anteriores nos llevan a la conclusión de que al menos el 50 % de la contribución energética al ambiente interior recae en el techo, por ende, los esfuerzos deben de abocarse en disenar un sistema o un material que sea capaz de captar la energía (así como lo hace la calamina), y que esta sea almacenada de día y liberada al ambiente interior de noche.

57. 5. Para las paredes (que vienen a ser la principal masa térmica). En el caso de Raymina se observa una pérdida global diaria, debido sólo a las paredes, de -1,542 kW-h/día, dándose esta pérdida entre las 8 am y 7 pm, esto nos permitió identificar que son las paredes ubicadas al sur y al este las que generan estas pérdidas de energía, siendo justamente estas las paredes de las habitaciones. En Vilcallamas Arriba la energía neta debido sólo a paredes es de 0,243 kW-h/día, siendo resposables de pérdidas las paredes orientadas al hemisferio sur. La conclusión es que se debe de, al menos, aislar estas paredes, o disenar un sistema que mejore la colección de calor y genere ganancias en lugar de pérdidas. 6. En el caso de las ventanas y puertas. Pese a que su contribución energética por flujos convectivos de calor no es tan grande como para la de los techos o paredes; es necesario tomar en cuenta lo que sucede si se usa materiales como calamina o planchas metálicas, del análisis del techo se tiene que al usar este tipo de materiales las pérdidas de noche son altas. También es necesario aprovechar el uso de ventanas para que la vivienda capte directamente la radiación solar; teniendo en cuenta que las ventanas simples también contribuyen a pérdidas de energía de noche (conductividad térmica del vidrio, pérdidas por condensación de vapor de agua, etc.).

58. 7. Flujo de energía por convección total global para cada vivienda. En el caso de Raymina este valor es 15,601 kW-h/día, esta cantidad de energía es considerable; sin embargo su efecto no es visto en el incremento de la temperatura del ambiente interior. Esta pérdida energética se explica en que en esta vivienda existe un fuerte problema de infiltración y exfiltración de aire debido a grietas en los marcos de puertas, ventanas y techos además de ventanas con vidrios algunos rotos; así también una fuerte costumbre del dueno por ventilar su vivienda durante las horas del día, dejándose una puerta abierta y una ventana que siempre está abierta debido a que se tiene una tienda. En el caso de Vilcallamas Arriba, el valor global de energía es 2,364 kW-h/día, esta energía de la cual no se ve su efecto en el calentamiento del aire interior de la vivienda, probablemente se esté perdiendo por el efecto de las infiltraciones de aire, ya que esta vivienda cuenta con problemas tales como que el marco de la puerta presenta espacios de aire, y que la ventana de la vivienda (cubierta NO con vidrio sino con papel de bolsa de cemento) da en dirección frontal a la dirección preferente del viento.

59. 8. De acuerdo con los resultados de energía neta diaria que toma el interior de las viviendas y la energía requerida para lograr en ellas condiciones de confort, concluimos que necesitamos el 0.2% aproximadamente de toda la irradiancia sobre la vivienda para elevar los parámetros a las condiciones de confort. 9. En suma, la percepción concluyente es que ambas viviendas requieren de mayor protección contra el enfriamiento además de agregados diversos que incrementen su calentamiento.

60. GRACIAS