jueves, 10 de junio de 2010

SISTEMA DE CALEFACCIÓN ASISTIDA POR ENERGÍA SOLAR

Miguel A. Ruiz Orellana (1), Carlos A. Flores Castillo (2)
Ingeniero Mecánico, Facultad Nacional de Ingeniería(1)
Universidad Técnica de Oruro (1)
Carrera de Ingeniería Mecánica, Ciudadela Universitaria, Zona sud, Oruro-Bolivia (1)
Ingeniero Mecánico, Facultad Nacional de Ingeniería(2)
Universidad Técnica de Oruro (2)
Carrera de Ingeniería Mecánica, Ciudadela Universitaria, Zona sud, Oruro-Bolivia (2)


 Resumen



El departamento de Oruro está ubicado en el occidente de Bolivia, a 3605 m.s.n.m. es un departamento de la zona altiplánica del país. Las temperaturas promedio del departamento son de 15 ºC; sin embargo en los meses de invierno esta temperatura baja hasta un promedio de 5 ºC (-10 ºC por las mañanas y 15 ºC por las tardes), presentando condiciones adversas a la sensación de confort, haciendo incomodo la estadía en ambientes de estudio. Si bien existen varias edificaciones nuevas para aulas de enseñanza, el bajo presupuesto de las unidades educativas y la falta de desarrollo de sistemas de calefacción para la región, no han permitido dotar a los centros de formación con sistemas de calefacción que mejoren las condiciones de confort de las aulas, permitiendo estadías mas placenteras en los ambientes, eliminando factores que disminuyan la concentración de los estudiantes en clases. A los antecedentes mencionados, se debe añadir el elevado costo de las energías convencionales para la utilización en calefacción, y su pequeña área de influencia de estas; por cuanto amerita el estudio de sistemas de calefacción apoyados en energías alternativas, adecuadas a las condiciones de vida y ambientales del altiplano.

En el estudio presente se desarrolla un prototipo de sistema de calefacción cuyo emisor es una losa radiante, cuyo aporte energético provendrá de agua calentada por paneles solares. A la vez se incorpora el concepto de Confort Térmico, evaluado de acuerdo al Método de Fanger, con el cual se pretende mostrar la posibilidad de conseguir sistemas de calefacción eficientes.

Palabras Claves: Calefacción, Fanger, Sistema, Solar, Temperatura, Confort, Térmico.



Abstract

The department of Oruro is located in the occident of Bolivia, to 3605over of sea level. It is a department of the highland of the country. The temperatures average of the department are of 15 ºC; however in the months of winter this low temperature until an average of 5 ºC (-10 ºC for the mornings and 15 ºC in the afternoons), presenting adverse conditions to the sensation of comfort, making inconveniences the demurrage in study atmospheres. Although new several constructions exist for teaching classrooms, the few budget assigned for the educational activity and the lack of development of heating systems for the region, they have not allowed to endow to the formation centers with heating systems that improve the conditions of comfort of the classrooms, allowing to have better conditions in the place, eliminating factors that diminish the concentration of the students in classes. To the mentioned antecedents, the high cost of the conventional energies should be added for the use in heating, and its small area of influence of these; to do the study of leaning heating systems in alternative energies, appropriate to the conditions of life and environmental of the highland.

In the study it’s develops a prototype of heating system whose radiator is a radiant flagstone whose energy contribution will come from water heated by solar panels. At the same time it incorporates the concept of Thermal Comfort, evaluated according to the Method of Fanger, with which is sought to show the possibility to get efficient heating systems.


Key words: Heating, Fanger, System, Solar, Temperature, Confort, Thermal.

   
1. Introducción.

El departamento de Oruro está ubicado en el occidente de Bolivia, es parte del altiplano boliviano limitado por Chile al oeste, al norte por el departamento de La Paz, al este con Cochabamba y al sur con Potosí, es caracterizada por tener temperaturas bajas gran parte del año, siendo críticas en los meses de mayo, junio y julio, sobre todo en las primeras horas de la mañana.

Colateralmente, la concepción de confort térmico dentro la cultura regional no está muy difundida, siendo un comportamiento normal el soportar temperaturas bajas en los distintos ambientes laborales. Ese es el caso de los recintos educativos, caracterizados por construcciones amplias e iluminadas que estimulan el mejor desarrollo del proceso enseñanza aprendizaje; sin embargo en la mayoría de los casos no se toma en cuenta las condiciones de confort térmico, factor relevante que influye en el rendimiento del aprendizaje, además de ayudar a mantener una buena salud corporal.

En ese sentido el presente artículo resume el trabajo de investigación en el cual se estudia las condiciones térmicas de los ambientes de enseñanza, la sensación térmica que sienten los estudiantes, caracterizando la zona corporal que muestra el mayor disconfort y proponiendo un sistema de calefacción que disminuya el porcentaje de personas disconformes térmicamente con el ambiente, que además evalúe las condiciones de aislamiento térmico promedio de los alumnos, factor que incide en la cantidad de calor necesario a entregar para alcanzar el equilibrio térmico. A la vez considerando el reducido alcance de las fuentes de energía convencionales en el área rural del departamento de Oruro, se propone que el sistema de calefacción este asistido por energía solar.


2. La Problemática.

Las condiciones climatológicas de la ciudad de Oruro, por encontrarse en el altiplano boliviano y a una altura promedio de 3706 m.s.n.m. tiende a presentar temperaturas bajas, en promedio 15 ºC; sin embargo, en los meses de invierno esta temperatura baja hasta un promedio de 5 ºC (-10 ºC por las mañanas y 15 ºC por las tardes), presentando condiciones adversas a la sensación de confort, generando incomodidad durante la estadía en ambientes de estudio.

Se menciona también que, el bajo presupuesto de las unidades educativas y la falta de desarrollo de sistemas de calefacción para la región, no han permitido dotar a los centros de formación con sistemas de calefacción que mejoren las condiciones de confort de las aulas, eliminando factores que disminuyan la concentración de los estudiantes en periodo de clases.

A los antecedentes mencionados, se debe añadir el elevado costo de las energías convencionales para la utilización en calefacción, por cuanto amerita el estudio de sistemas de calefacción apoyados en energías alternativas adecuados a las condiciones de vida y ambientales del altiplano.

Dentro las energías alternativas, la energía solar es la más expectable destacando el valor de la irradiancia en la región (880 W/m2), energía que puede ser aprovechada para los propósitos planteados.

Por cuanto se puede enunciar que:

“Las aulas de formación en la región del altiplano, no cuentan con sistemas de calefacción sostenidos por energía solar, que mejoren las condiciones de confort para la estadía en las mismas”

A manera de direccionarla investigación, se han planteado las siguientes interrogantes:

- ¿Al aumentar la temperatura del piso de las aulas en época de invierno, el estudiante tendrá mejor sensación de confort, misma que le podría permitir prestar mayor atención a las clases y mejorar su rendimiento?


- ¿En el medio local y por las características del tipo de vestimenta y las costumbres en la forma de vestir, permitirán establecer una sensación de confort sin llegar a las temperaturas y condiciones establecidas internacionalmente?


- ¿Será posible utilizar la energía solar del para realizar el diseño de un sistema de calefacción sostenible y autónomo para ser instalado en las aulas de instrucción?

2.1. Objetivo General

Estudiar, diseñar, calcular y construir el prototipo de un sistema de calefacción asistido por energía solar, que beneficie a los centros de formación mejorando las condiciones de estancia en las aulas, mejorando el rendimiento, disminuyendo las molestias por el frio y la probabilidad de contraer enfermedades respiratorias.

3. Metodología del estudio de investigación

Los pasos seguidos para realizar el estudio se realizaron de acuerdo al diagrama de flujo mostrado a continuación:

Etapa 1.Inicia con la observación de la problemática y necesidad respecto a la carencia de condiciones confortables en los ambientes de enseñanza durante la época invernal. Para fundamentar la misma se procedió a la revisión bibliográfica sobre el caso.



Figura 1. Flujo grama de la Metodología de estudio.

Fuente: Elaboración Propia.


Etapa 2.En esta, se procede a documentar los parámetros base, a partir de los cuales se irá desarrollando el estudio, mencionar por ejemplo las condiciones climatológicas de Oruro, las características constructivas de las unidades educativas, la vestimenta tipo del ciudadano.

Etapa 3. Identificados los parámetros iníciales del estudio, se procede a realizar el diseño del sistema de calefacción, para lo cual se estima la cantidad de calor que se precisaría aportar al ambiente; se selecciona el tipo de calefacción más adecuado para el caso y se realiza el diseño del emisor de calor.

Etapa 4. Teniendo los requerimientos técnicos del sistema térmico se procede a diseñar y calcular el sistema hidráulico que viabilice la circulación del fluido calefactor.

Etapa 5. Finalmente se seleccionan los equipos solares capaces de cubrir la solicitación de agua caliente y energía eléctrica suficientes para cumplir con el objetivo.

Etapa 6. En la etapa final de la investigación se construye un prototipo del sistema de calefacción, en el cual se verifica valores teóricos calculados y supuestos o consideraciones asumidas al inicio del trabajo.

4. Recolección de Datos


La recolección de datos se presentará según cada etapa de la investigación.

4.1. Determinación de los Parámetros de Diseño

Características climáticas de la zona. Se ha documentado el comportamiento de la temperatura en los meses de invierno, vale decir desde mayo hasta agosto, tal como se aprecia en la gráfica:



Figura 2. Curvas Mes Junio (Temperatura exterior
por día y la curva promedio).
Fuente: Elaboración Propia.


A la vez, promediando las temperaturas por meses se determina el día más frio en el año, correspondiente al mes de Julio.

Figura 3. Curvas Promedio de los cuatro
meses más fríos del año.
Fuente: Elaboración Propia.

Previendo la necesidad de controlar o estimar el comportamiento de la temperatura para regular el suministro de energía se procedió a modelar la curva de la temperatura ajustándola con ecuaciones poli nómicas.


Figura 4. Curvas día de diseño promedio con sus ecuaciones polinómicas.
Fuente: Elaboración Propia.

Determinación de un ambiente de enseñanza característico. Se procede a un estudio de campo en el cual se visita las edificaciones de varios colegios de la ciudad, además de las aulas de la universidad, en estos se constata un tipo preponderante de construcción resumido en la tabla siguiente:

Tabla 1. Características constructivas de las U.E.


Fuente: Elaboración Propia.

Misma referencia se aprecia en la fotografía a continuación:


Foto 1. Construcción típica de las U.E.
Fuente: Elaboración Propia.

Para efecto de estudio, sin que esto conlleve a muchos errores, el ambiente característico de enseñanza es de forma rectangular, con paredes de ladrillo de seis huecos, sin revoque exterior, con una altura promedio de 2.5 [m], un revoque interior con entramado de estuco de un centímetro de espesor, ventanales amplios con marco metálico, puerta de madera, contemplando en ambos pisos cielo raso.

Revisión de los Parámetros de Sensación Térmica. El cuerpo humano se puede considerar como una máquina térmica que intercambia energía con su entorno, en forma de calor y humedad. Se alcanza el confort térmico, sólo si hay equilibrio entre el calor producido por el metabolismo y las diferentes formas de disipación como ser:

- Transferencias conductivas, por contacto entre el cuerpo y otros sólidos: por ejemplo, los pies con el suelo, o la mano con una mesa.

- Transferencias convectivas: piel, ropa, o circulación de aire en los pulmones.

- Transferencias por radiación desde la piel o la ropa, hacia el entorno.

- Transferencias latentes debido a los procesos de respiración, o evaporación transpiración.

Por tanto en esta etapa se va a determinar los valores de los factores de aislamiento térmico de ropa y metabolismo característicos.

Nivel Metabólico, que se refiere a la cantidad de calor que genera el cuerpo al realizar una actividad física determinada; como se aprecia, cuando una persona realiza actividad de escritorio, se estima un nivel metabólico de 1.1 met. Ahora un met equivale a una pérdida de calor de 58 W/m2, y como una persona promedio tiene 1.7m2 de extensión de piel, entonces la pérdida de calor por metabolismo de la actividad es aproximadamente de 100 W.



Figura 5. Ejemplos de niveles metabólicos.
Fuente: Luis Serrano, 2004.

Nivel del Aislamiento de la ropa (CLO), hace referencia a la ropa, que reduce la pérdida de calor del cuerpo. Por lo tanto, la ropa se clasifica según su valor de aislamiento. La unidad usada para medir el aislamiento de ropa es la unidad Clo, aunque también se utiliza la unidad más técnica de m2°C/W (1 Clo = 0.155 m2°C/W).


Figura 6. Ejemplos de niveles de aislamiento térmico por tipo de vestimenta
Fuente: Luis Serrano, 2004.

Para el cálculo del factor [clo] es necesario realizar una recopilación del tipo de vestimenta común mínima que usan los estudiantes durante la época de frío.


Figura 7. Algunos valores de [clo]
por tipo de vestimenta
Fuente: Luis Serrano, 2004.

Luego de realizar encuestas en ambientes de la Carrera de Ingeniería Mecánica, en los primeros periodos de clases, se obtuvo los siguientes valores:

Factor MET     Factor CLO

1.2        1.18
 
Parámetros que inciden en la Sensación Térmica. La primera asociación que surge de la palabra confort, y por extensión de confortabilidad, es la comodidad. Esta relación coincide con la definición que generalmente se le asigna al término en los distintos diccionarios de lengua. A partir de esta, son innumerables las definiciones mas especificas, destacando aquellas que presenta la Organización Mundial de la Salud, que lo describe como “un estado de completo bienestar físico, mental y social” y ASHRAE “la sensación mental que expresa la satisfacción con el ambiente térmico” (ASHRAE, 1971). Sin embargo si bien el confort térmico involucra muchas variables, por operatividad del estudio, se optó por asumir algunos de los factores menos incidentes como valores constantes.

La temperatura: para la cual se consideraban los valores de confort a 25ºC en verano y 22ºC en invierno (esto contemplando se lleva una ropa ligera).

La humedad: gran parte del calor que posee el cuerpo humano se disipa por evaporación a través de la piel. Como quiera que la evaporación se ascelera con la baja humedad relativa del aire y se retarda si ésta es alta, se deduce que la regulación de la humedad tenga una importancia tan vital como la de la temperatura; se consideraba como valor confortable de humedad relativa la de 50% en verano y 65% en invierno.

El movimiento de aire: El movimiento del aire sobre el cuerpo humano incrementa la proporción de humedad y calor disipados con respecto a la que correspondería a un aire en reposo, dando ello lugar a que la sensación de calor y frío experimente variación. El aire que nos rodea está en constante movimiento, considerando como valor adecuado los 0,25 m/s a una altura del suelo inferior a 2 m.

Una velocidad mayor produce un efecto desagradable, que se hace difícil de soportar, tanto más cuanto menor sea la temperatura del aire. Una velocidad inferior a 0,1 m/s produce así mismo una sensación de falta de aire, que ocasiona también molestias.

La pureza del aire: las personas respiramos normalmente, alrededor de 15 Kg de aire cada día, por lo que debemos de considerar la importancia que tiene su adecuada limpieza y renovación. La composición física y química del aire comprende un determinado número de elementos diversos. La disminución de la proporción de oxígeno contenido, así como el aumento del anhídrido carbónico, debido a la combustión fisiológica son factores raramente importantes a causa de la pequeña ventilación que se requiere para anular sus efectos.

4.2. VALORACIÓN DEL CONFORD TÉRMICO

Para la valoración del confort térmico al tratarse de una manifestación subjetiva se han desarrollado varios índices sin embargo ninguno garantiza una eficacia absoluta.

Si bien los factores mencionados se siguen tomando en cuenta, cuando se busca el equilibrio en el balance energético del cuerpo y el ambiente, se debe también considerar la actividad que uno realiza y como está vestido principalmente, además de otros elementos influyentes; con esas consideraciones se listan los índices de confort propuesto históricamente.

Tabla 2. Índices de confort propuesto históricamente.


Fuente: Ergonomía, confort y estrés térmico, UPC 1999.

4.3. ECUACION DE FANGER

La ecuación comúnmente admitida, para la valoración de la sensación térmica global, fue establecida por el Prof. FANGER de la Universidad de Lyngby, en Dinamarca. Este, analizó las sensaciones de confort experimentadas por más de 1.300 sujetos sometidos a diversas condiciones climáticas concluyendo que el confort se logra cuando:

1) Se cumple el equilibrio térmico

2) La tasa de sudoración esté dentro de los límites de confort.

3) Que la temperatura media de la piel esté dentro de los límites de confort

Los resultados de estos ensayos, conducen a una expresión matemática, que expresa el PPD (porcentaje de personas insatisfechas) obtenido a través del cálculo del PMV (Voto Medio Estimado).

La obtención de los índices sigue la evaluación de la expresión siguiente:



Figura 8. Ecuación del voto Medio Estimado
Fuente: ergonautas.com. Evaluación de la sensación térmica

Donde M-W es el calor generado por el cuerpo humano y los demás términos son las pérdidas de calor





Figura 9. Balance térmico corporal s. Fanger
Fuente: ergonautas.com. Evaluación de la sensación térmica



1: Pérdida de calor difusión a través de la piel.

2: Pérdida de calor por sudor (comodidad).

3: Pérdida de calor latente por respiración.

4: Pérdida de calor seco por respiración.

5: Pérdida de calor por radiación.

6: Pérdida de calor por convección.

7: Pérdida de calor

4.4. DISEÑO DEL SISTEMA DE CALEFACCIÓN

Selección del Tipo de Calefacción. Dentro del desarrollo del sistema de calefacción asistido por energía solar, se hace indispensable la selección y cálculo térmico de un emisor de calor, para ello se tiene información de emisores que aprovechan distintos principios de funcionamiento, también se tienen variedad de diseños y disposiciones de instalación que deberán ser analizados para de ellos elegir el más conveniente.



Mediante una matriz de decisión se analizarán y compararán cuantitativamente las características de cada emisor, de tal forma que se le asigne un valor en función a lo ventajoso ó desventajoso que es respecto a un criterio de selección según el siguiente detalle:



CRITERIO DE SELECCIÓN

Complejidad Para su Construcción:

Si es posible construirlo a un costo razonable con los medios, materiales y tecnología disponibles en talleres de la ciudad, además considera también los trabajos secundarios que exige su instalación.

Eficiencia en la transmisión de calor:

Según su principio de funcionamiento si el emisor distribuye o no convenientemente el calor que emite, además si la transferencia de calor se adecua a la calefacción.

Exigencias de Mantenimiento:

Son las condiciones, accesibilidad, frecuencia, costo e inconvenientes que impone el mantenimiento del sistema estudiado.

Equipos secundarios:

Analiza los equipos que se requieren para que el emisor funcione correctamente, como ser reguladores de presión, trampas de vapor, válvulas de seguridad, llaves de paso, termostatos, presostatos, etc.

Nivel Sonoro:

Debido a que los emisores estarán instalados en el interior del aula el nivel sonoro de funcionamiento no deberá perturbar el normal desarrollo de la clase.



Cada criterio de selección será aplicado al emisor en cuestión obteniéndose un valor numérico que exprese su ventaja o desventaja respecto del criterio; según la siguiente clasificación:



Tabla 3. Niveles de valoración para la selección de un emisor adecuado.



Nivel de ventaja Valoración

Muy Desfavorable. 1

Desfavorable. 2

Indiferente. 3

Favorable. 4

Muy favorable. 5

Fuente: Elaboración Propia.



La valoración realizada se refleja en el cuadro resumen siguiente:



Tabla 4. Evaluación de los modelos de emisores estudiados.

Tipo de emisor Valoración



Suelo Radiante 14

Emisor de piso, tubos desnudos 18

Emisor de piso, superficies extendidas 19

Emisor de piso rectangular c/ deflectores 16

Emisor con fluido aire 15

Fuente: Elaboración Propia.

Luego de evaluado los diversos modelos de emisores, el emisor de piso con superficies extendidas es el que mayor puntuación logró alcanzar (19 puntos) y por ende es el emisor seleccionado para el presente proyecto.

Para el cálculo del mismo se consideraron los parámetros siguientes:

• Temperatura del agua a la entrada del emisor procedente del sistema de calentamiento solar: Tagua = 50 [°C]

• Incremento de la temperatura ambiente por razones de confort: ΔTamb = 11 [°C]

• Del cálculo de la carga térmica, se conoce que la cantidad de calor que debe aportar cada emisor es: Q = 300 [W]

• Presión atmosférica para Oruro: Patm = 65,2 [kPa]

• Se utilizarán tubos de cobre de 3/8’’ y el radio de doblado para los tubos es de 76 mm de eje a eje



Figura 10. Esquema del emisor de aletas extendidas

Fuente: Elaboración Propia.



Después de realizar cálculos iterativos apoyados en el software E.E.S. (Equation Engineering Solver), se obtuvieron estos resultados:



Área de transferencia de calor del emisor [m2] Temperatura en la superficie del emisor [°C]

1.17 29.94





Figura 11. Grafica temperatura de superficie del emisor vs. espesor del aislante.

Fuente: Elaboración Propia.



La figura 11, muestra una de las consideraciones importantes en el diseño del emisor siendo esta la temperatura de superficie. Ocurre que teniendo valores de temperatura de agua de 45ºC a 50ºC, la temperatura de superficie del emisor, que llegaría ser ka temperatura del suelo alcanza valores superiores a 25ºC, valor que provoca incomodidad por sobrecalentamiento de los pies. Dicho problema se a encarado regulando el espesor del aislante entre la tubería de agua caliente y la superficie del emisor.



Selección del sistema termo solar. En el desarrollo del Sistema de Calefacción Asistido por Energía Solar, se hace indispensable la selección de dos tipos de COLECTORES de energía solar; el primero será aquel que convierta la energía solar en energía eléctrica, conocido también con el nombre de KIT FOTOVOLTAICO, y el segundo tendrá que convertir la energía solar en calor, mismo que será transmito al agua, fluido transmisor de calor.

En la primera etapa, el objetivo es seleccionar un KIT FOTOVOLTAICO para que recolecte energía solar y convirtiéndola en energía eléctrica, la cual será empleada para hacer funcionar la bomba de calefacción para la circulación del agua.

Como procedimiento, primeramente se define el tiempo crítico de funcionamiento del sistema de calefacción; así De la curva promedio de temperaturas de la época de invierno, se elige la hora en la cual la temperatura es más baja y además es periodo académico.

De la gráfica del DIA TIPO DE DISEÑO, se obtienen los valores solicitados.





Figura 12. Grafica de la hora de diseño y la temperatura de trabajo.

Fuente: Elaboración Propia.



Las temperaturas más bajas se registran desde las 7:00 de la mañana hasta las 9:00 de la mañana, por cuanto se estima dos horas de suministro de energía eléctrica.

En el mercado se encontró el siguiente tipo de bomba, UPS 25-60 para la cual, considerando su tiempo de funcionamiento, se recomienda utilizar una batería Solar 150 A*hr con colectores solares monocristalino de 85W 12V, instalados de acuerdo al esquema siguiente:



Figura 13. Esquema de instalación del Kit Fotovoltaico.

Fuente: Elaboración Propia.



Construcción del prototipo.El trabajo que debe realizar el prototipo se puede expresar de forma resumida en el esquema a continuación:



Figura 14. Esquema de funcionamiento del prototipo.

Fuente: Elaboración Propia.



Con los datos de funcionamiento del emisor, se procedió a la construcción del prototipo, trabajo estructurado por los siguientes componentes:

- Construcción del acumulador de agua, que para efectos experimentales se hizo con recipientes plásticos forrados con lana de vidrio como aislante.

- Construcción del emisor, realizado con tubería de cobre de 9mm de dinámetro distribuido en forma de serpentín, teniendo como base cartón prensado (que a la vez trabaja como aislante), y en la parte superior se ha colocado machimbre, variando su espesor para regular la temperatura de superficie.





Foto 2. Construcción del acumulador de agua.

Fuente: Elaboración Propia.



Toma de datos con el prototipo. En el intento de realizar pruebas con el prototipo en el ambiente de estudio (aula 5); en el cual previamente se realizaron mediciones de la temperatura interior y de la temperatura exterior, se realizan pruebas controlando las siguientes variables: la temperatura del ambiente, la temperatura de globo, la temperatura de piso y la temperatura de la losa radiante, que se contrastarán respecto a la temperatura exterior.





Foto 3. Instalación del Acumulador de Agua.

Fuente: Elaboración Propia.



Con los datos recolectados se calculará la diferencia de temperaturas entre la temperatura interior y la temperatura exterior; además de hallar las graficas de comportamiento de las diferentes temperaturas medidas en el interior del ambiente de estudio.



Foto 4. Toma de datos sobre la losa radiante.

Fuente: Elaboración Propia.



La toma de datos genera varias gráficas de las cuales se destacan las siguientes.



Figura 15. Datos de temperatura tomados el 23 de enero de 2009

Fuente: Elaboración Propia.





Figura 16. Datos de temperatura tomados el 24 de enero de 2009

Fuente: Elaboración Propia.

5. Análisis

Como primer análisis, se destaca la irregularidad de los valores de la temperatura exterior, variaciones debidas a corrientes de aire y disminución repentina de la radiación solar por presencia de nubes.

Se ve la relativa uniformidad de la temperatura interior y de globo, sostenida en los puntos de inflexión por picos de la temperatura de la losa. La temperatura del piso, contrariamente a lo esperado se mantiene pegado a la temperatura de la losa.

De cualquier manera se evidencia el aporte puntual del calor entregado por la losa radiante para mantener la uniformidad de la temperatura de ambiente.

El segundo análisis busca validar el concepto de aporte de calor en calefacción por un emisor de piso, este, se hace empleando el método de Fanger, el cual mediante sus índices PMV (Voto Medio Estimado) y PPD (Porcentaje estimado de Insatisfechos) nos ayudan a analizar e interpretar el bienestar térmico de la persona.

Basándonos en la Norma ISO 7730:2005 que enuncia las ecuaciones del método de Fanger se formularon cuestionarios a alumnos de la Carrera de Ingeniería Mecánica, más propiamente a los alumnos que cursan materias en el ambiente de estudio.

En este, se ha obtenido un índice PMV de -0.45, que representa una ligera sensación de frio, pero entra dentro el rango de aceptable; por otro lado se tiene el índice PPD igual a 9%, valor que corrobora la aceptación de las condiciones del ambiente.

El tercer análisis realizado, se refiere a un cálculo de reingeniería, es decir, con los valores de “CLO” y “MET” encontrados, cuanto será la diferencia de temperatura que debería existir para entrar dentro de un índice PMV de +/-0.5. En este caso se pudo obtener valores de incrementos de temperatura inferiores a los estimados inicialmente, con un salto de 7ºC, con las condiciones térmicas del ambiente y los estudiantes podemos tender a alcanzar el equilibrio térmico corporal.

6. Conclusiones

Realizada la investigación acerca de un sistema de calefacción asistida por energía solar para mejorar las condiciones de confort en las aulas, se concluye:

- No existe una base de datos completa referente a las condiciones climáticas de la zona, siendo importante formalizar esta para posibilitar estudios futuros que involucren estos valores.

- Aunque de un periodo de tiempo pequeño, se pudo estudiar el comportamiento de la temperatura exterior e interior en los ambientes de enseñanza, y se evidencia que en horarios de la mañana, gran parte de las aulas No Presentan condiciones adecuadas para llevar adelante una clase desde el punto de vista de confort térmico.

- En el campo académico se pudo incorporar dentro los estudios de la U.T.O. el concepto de CONFORT TÉRMICO basado en el método de FANGER de acuerdo a la norma ISO 7730 publicado el año 2006.

- Se pudo corroborar el supuesto realizado, en el que para alcanzar un balance térmico equilibrado, considerando un valor de CLO alto (1,2) y un MET de trabajo de escritorio (1,2), la carga térmica a aportar al ambiente es mucho más pequeña que aquella calculada siguiendo las condiciones de confort planteadas en las normas internacionales. La relevancia de este resultado se orienta en una importante reducción del tamaño del sistema calefactor y reducción del consumo.

- A la vez, se comprueba que la sensación térmica de frio preponderante cuando una persona está sentada es por conducción en la zona de los pies, criterio que direcciona a los sistemas de calefacción a aislar los pisos de los ambientes para reducir su efecto.

7. Referencias Bibliográficas.

1. W. F. Stoecker, Refrigeración y Acondicionamiento de Aire, Poligráfica S.A., México, 1978.
2. TAREB, Energía y Confort Edificios, http://editorial.cda.ulpgc.es.
3. Luis Rosales, Confort Térmico, http://red.fau.ucv.ve.
4. M. Victoria Mercado y Alfredo Estévez, Sistema De Calentamiento Solar Para Viviendas De Bajo Costo Sin Fachada Hacia Ecuador, ftp://ftp.cricyt.edu.ar/pub/lahv/asades/2005/art069.pdf.
5. Método de Fanger http://editorial.dca.ulpgc.es
6. Carrier. “Manual de Refrigeración y Acondicionamiento de Aire”, España.
7. M. Ruiz O., Investigación, http://www.docentes.utonet.edu.bo/mruizo  

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