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ESCUELA DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO FIN DE CARRERA PROCESO DE IMPLEMENTACIÓN DE CALEFACTORES SOLARES PARA PROYECTOS DE COOPERACIÓN AL DESARROLLO Alumno: Javier Allanegui Garnelo Directores: Victor Tabuenca Cintora Beatriz Rodríguez Soria Ingeniería Técnica Industrial Mecánica ZARAGOZA, mayo de 2013 2 Índice 1 ANTECEDENTES ....................................................................................................................................... 4 2 OBJETIVOS Y METODOLOGÍA .................................................................................................................. 6 2.1 OBJETIVOS .................................................................................................................................................... 6 2.2 METODOLOGÍA .............................................................................................................................................. 6 3 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNIDAD ................................................................................ 8 3.1 ÁMBITO TERRITORIAL ...................................................................................................................................... 8 3.2 LÍMITES DEL CASERÍO ....................................................................................................................................... 9 3.3 CLIMA ........................................................................................................................................................ 10 3.4 RELIEVE, VEGETACIÓN Y FAUNA ....................................................................................................................... 10 3.5 VÍAS DE ACCESO Y COMUNICACIÓN. ................................................................................................................. 10 3.6 DISTRIBUCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LAS VIVIENDAS. .......................................................................................... 11 3.7 SERVICIOS BÁSICOS. ...................................................................................................................................... 11 3.7.1 Agua y Saneamiento. ..................................................................................................................... 11 3.7.2 Servicio de energía para alumbrado en las viviendas .................................................................... 12 3.8 CARACTERÍSTICAS DE LA POBLACIÓN. ................................................................................................................ 12 3.9 DESARROLLO DE CAPACIDADES. ....................................................................................................................... 13 3.10 INGRESO FAMILIAR. .................................................................................................................................. 13 4 FUNDAMENTOS TEÓRICOS .................................................................................................................... 14 4.1 CONCEPTOS GENERALES ................................................................................................................................. 14 4.2 PROCESO DE TRANSMISIÓN DE CALOR POR RADIACIÓN SOLAR ................................................................................ 15 4.3 TECNOLOGÍA MURO TROMBE ......................................................................................................................... 18 4.3.1 Importancia de la Inercia Térmica .................................................................................................. 19 4.3.2 Efecto termosifón ........................................................................................................................... 20 5 DISEÑOS ................................................................................................................................................ 21 5.1 VERTICAL .................................................................................................................................................... 21 5.2 INCLINADO .................................................................................................................................................. 22 5.3 HORIZONTAL ................................................................................................................................................ 23 5.4 INVERNADERO .............................................................................................................................................. 24 5.5 LATAS ......................................................................................................................................................... 26 5.6 ALAMBRES Y PIEDRAS..................................................................................................................................... 27 6 ANÁLISIS COMPARATIVO ...................................................................................................................... 28 6.1 VIDRIO Y PLÁSTICO ........................................................................................................................................ 28 6.2 COMPARACIÓN CUALITATIVA DE MODELOS ARTESANOS ........................................................................................ 29 7 ELECCIÓN ............................................................................................................................................. 31 7.1 ELECCIÓN DEL MODELO APROPIADO .................................................................................................................. 31 7.2 ELECCIÓN DEL MATERIAL DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN ..................................................................................... 32 8 ESTUDIO CLIMATOLÓGICO Y TERRITORIAL ............................................................................................ 34 8.1 INTERVALOS DE TEMPERATURAS AMBIENTALES ................................................................................................... 34 8.2 RADIACIÓN .................................................................................................................................................. 34 8.3 PRECIPITACIONES .......................................................................................................................................... 35 8.4 VIENTO ....................................................................................................................................................... 35 8.5 ORIENTACIÓN .............................................................................................................................................. 35 8.6 SOMBREAMIENTOS ....................................................................................................................................... 36 9 DIMENSIONADO ................................................................................................................................... 37 9.1 HERRAMIENTAS PARA EL DIMENSIONADO .......................................................................................................... 37 9.1.1 Área horizontal y vertical del muro: ............................................................................................... 38 3 9.1.2 Inclinación y longitud de la base: ................................................................................................... 38 9.1.3 Nº de orificios y diámetro: ............................................................................................................ 39 9.2 APLICACIÓN AL CASO ..................................................................................................................................... 40 9.2.1 Cálculo teórico en base a las herramientas dadas ......................................................................... 40 9.2.2 Justificación estructural .................................................................................................................. 41 9.2.3 Análisis de los sombreamientos ..................................................................................................... 44 9.3 PRESUPUESTO: MATERIALES Y HERRAMIENTAS ................................................................................................... 46 10 SIMULACIONES TÉRMICAS .................................................................................................................... 47 10.1 OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 47 10.2 METODOLOGÍA ........................................................................................................................................ 47 10.3 MODELOS ANALIZADOS ............................................................................................................................. 48 10.4 RESULTADOS ........................................................................................................................................... 50 10.4.1 Estado Actual ............................................................................................................................. 50 10.4.2 Casa con Invernadero ................................................................................................................ 51 10.4.3 Casa con Invernadero y sellado ................................................................................................. 52 10.4.4 Casa con Invernadero, sellada y aislada .................................................................................... 53 10.4.5 Modelo CFD del dormitorio ....................................................................................................... 54 10.4.6 Modificaciones del aislamiento y la masa térmica .................................................................... 56 10.5 CONCLUSIONES ........................................................................................................................................ 57 11 INSTALACIÓN ....................................................................................................................................... 59 12 CONCLUSIONES GENERALES .................................................................................................................. 60 13 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................................... 61 4 1 Antecedentes La energía solar se presenta como una solución atractiva a los problemas energéticos de los países en desarrollo, en los que la intensidad de la radiación frecuentemente es alta. Su explotación es tecnológicamente simple y, por su naturaleza descentralizada. Se pueden distinguir tres formas de utilización de energía solar:  Energía solar para transformar biomasa por fotosíntesis.  Energía solar transformada en electricidad (fotovoltaica).  Energía solar transformada en calor. Centrándonos en esta última, observamos que tiene muchos y muy diferentes usos, entre los más difundidos y las aplicaciones más importantes de la energía solar térmica, tenemos por ejemplo; calentamiento de agua para uso doméstico, cocción de alimentos, secado de productos agrícolas, desalinización de agua, esterilización de instrumentos clínicos, refrigeración y calefacción de viviendas, entre otros. La instalación de sistemas de calefacción solar, son una alternativa para las zonas rurales aisladas que cuenten con aceptables índices de radiación solar. Bajo esta premisa se plantea la instalación de muros Trombe dentro del proyecto Pucara II, que Ingeniería sin Fronteras Aragón y Practical Action, llevan a cabo en el caserío de Pucara, del distrito de Tumbaden, provincia de San Pablo, en Cajamarca, Perú. La tecnología propósito de este documento, los Muros Trombe, nacen de la necesidad de aumentar las temperaturas en el interior de las viviendas en las noches altoandinas, donde las mínimas pueden rondar los 0º C. Estas condiciones, sumadas a las casi inexistentes medidas de aislamiento en las viviendas, provocan graves problemas de salud sobre todo en los más pequeños, además de afectar muy negativamente a la calidad de vida de estas comunidades. La implementación de la tecnología muro Trombe, tiene una base legal sustentada en el Decreto de Urgencia N° 019-2008 (04.06.08) donde se declara de Interés Nacional la implementación y aplicación de la tecnología alternativa de calefacción “Sistema Pasivo de Recolección de Energía Solar de Forma Indirecta” denominada MURO TROMBE. El trabajo que a continuación se expone comenzó en agosto de 2011 con el diagnóstico y análisis sobre el tipo de muro Trombe que podría ser más conveniente para zonas rurales altoandinas aisladas, que se adecuara a las condiciones climáticas y sociales del entorno, y cubra las necesidades existentes. Tomándose como referencia estudios y experiencias realizadas en Perú, por otras organizaciones, así como el estudio propio de los requisitos del sistema en función de las condiciones de su futuro emplazamiento. A partir de estos estudios se calculó y diseñó la tecnología que finalmente cumplía los requerimientos y se instaló un muro Trombe piloto los primeros días de octubre de 2011, después de haber realizado la pertinente identificación sobre el terreno. En objetivo final de este proyecto es la instalación de varios Muros en el mismo caserío, así como impulsar y promover la capacidad de que esta misma tecnología sea replicada por los propios beneficiarios y reconocida por los gobernantes de las distintas municipalidades de la zona. Además de realizar talleres explicativos sobre el funcionamiento, repercusión y cuidados, se convocó a todo el que estaba interesado, a acudir a la instalación del Muro Trombe piloto, a fin de conseguir involucrarles más en el entendimiento del funcionamiento, montaje y mantenimiento. La utilización de los Sistemas Pasivos de Recolección de Energía Solar de Forma Indirecta en el Perú: Son varios los ejemplos de utilización de estos sistemas en Perú y muchos también los ejemplos de utilización de los muros Trombe para acondicionar viviendas altoandinas. Uno de los organismos 5 que más experiencia tiene en la instalación de muros Trombe, es el Servicio Nacional de Capacitación para la Industria de la Construcción (SENCICO). Este organismo fue protagonista de la Resolución Ministerial N°627-2008-VIVIENDA (30.09.08) del Gobierno de Perú, en la que se aprueba una transferencia financiera de 15.4 millones de soles a favor de SENCICO, para desarrollar la capacitación y aplicación de técnicas para la instalación de muro Trombe en zonas alto andinas. Con este presupuesto se abarca la instalación de 17.714 calefactores ubicados a más de 3.500 m de altura, en las zonas de Arequipa, Cusco, Huancayo, Ica, Puno y Tacna, según el Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento. En un primer juicio, parecen ser el referente en el cual apoyarse, para la iniciación de un proyecto de muros Trombe. Son muchos los medios de comunicación que han hablado maravillas de los resultados de la instalación de calefactores por parte del SENCICO, cifrando el incremento medio de las temperaturas dentro de las viviendas, en 15º C. Pero también son muchas las voces, más independientes que los medios, que arremeten duramente contra los resultados de esta tecnología tal y como se está instalando. Una de estas voces, es la del Ingeniero Miguel Hadzich, profesor de la PUCP (Pontifica Universidad Católica del Perú) y director del Grupo de apoyo al sector rural, quién opina acerca de la instalación de muros Trombe de la mano de SENCICO, dando una valoración muy negativa a la misma. Según su experiencia, incluidas visitas a las comunidades en cuestión, los muros se están instalando mal principalmente por que no se orientan, se ponen en muchas ocasiones, en cualquier muro de la casa. Haciendo una similitud con otras tecnologías más conocidas, hacer un muro Trombe que no esté orientado en dirección del sol, sería próximo a instalar un aerogenerador en una zona donde nunca hubiera viento. Además de la orientación, la inclinación es otro factor fundamental para el buen funcionamiento de estos calefactores. El proyecto del SENCICO instala muchos de sus muros Trombe con 90º de inclinación, es decir, verticales, en un país donde el radiación del sol tiene una inclinación de alrededor de 83º, algo que no tiene mucha lógica si de verdad se ha estudiado el tema. SENCICO no solo ejerce como parte ejecutora en la instalación de muros Trombe, también certifica la validez técnica de los calefactores. Es así como en la presentación sobre «La Participación comunitaria en la implementación de muros Trombe editado en Abril de 2009 por la Organización Panamericana de la Salud (OPS) se establece que «en el marco del Proyecto UNETE, la OPS puso en marcha la tecnología muro Trombe en comunidades de Cusco y Puno, cuya validez técnica fue demostrada por el SENCICO y el SENAMHI» Otra experiencia más lógica, es por ejemplo la de la PUCP y su Grupo de apoyo al sector rural, en comunidades como Langui o Yanaoca en Cusco, que propone un diseño inclinado a 70º y con plástico, que abarata drásticamente los costes. Basándonos en su experiencia en la instalación de calefactores, siguiendo algunas de sus publicaciones (Koñiwasi - Casa caliente) y con su apoyo para resolver cualquier tipo de duda, se ha intentado elaborar un estudio que concluya con un diseño apropiado para la instalación de esta tecnología en el caserío de Pucara. 6 2 Objetivos y metodología 2.1 Objetivos  Recopilar y clasificar información de los distintos modelos de muro Trombe aplicables en una localización concreta, así como los mejores materiales para su construcción, atendiendo a las características técnicas y socioeconómicas de los mismos.  Elaborar y argumentar el proceso de elección de la tecnología más apropiada para el entorno y las circunstancias de un caso real, enmarcado en un proyecto de cooperación.  Aportar los conocimientos y herramientas necesarias para el proceso de diseño e instalación de muros Trombe, en cualquier localización existente.  El documento final debe servir como manual, proporcionando las herramientas necesarias para la implementación de estos sistemas solares pasivos.  Demostrar la validez de la tecnología elegida, comprobando los aumentos de confort debidos a la instalación de la misma, gracias a la simulación del progreso de las temperaturas anuales para cada uno de los casos de interés.  Llevar a cabo la instalación de un calefactor solar. 2.2 Metodología En primer lugar se ha realizado un diagnóstico de la comunidad donde se pretenden instalar nuestros calefactores solares. Este trabajo se realizó en sintonía con los trabajadores de la ONGD, Soluciones Prácticas Cajamarca, que viene trabajando tiempo atrás en la zona en cuestión. Se basa en un diagnóstico muy desactualizado que se realizó con motivo del programa de instalación de regadíos que se llevó a cabo en el caserío de Pucara, y fue debidamente actualizado durante el mes de Julio de 2011, con la ayuda de sociólogos de la asociación antes citada. Una vez recabadas y ordenadas las características del territorio, se procedió a valorar las diferentes opciones tecnológicas existentes para aumentar las temperaturas de las viviendas gracias a la captación de energía solar. Se valoraron las condiciones técnicas y socio-económicas de cada una, así como se elaboraron presupuestos precisos de las mismas, expresados en función de los precios y la moneda local. Examinadas todas las tecnologías se realizó una comparación de las propiedades de cada una, en la que se incluyó un breve estudio sobre los distintos materiales posibles para la elaboración de la superficie de captación. De este análisis comparativo, surge un proceso razonado y argumentado de elección, que culmina con la elección del modelo más apropiado para el caso que nos ocupa. La siguiente fase fue sumergirnos en el proceso de estudio más profundo de las características climatológicas y territoriales que condicionan directamente el futuro diseño de nuestro sistema (Temperaturas, radiación, relieves...). Consecuencia de un adecuado trabajo en el anterior apartado, comenzamos el diseño. Para ello nos basamos principalmente en la experiencia de algunas organizaciones peruanas en la instalación de este tipo de muros Trombe, en concreto, se mantuvo contacto con el Grupo de apoyo al sector rural de la Pontificía Universidad Católica de Perú, en Lima. Se coordinó con ellos un proceso de formación en el que se incluían todos los estudios y experiencias que ellos habían adquirido sobre el tema y una visita de 3 jornadas, del 1 al 3 de agosto de 2011, con la investigadora Urphy Vazquez. 7 Compilado e interiorizado el material, se pasó a la aplicación de dichas herramientas de dimensionamiento a un caso práctico, enmarcado dentro del proyecto de cooperación al desarrollo “Mejora de las condiciones de vida de los habitantes del caserío de Pucara”, que ISF y Soluciones Prácticas ejecutan coordinadamente. Para la toma de medidas, búsqueda de orientación y el resto de las actividades previas a la instalación, se trasladó el equipo necesario el día 15 de septiembre. Con nuestro diseño realizado, se procedió a la simulación de dicho modelo, a fin de verificar su correcto funcionamiento, tanto como establecer una correcta secuencia de actuación durante la instalación. Para ello se simuló el efecto de las sombras en nuestro sistema con el programa Google Sketch Up 8, con el que se determinó que nuestro captador recibe suficiente insolación durante prácticamente la todo el año. Para las simulaciones térmicas se realizó un modelo con Design Builder 2.3.6.005 con el motor de cálculo ENERGY PLUS 6.0.0.023. Con los resultados de dichas simulaciones se elaboraron las necesarias tablas y gráficas con la hoja de cálculo Microsoft Excell 2010. Por último, nuestro calefactor solar se instaló, los días 5, 6 y 7 de octubre de 2011. 8 3 Características generales de la comunidad En este apartado se ha realizado un concienzudo diagnóstico de las características climáticas, territoriales y socio-económicas de la comunidad, con el fin de aportarnos información útil para la correcta elección de nuestra tecnología, así como para la adecuada implementación de la misma. Los datos para realizar dicho diagnóstico, fueron recopilados para la planificación del proyecto, y han sido complementados por los datos surgidos de talleres y reuniones con la comunidad, durante los meses de agosto y septiembre de 2011. 3.1 Ámbito Territorial El caserío Pucará pertenece al distrito de Tumbadén, en la provincia de San Pablo, está enmarcado administrativa y políticamente dentro de la Región de Cajamarca. Su extensión geográfica es compleja y presenta áreas que se encuentran entre los 3.100 a 4.000 msnm aproximadamente. Mapa de la Región Cajamarca y Ubicación de la Provincia de San Pablo, Fuente: Plan de Acondicionamiento Territorial de la Provincia de San Pablo 9 3.2 Límites del Caserío El Caserío de Pucará limita: • Por el Norte: con el distrito de San Silvestre de Cochan, Provincia de San Miguel. • Por el Sur: con el distrito de Chetilla, Provincia de Cajamarca. • Por el Este: con el caserío el Progreso, distrito de Tumbaden, Provincia de San Pablo. • Por el Oeste: con el caserío Peñan Blanca, distrito de Tumbaden, Provincia de San Pablo. 1 Mapa de la Provincia de San Pablo y Ubicación de Caserío Pucará 16 Las ondas más energéticas son aquellas de mayor frecuencia (v) o lo que es lo mismo de poca longitud de onda (λ). Como demuestra la expresión de la energía de un protón: E = h · ν (siendo h la constante de Planck de valor 6,6256·e-34 Js.) y la velocidad de un fotón se entiende como: C = λ · ν siendo v = C / λ sustituyendo para la expresión de la energía: E = h · (C / λ) Como consecuencia de este fenómeno, dos cuerpos colocados en el vacío que están a diferentes temperaturas alcanzan el equilibrio térmico debido a que el de menor temperatura recibe energía radiante del otro cuerpo de mayor temperatura. Cuando la energía radiante es absorbida por un cuerpo, se transforma en calor; no obstante la energía radiante también puede ser reflejada (difundida) o refractada (propagada) por los cuerpos. Trataremos únicamente la energía radiante emitida por los sólidos y los líquidos, pues la emitida por los gases obedece a leyes muy diferentes. La energía radiante es emitida por toda la materia del cuerpo, pero en general, en su interior la energía emitida por cada punto es nuevamente absorbida, por eso solamente se libera la energía correspondiente a una delgada capa de la superficie del cuerpo. No solo depende de la temperatura de la superficie sino también de su naturaleza. Cuando la radiación solar incide sobre un material suceden varios fenómenos: Reflexión. Una parte de esta radiación es reflejada instantáneamente, de manera que no atraviesa el vidrio ni lo calienta. El cálculo del mismo se realiza mediante el “albedo”, que es el porcentaje de radiación que cualquier superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre la misma y se expresa en tanto por ciento. Albedo (%) = Radiación reflejada / Radiación incidente Del mismo modo, podríamos usar esta relación en términos caloríficos, obteniendo: Q reflejado = Albedo x Q incidente Absorción. Otra parte de la radiación solar penetra el vidrio pero es absorbida internamente, propiciando su calentamiento. La capacidad de absorción de energía de un cuerpo es la misma que la capacidad de emisión, Para abordar el cálculo de la energía absorbida por un cuerpo, antes hay que definir el concepto de cuerpo negro, que se entiende como la superficie idealizada que emite radiación a la potencia máxima. La radiación del cuerpo negro representa la cantidad máxima de radiación que puede ser emitida desde una superficie a una temperatura específica. Para su cálculo, se ha de hacer uso de la Ley de Stefan Boltzmannyh, que establece que la cantidad total de calor emitida o absorbida por un cuerpo (en todas las longitudes de onda), por unidad de tiempo y para una determinada superficie (As), es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo. Esta ley se puede expresar matemáticamente: Q emitida,max (W) = σ · As · T4 Donde σ es la constante de Stefan Boltzmann, de valor σ = 5.67 E-8 W / ( m2 K4 ) y relaciona temperatura absoluta y energía. La radiación emitida por las superficies reales es siempre menor que la que emitiría un cuerpo negro a la misma temperatura. Para cuantificar la radiación emitida por una superficie real respecto a la 17 que emitiría el cuerpo negro se utiliza la emisividad, es decir, la emisividad representa la radiación emitida por una superficie respecto a la que emitiría el cuerpo negro:  = Radiación emitida por una superficie determinada / Radiación emitida por un cuerpo negro El rango de valores de la emisividad está comprendido en el intervalo: 0 < e< 1. Para el cuerpo negro e = 1 Ahora, la radiación emitida por una superficie real se expresa es una porción de la que emitiría el cuerpo negro. Esa porción viene dada por la emisividad. La radiación emitida por una superficie real se expresa, tal y como ya se explicará para un cuerpo negro, como: Q emitida (W) = ε · σ · As · T4 Transmisión. Finalmente, la parte de la radiación que no es reflejada ni absorbida atraviesa el vidrio y es transmitida directamente al interior, en distinta proporción dependiendo de su coeficiente de transmitancia. La transmitancia se define como la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en determinada cantidad de tiempo, es decir, en nuestro caso, la energía que atraviesa el vidrio, partido por energía incidente sobre el mismo. (Este índice siempre se moverá entre valores de 0 y 1) τ  = Qtransmitida / Qincidente De modo que la energía total incidente sobre una superficie, se reparte del siguiente modo: Qincidente = Qabsorvido + Qreflejado + Qtransmitido Es importante señalar que en realidad los procesos descritos arriba resultan un poco más complejos, por lo motivos que se exponen a continuación:  La radiación solar no solo es reflejada por la superficie exterior del vidrio. La superficie interior también refleja una parte de la radiación que logra atravesarlo (aquella que no ha sido reflejada por la superficie exterior ni absorbida), dando lugar a una serie de interreflexiones. En cada proceso de inter-reflexión una parte de la radiación es absorbida.  La energía térmica generada por los procesos de absorción no permanece en el vidrio, sino que posteriormente es re-irradiada como radiación de onda larga. Este proceso se da en ambas direcciones, es decir hacia el exterior y el interior, con una proporción que dependerá de las características específicas del vidrio. 18  Como sabemos, la radiación solar que llega a la superficie terrestre está conformada por diversos rangos del espectro electromagnético. Y los materiales suelen responder de distinta manera a cada uno de esos rangos. Por ejemplo, si son más o menos transparentes a buena parte de las longitudes de onda de la porción ultravioleta y a toda la porción visible. También lo son a los infrarrojos cercanos, característicos de objetos con temperatura muy elevada. En cambio son opacos a los infrarrojos lejanos, característicos de objetos a temperaturas terrestres. Esto último genera lo que se conoce como efecto invernadero. Conocido el proceso de transmisión de calor por radiación solar, podemos entender el funcionamiento de un Muro Trombe. 4.3 Tecnología Muro Trombe La tecnología que nos ocupa, cosiste muy a grandes rasgos, en un muro orientado al sol, construido con materiales que le puedan dotar de una gran inercia térmica (piedra, hormigón, adobe…), combinado con un colchón de aire, encerrado por una superficie transparente que permita penetrar a la radiación solar. Casa con Muro Trombe, Manual Koñiwasi La radiación procedente del sol, incide sobre la superficie transparente de nuestra instalación, una parte de ella directamente es reflejada y otra que es transmitida (la radiación absorbida por la superficie transparente se considera despreciable para el rango de espesores a utilizar). Como ya se ha explicado, la radiación solar, emite en una amplía la gama de longitudes de onda, nuestro material transparente será permeable solo a algunas, las de longitud de onda corta, que son las de mayor valor energético. Estas incidirán contra la superficie del muro, que absorberá gran parte de la energía que contienen, parte de esta energía absorbida, será emitida como radiación a la habitación que se pretende calentar a través de la masa térmica, y otra parte se reflejará hacia nuestra superficie transparente de nuevo, pero con otra longitud de onda diferente, ya que la temperatura del muro es muy inferior a la del astro, así que será una longitud de onda más larga, a la que nuestro material es menos permeable. Se podría interpretar como una especie de trampa en la que almacena la energía de la radiación solar. A partir de aquí, los fenómenos que permiten la transmisión de calor al interior de la vivienda son:  El efecto termosifón producido por el calentamiento del aire encerrado entre la superficie transparente y el muro de la vivienda.  La aportación de calor gracias al muro de gran inercia térmica. 19 4.3.1 Importancia de la Inercia Térmica La inercia térmica es la dificultad que ofrece un cuerpo a cambiar su temperatura. Ésta tiene una vinculación directa con la acumulación de energía, los edificios con mucha inercia acumulan una gran cantidad de energía. La capacidad de almacenar energía de un material depende fundamentalmente de su masa, su densidad y su calor específico. Se puede decir que el modo bioclimático de acumulación de energía más óptimo, es la utilización de la propia inercia térmica del edificio. Los materiales constructivos con mayor masa, ya sea debida a su volumen o a su densidad, son los que confieren a los edificios del que forman parte, mayor inercia térmica. Los valores altos de la misma permiten conseguir uno de los objetivos más deseables en un edificio, la estabilidad térmica, es decir, la temperatura fluctúa levemente y no se debe consumir excesiva energía para su mantenimiento. La inercia térmica permite el confort en el interior del edificio cuando hay periodos con cambios bruscos de las temperaturas exteriores o del soleamiento, a los cuales los sistemas de calefacción activos no pueden responder si la instalación no lleva la regulación oportuna. Gracias a la masa térmica de un edificio, se capta la radiación directamente del sol, acumulando el calor para liberarlo por radiación durante 8 o 12 horas (coincidiendo aproximadamente con el periodo nocturno), depende de la estación del año y la localización. A mayor inercia térmica, menos variarán las temperaturas en el interior del edificio en cuestión. Proceso de transmisión de calor por radiación del muro de inercia térmica. Los materiales ideales para constituir una buena masa térmica, y por tanto inercia térmica, son aquellos que tienen un elevado calor específico, alta densidad y baja conductividad térmica. Algunos mejores materiales para conseguir este efecto son; la tierra, el barro, rocas naturales, hormigón, agua… Generalmente se utilizan materiales de gran densidad, espesor de 25-40 cm, cara exterior de color oscuro para absorber más radiación y orientación adecuada para la mayor captación de radiación solar, en función de las características de cada emplazamiento. El muro destinado a masa térmica debe tener un grosor apropiado, de modo que el interior del edificio siga siendo fresco durante el día y el calor se transfiera al interior durante la noche. Si el muro es demasiado fino, penetrará el calor en el interior de la vivienda durante el día, justo cuando no se necesita, y no quedará suficiente calor almacenado en la masa para soltarlo durante la tarde o noche, que es cuando más frio hace. Si la pared es demasiado gruesa, puede costarle bastante acumular el calor y empezar a liberarlo en un momento del día en que no se necesite. 20 Estos materiales pesados tienen la cualidad de absorber la energía calórica y distribuirla gradualmente en su estructura interna. Dado que requieren una gran cantidad de energía para aumentar su temperatura, los procesos de transmisión de calor por conducción a través de ellos propician un efecto de “almacenamiento”. 4.3.2 Efecto termosifón Quizás una de las aplicaciones más conocidas donde se produce este fenómeno, es en los sistemas solares pasivos de calentamiento de agua (colectores solares), pero vamos a explicar el caso que nos atañe, es decir, el calentamiento de aire para conseguir mediante circulación natural, aumentar la temperatura de una estancia. La superficie transparente, permite que pase la radiación solar al interior, calentando el volumen de aire encerrado y dificultando la perdida de calor a través del mismo, en función de su emisividad, transmitancia y albedo, tal y como se ha explicado en el apartado anterior. Este aire caliente, por tener una densidad menor, tiende a acumularse en la parte superior, mientras el frio se localiza en la capa inferior. El calentamiento del aire del interior del invernadero, crea una desigualdad de temperaturas entre este y el ambiente de la vivienda, la cual provoca la circulación natural del mismo entre las dos estancias, a través de unos agujeros realizados en el muro, esto es lo que se conoce como el fenómeno del “termosifón”. El aire calentado por la radiación solar se introduce en la habitación por los agujeros superiores, mientras que el aire frio del interior de la casa sale al invernadero por los inferiores, para ser calentado y regresar de nuevo a la vivienda con una temperatura superior. Efecto termosifón en el calefactor solar Este sistema que por el día y bajo la acción del sol, permite calentar una estancia, realiza por la noche el proceso contrario, es decir, el enfriamiento de la misma, si no se toman las medidas adecuadas. Estas consisten en el taponamiento de los agujeros poco después del anochecer, a fin de bloquear la entrada de aire frio al dormitorio. 21 5 Diseños A continuación se detallan las características de algunos de los modelos existentes, teniendo siempre en cuenta, que estudio está enmarcado dentro de un proyecto de cooperación al desarrollo, donde el presupuesto y el acceso a los materiales, principalmente, van a impedir la posibilidad de siquiera estudiar sistemas más complejos. Los presupuestos de cada modelo, se realizan en relación a los precios existentes en la ciudad de Cajamarca y expresados en Soles Peruanos. 5.1 Vertical Ventajas  Poco impacto directo de lluvia.  Se encuentra bien protegido  Facilidad en el flujo de calor.  Es adaptable a casi todas las viviendas y entornos, ya que ocupa poco espacio.  Poca necesidad de impermeabilización...  El mantenimiento y la limpieza son simples y accesibles. Inconvenientes  Poco ángulo para la captación de la radiación solar en Perú, son ineficientes debido a la inclinación del sol para esta localización.  Dificultad de montaje.  Dificultad en el transporte.  Caro.  Es una tecnología replicable, pero es más difícil el acceso al cristal.  Las reparaciones son complejas, y más costosas. 22 Materiales y Presupuesto Nº unidades Materiales Precio Unidad (S./) Precio Global (S./) 10 Yeso en saco (10kg) 3,5 35 1 Clavo 4" (1kg) 5 5 1 Cola blanca (1Galón) 19,5 19,5 1 Aceite de linaza (1Litro) 24,4 24,4 36 Tornillo p/ aglomerado 6x120 0,32 11,52 1 Pintura látex negro (1Galón) 21 21 6 Madera de eucalipto (1,5m x 0,3m x 2") 22 132 2 Madera de eucalipto (3m x 0,3m x 2") 44 88 1 Jebe (10 cámaras de bicicleta) 6 6 1 Tubo silicona (1Litro) 20 20 1 Vidrio templado incoloro (3m x 1,5m) 585,13 585,13 Total: 947,55 S/. 5.2 Inclinado Ventajas  Angulo óptimo de captación para la localización.  La presencia de piedras en la base ayudan a acumular más calor.  Construcción sencilla.  Económico  Transporte de materiales sencillo y seguro.  Debido a su sencillez, es fácilmente replicable por los beneficiarios de las comunidades.  Su reparación resulta sencilla y accesible. Inconvenientes  Está a ras del suelo; más fácil de dañar y se ensucia con mayor facilidad.  Recibe más impacto de la lluvia; mas suciedad y precisa de mayor impermeabilidad.  Puede recibir humedad de la propia tierra.  El hecho de que ocupe más espacio, puede suponer un problema en determinadas viviendas con obstáculos en su entorno (montículos, árboles, cobertizos…). 23 Materiales y Presupuesto Nº unidades Materiales Precio Unidad (S./) Precio Global (S./) 10 Yeso en saco (10kg) 3,5 35 1 Clavo 4" (1kg) 5 5 1 Cola Blanca (1Galón) 19,5 19,5 1 Aceite de Linaza (1Litro) 24,4 24,4 36 Tornillo p/ aglomerado 6x120 0,32 11,52 1 Látex Negro (1Galón) 21 21 9 Listones de secos(3"x3"x2,5m) 16,22 145,98 3 Listones de (3"x3"x1,5m) 11 33 3 Listones de (3"x3"x1,85m) 11 33 3 Listones de (2"x2"x2m) 6 18 4 Listones de (2"x2"x2,5m) 8 32 7 Tapajuntas (2,5m) 4 28 1 Jebe (10 cámaras de bicicleta) 6 6 1 Saco de Cal (50kg) 30 30 0,5 Clavos de 1/2" (1kg) 6 3 1 Velcro (3m) 7 7 1 Plástico de Invernadero (3x10) 130 130 Total: 582,4 S/. 5.3 Horizontal Ventajas  Ángulo muy óptimo de captación de la radiación solar.  No precisa, apenas, de obra en la vivienda (agujeros, anclajes).  Podría aprovecharse para más de una casa (aunque el Trombe tendría que ser mayor) 24 Inconvenientes  Al no estar adherido a la vivienda, no calienta ningún muro de la misma, no hay inercia térmica.  Necesita estar en ubicaciones muy abiertas, para optimizar la captación de radiación.  Está expuesto por completo a la acción de la lluvia; suciedad, deterioro y más mantenimiento.  Necesita una gran labor de impermeabilización.  Puede entrar humedad de la propia tierra.  Al estar completamente en el suelo y no adherido a la pared, es más propenso a dañarse.  Dificultad en el flujo de aire frio y caliente.  Más complicado ubicarlo de forma que no altere el tránsito de personas o animales, o varíe las actividades de los beneficiarios. Materiales y Presupuesto Nº unidades Materiales Precio Unidad (S./) Precio Global (S./) 10 Yeso en saco (10kg) 3,5 35 1 Clavo 4" (1kg) 5 5 1 Cola blanca (1Galón) 19,5 19,5 1 Aceite de linaza (1Litro) 24,4 24,4 40 Tornillo p/ aglomerado (6x120) 0,32 12,8 36 Adobe (40cm x 20cm) 0 0 2 Madera de eucalipto (2,5m x 0,4m x 2") 40 80 2 Madera de eucalipto (1,5m x 0,4m x 2") 25 50 7 Listones de 3"x3"x1,5m 11 77 7 Tapajuntas de 1,5m 2,5 17,5 1 Plástico negro (2,5m x 1,5m) 16,13 16,13 1 Jebe (10 cámaras de bicicleta) 6 6 1 Tuberia PVC 11cm Ø (3m) 60 60 1 Plástico de Invernadero (3x8) 130 130 Total: 533,33 S/. 5.4 Invernadero 25 Ventajas  Tiene superficies de captación a dos inclinaciones distintas, 70 y 10 grados aproximadamente, que son óptimas para la latitud.  Mucha superficie para poner piedras que acumulan calor u otros elementos de gran inercia térmica.  Espacio habilitado para el cultivo.  Económico  Replicable. Aunque reporta una mayor complejidad que el modelo inclinado. Inconvenientes  La humedad del propio cultivo, pasa a la circulación del aire y por lo tanto afecta al interior de la vivienda.  Durante la noche, las plantas producen CO2, que se podría incorporar al interior de la vivienda, con su correspondiente peligro.  Recibe más impacto de la lluvia; precisa de mayor impermeabilización.  Difícil limpieza.  Difícil acceso para la limpieza y el mantenimiento a la parte superior de la estructura (riesgo de dañarlo).  Con la entrada y salida al invernadero, para las labores de agricultura en el interior, se perdería parte del calor acumulado, disminuyendo el rendimiento. Materiales y Presupuesto Nº unidades Materiales Precio Unidad (S./) Precio Global (S./) 10 Yeso en saco 10kg 3,5 35 1,5 Clavo 4" (1kg) 5 7,5 1 Cola Blanca 1Galón 19,5 19,5 2 Aceite de Linaza (1Litro) 24,4 48,8 50 Tornillo p/ aglomerado 6x120 0,32 16 1 Látex Negro 1 Galón 21 21 9 Listones de (3"x3"x2,5m) 16,22 145,98 6 Listones de (3"x3"x1,5m) 11 66 3 Listones de (3"x3"x1,85m) 11 33 3 Listones de (2"x2"x2m) 6 18 8 Listones de (2"x2"x2,5m) 8 64 14 Tapajuntas (2,5m) 4 56 1 Jebe (20 cámaras de bicicleta) 12 12 1 Saco de (50kg de Cal) 30 30 0,5 Clavos de 1/2" (1kg) 6 3 1 Velcro 0 1 Plástico de Invernadero (3x15) 195 195 Total: 770,78 32 vivienda en el ciclo de circulación del aire. Este hecho como es lógico es puede ser altamente perjudicial para las personas residentes. - Toxicidad: el proceso antagónico a la fotosíntesis que realizan las plantas por la noche, consiste en absorber oxígeno y expulsar dióxido de carbono, el cual, del mismo modo que la humedad, entraría en la vivienda. Aunque los orificios deberían ser tapados durante gran parte de la noche y CO2 producido no debería ser un problema, puede ser importante tener en cuenta este factor. Por último, la constante apertura de la puerta para las labores de mantenimiento de los cultivos del interior del invernadero con la consecuente ventilación que ello supone, disminuirían notablemente el rendimiento del nuestro calefactor.  El modelo de latas, como ya se ha explicado en el modelo horizontal, no incluye un aumento de la inercia térmica de la vivienda, al no estar adherido a la misma. Además la escasa resistencia a del material a la radiación y la menor accesibilidad a los materiales que en otros modelos, aconsejan no elegir este modelo.  El modelo de Piedras y Alambre ocupa mucho espacio en el interior de la vivienda, dadas las dimensiones de las casas donde se pretende establecer el sistema parece poco apropiado. Generalmente las ventanas pequeñas para disminuir las pérdidas de calor en el interior de la vivienda, dado que este sistema precisa de una gran superficie que permita pasar la radiación al interior de la vivienda, es inviable su aplicación. En consideración con todos los motivos antes expuestos, se ha elegido el modelo inclinado para su instalación en la comunidad de Pucara, Cajamarca, Perú. Es económico, sencillo, replicable y reparable, con una inclinación óptima, transportable, seguro, ocupa poco espacio útil. 7.2 Elección del material de la superficie de captación Aunque el vidrio tenga mejores cualidades mecánicas y ópticas que el plástico de invernadero, el vidrio debe ser eliminado de la elección por los siguientes motivos:  Su complejidad en el montaje y en el transporte a zonas poco accesibles (como ocurre en nuestro proyecto).  Por seguridad, ya que estas instalaciones e hacen en zonas de transito frecuente de animales o personas, incluso zonas donde pueden jugar y correr niños. Aunque el vidrio templado no pueda producir cortes profundos, sigue siendo un factor importante de riesgo. 33  Su elevado coste, el precio del vidrio templado puede ser hasta 60 veces mayor, lo que lo hace poco accesible y a su vez, poco replicable, mientras que el vidrio no templado no merece la pena siquiera ser valorado debida su poquísima resistencia al impacto. Así que se ha elegido construirlo con Agrofilm, plástico de invernadero de común comercialización en Cajamarca. 34 8 Estudio climatológico y territorial Para el caso de Pucara, nuestra comunidad de destino, se ha recogido la siguiente información climática: 8.1 Intervalos de temperaturas ambientales El conocimiento de las temperaturas mensuales del lugar donde se va a realizar la instalación, es muy importante para el futuro funcionamiento del Trombe, de modo que se pueda deducir como va a afectar el trabajo del muro en las diferentes épocas del año. Puede no ser determinante en lugares con cambios de temperaturas suaves, con climas constantes, donde el cierre y apertura de los agujeros para el control de la calefacción es siempre en horarios similares. Pero es muy importante para emplazamientos que sufran grandes variaciones térmicas de unas estaciones a otras, donde los hábitos de uso, han de variar entre estaciones, buscando evitar el sobrecalentamiento de la vivienda en los meses de más calor. Como podemos observar, la zona de estudio, no tiene grandes cambios de temperatura de modo que no habrá mucha variación entre las horas de apertura y cierre de los agujeros del muro. 8.2 Radiación La gráfica refleja las radiaciones máximas (en amarillo) y las mínimas (en naranja). Observamos que entre septiembre y febrero disponemos de buenas mínimas de radiación y altas máximas, mientras entre abril y agosto, tenemos mínimas bajas y máximas altas. El estudio de este factor resultara fundamental para la evaluación de la evolución del rendimiento de nuestro calefactor, y para poder tomar medidas al respecto. Variación de las temperaturas máximas y mínimas durante todo el año en el caserío de Granja Porcón, Cajamarca, Perú. Desarrollo de radiaciones mínimas y máximas a lo largo del año. Granja Porcón, Cajamarca, Perú. 35 8.3 Precipitaciones Las precipitaciones en la comunidad de Pucará tienen mayor intensidad entre los meses de Diciembre a Marzo. También se presentan fuertes heladas, sobre todo entre los meses de Junio a Noviembre, cuando se inicia el “verano”, llamado así por los pobladores de la zona debido al inicio de la temporada de estiaje. Variación anual de las precipitaciones. Granja Porcón, Cajamarca, Perú. El estudio de las precipitaciones de la zona en cuestión, se torna importante en el periodo de instalación de la tecnología. Es muy importante que su implementación se lleva a cabo en el periodo menos lluvioso que se disponga, ya que además de dificultar considerablemente la instalación, puede deteriorar el yeso o la madera. Tal y como se puede apreciar en la gráfica, los mejores meses para la instalación del Muro Trombe, son de Mayo a Septiembre, ya que el resto de los meses sufren fuertes precipitaciones. De este modo la instalación de estas tecnologías fuera del plazo citado debe evitarse siempre que sea posible para optimizar el tiempo de instalación y el resultado del mismo. 8.4 Viento Es muy importante a la hora de diseñar, tener en cuenta las características del viento en la zona donde vamos a trabajar. De este modo, podemos analizar las características de los materiales necesarios para construir el Trombe, en función de los esfuerzos que deba soportar. Los valores máximos para nuestra zona de aplicación, son de 75 km/h, según el mapa de vientos facilitado por el SENAMHI, Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú. 8.5 Orientación Sin duda uno de los factores más importantes para el buen funcionamiento del Muro Trombe, es la orientación. Debido a que estamos en el hemisferio sur, aunque muy cerca del ecuador, debemos buscar que nuestro muro, este orientado hacia el Norte o Nornoroeste, de este modo optimizaremos la captación de radiación solar al máximo. 36 En la ilustración podemos observar el modo de optimizar la captación solar, aprovechando la esquina, si las condiciones y la orientación lo permiten o por el contrario, de construcción lineal si tenemos el muro en condiciones ideales de orientación. Además hay que estudiar cual es la estancia que queremos calentar, normalmente, estos sistemas están orientados a su aplicación para dormitorios, ya que es donde mayor necesidad de calor se precisa (suelen ser poco habitadas durante el día), además que es donde más puede influir en la prevención contra enfermedades. 8.6 Sombreamientos Hay que estudiar el entorno de la vivienda, así como los distintos elementos constructivos o naturales que puedan proyectar sombras sobre nuestro colector. Algunos ejemplos; Montañas o montículos, árboles, aleros, otras viviendas, otros elementos constructivos… 37 9 Dimensionado 9.1 Herramientas para el dimensionado Para el cálculo de las dimensiones del Trombe, nos hemos apoyado en las investigaciones que ha realizado el Grupo de Apoyo al Sector Rural, de la Pontificia Universidad Católica de Lima, en base a la experiencia que desarrollan en numerosas comunidades altoandinas de Perú. Este material ha sido cedido desinteresadamente por dicho colectivo, que accedió a enseñarnos sus instalaciones y aclararnos cualquier duda durante la elaboración de este documento. El dimensionado de nuestra tecnología, se ve también muy restringido por las características de las viviendas, el entorno y los hábitos que tienen lugar en el mismo. Las mayores limitaciones a la hora de dimensionar, las vamos a encontrar en tres aspectos:  La altura de nuestro sistema (h), que vendrá limitada por la altura del muro elegido H para la instalación, así como de los aleros o elementos que puedan hacer sombra a la superficie de captación.  La longitud de la pared elegida para la captación (l), también limitada por las características de la vivienda.  La longitud de la base (b). Este parámetro, puede estar limitado por varios aspectos, como son la existencia de elevaciones o depresiones en el terreno, arboles u otros elementos constructivos, los hábitos de los beneficiarios o el tránsito de personas y/o animales. Área horizontal de la habitación = B x L Área horizontal encerrada por el muro Trombe = b x l Área pared vertical de la pared = H x L Área pared vertical encerrada por el muro Trombe = h x l 38 9.1.1 Área horizontal y vertical del muro: Como podemos comprobar, la variabilidad de estas magnitudes, hacen que el dimensionado de un Trombe, sea algo muy difícil de estandarizar. Una vez identifiquemos cuales van a ser nuestros parámetros limitantes para el diseño, podremos obtener las dimensiones óptimas en base estas. Además hay que asegurarse que el área de muro vertical encerrada por nuestro sistema es suficiente para el calentamiento de la habitación de destino, ya que es determinante para conseguir una mayor inercia térmica. Conocidas las dimensiones de la habitación, podremos obtener las dimensiones óptimas del muro vertical encerrado de siguiente tabla. Área de la pared vertical del Muro Trombe (m2 ) Área habitación (m2) Lugares Templados Lugares Fríos Lugares muy Fríos 9 a 11 5 7 8,5 12 a 14 6,5 9 11 15 a 17 8 11 13,5 18 a 20 9,6 13,5 16,5 Área de la pared vertical en función del área de la habitaciónde destino. Material del GRUPO de apoyo al sector rural de la Pontifica Universidad Católica de Perú. Área habitación (m2) En algunos emplazamientos donde pueda haber un clima más extremo, será importante atender a las temperaturas medias, ya que harán que las medidas óptimas del muro vertical varíen. La siguiente tabla, desarrollada por Juan Manuel Bohórquez Peñuela del Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia, nos permite obtener el área vertical del muro, en función del área de la habitación y la temperatura exterior en invierno. Tª media exterior en invierno (ºC) Área de la habitación Climas fríos -10 0.72>1.0 -7 0.6-1.0 -4 0.51-0.93 -1 0.43-0.78 Climas calientes +2 0.35-0.6 +5 0.28-0.46 +7 Área de la habitación en función de la Temperatura. Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia. 9.1.2 Inclinación y longitud de la base: Otro de los parámetros que van a condicionar el dimensionado de nuestro sistema, es la inclinación de la superficie captadora. Este factor es determinante para el obtener un buen rendimiento de nuestra instalación y va a depender de la latitud del lugar en el que nos encontremos. En regiones intertropicales con latitudes comprendidas entre +15º y -15º, se suele tomar como óptima la colocación horizontal de los captadores, pero por norma general podemos guiarnos por la siguiente expresión: 39 Angulo de inclinación = 3,7 + ( 0,69 x latitud ) De todos modos por tener una mayor fiabilidad, se ha realizado una simulación de la energía captada en función de las distintas inclinaciones, a fin de conocer cuál es la óptima para nuestro emplazamiento. Radiación en función de inclinación, Cajamarca, Perú Observando la tabla anterior, vemos que la inclinación óptima son 10º, pero evidentemente la instalación de un sistema con esta inclinación sería inviable, ya que para una altura de 2 metros, necesitaríamos una base de más de 11 metros. Dicho esto tenemos que buscar la mínima inclinación viable entre 10º y 90º. Hay que tener en cuenta, como ya se ha mencionado anteriormente, que la longitud de la base de nuestro muro, que va a ser la dimensión que sobresalga del perímetro de la vivienda, generalmente va a estar limitada por el propio entorno o por las actividades que en él se realizan. De modo que conocida esta magnitud y la altura del muro, podemos jugar con las distintas inclinaciones posibles, y elegir la más óptima de ellas. 9.1.3 Nº de orificios y diámetro: Los agujeros del muro permiten la transferencia del aire caliente que se genera en el invernadero durante las horas de soleamiento, al interior de la habitación. El caudal de aire es mayor cuanto mayor es la diferencia de temperaturas, mayor es la sección de los agujeros y mayor la diferencia de alturas entre ambos. Adoptado el sistema de cierre mediante botellas de 20cm de diámetro y limitada la diferencia de alturas por la dimensiones del propio invernadero, el único parámetro que puede variar, es el número de agujeros. Aquí nos encontramos con una limitación constructiva debido a que los muros generalmente son muros de carga construidos con adobe. Numero de orificios de 10 cm de diámetro. Área habitación (m2) Lugares Templados Lugares Fríos Lugares muy Fríos 9 a 11 8 10 12 12 a 14 10 14 16 15 a 17 12 16 20 18 a 20 14 20 24 21 a 23 16 24 28 Número de orificios en función del área de la habitación. Material del GRUPO de apoyo al sector rural de la Pontifica Universidad Católica de Perú. 40 9.2 Aplicación al caso En este apartado se va a realizar el dimensionado de la instalación en base a la metodología anteriormente explicada, con los datos de un emplazamiento real. 9.2.1 Cálculo teórico en base a las herramientas dadas La habitación que se pretende intervenir tiene las siguientes características: Planta = 5.8m x 3m Altura = 2,33m. Área de la planta de la vivienda = 5,8 x 3 = 17,4 m 2 a los que le corresponde un área de pared vertical encerrada por el Trombe de 8m2, para lugar templado (tabla del punto 10.1.1 de la PUCP). La pared vertical orientada convenientemente, tiene una superficie suficiente para albergar las dimensiones demandadas por las tablas de diseño. En nuestro caso hemos optado por: Altura = 1,78 m Base = 4,75 m Superficie de muro encerrado = 1,78 x 4,75 = 8,455 m 2 Área muro encerrado = 8,455 m 2 > Área según tablas = 8m 2 Aunque la altura total de la vivienda es de 2,33 m, hemos elegido una de 1,78 m, para evitar lo máximo posible la existencia de sombreamientos (Apartado de estudio de sombreamiento). Procedemos después a verificar la validez, relacionando el área encerrada por Trombe, con el área útil (tabla. pto 4.4.2). En nuestra comunidad se rondaran los dos grados en las noches de invierno, de modo que entramos con esa temperatura y nos da un coeficiente de 0,35 y lo multiplicamos por nuestra área encerrada (17,4) y obtenemos un área recomendada de 6,09m^2. De este modo nos aseguramos que nuestras medidas están dentro de lo estudiado. Para nuestro caso, y en función del entorno, hemos elegido una inclinación de 50º. Por lo tanto tendremos una base de 1,5m, la cual parece una medida aceptable, haciendo que la estructura no estorbe demasiado y no sea demasiado pequeña, ya que sino disminuiría en exceso el área de captación. Alzado y perfil de la geometría del muro Trombe Pasamos a elegir el número de agujeros y el diámetro de estos en función de lo expresado en el punto 4.2.3., en este caso en función de nuestra tabla deberíamos realizar 16 agujeros, pero como ya se explica anteriormente, nos vemos limitados por el muro de carga, que al ser de adobe, no permite realizar cuantos agujeros queramos. Barajando los conceptos anteriores, se ha optado por realizar 8 agujeros de 20cm (el área es la misma que si realizamos 16 de 10cm de diámetro), estos 41 20 cm de diámetro coinciden con la dimensión de una botella de plástico de 3L de gaseosa, objeto que será utilizado como tapa de nuestros agujeros. De modo que haciendo una recopilación de la dimensiones del muro Trombe, tenemos: Área vertical del muro = 8,455 m2 Área Horizontal del muro = 7,125 m2 Orientación = Noroeste Numero de orificios = 8 Diámetro de los orificios = 20cm = Diámetro botella 3L de gaseosa 9.2.2 Justificación estructural Ahora solo falta realizar el diseño de la estructura que dará forma a nuestro muro Trombe. Para una longitud de 4,75 m, se ha creído oportuno un diseño compuesto de;  3 triángulos principales de madera de pino de sección 3” x 3” (Izq, Centro, Drch), empotrados en sus barras verticales y horizontales.  4 barras de sección 2” x 2” inclinadas equidistantes (modularidad= 0.8 m).  6 travesaños horizontales (2 de ellos empotrados) que apuntalan los vértices de los triángulos, tal y como se aprecia en la figura.  Para las uniones pertinentes, se utilizan retales de madera de sección 3” x 3” y clavos de 6”. Diseño armazón de madera con Google Sketch Up Una vez elaborada la propuesta, tenemos que comprobar, que la estructura va a soportar los esfuerzos necesarios. Para ello tenemos el siguiente esquema, una estructura con una modularidad de 0.8, y con una serie de triángulos que van a permitir a la estructura asentarse entre el terreno y la vivienda. Como se puede apreciar, nuestro sistema está empotrado tanto en la pared vertical de la vivienda, como en el propio terreno. El empotramiento vertical, se realiza con hierros de forjado de media pulgada dispuestos como grapas contra el muro de carga, mientras que el empotramiento horizontal se produce mediante el cavado de una zanja donde inmovilizar la madera con una mezcla de piedras en posición de cuña y adobe. 48 Cerramientos: El caserío se asienta directamente sobre el terreno, los muros de carga son de adobe con un grosor medio de 40cm. La conductividad estimada es de 0,8 W/mK. El forjado de separación con las gateras está formado por 2 centímetros de cañizo y 3 de una mezcla de tierra y paja. La cubierta es una calamina metálica de apenas 2mm de espesor. Aberturas: En el dormitorio se tienen tres huecos de unos 75cm por 50cm. En el momento de la intervención no tienen acristalamiento y tan solo están parcialmente cubiertos con algunos adobes y un saco. La puerta, 1,8m por 1m, permanece abierta durante todo el día. Solo se cierra en horario nocturno con un muy bajo nivel de estanqueidad. Ventilación y estanqueidad: El nivel general de estanqueidad es muy bajo. Existen grietas visibles en el forjado que serán tratadas con una mezcla de barro y paja durante la intervención, así como el encaje entre los marcos de puertas y huecos con el muro de adobe. Energy Plus estima la renovación del aire, como suma de infiltraciones y la abundante ventilación natural, fruto de la casi continua apertura de los huecos, la acción del viento y la diferencia de temperatura con el exterior. Muro Trombe: El muro instalado consta de un plástico Agrofilm clavado con jebe sobre una estructura de madera en forma de triángulo que forma 50º con el terreno. Para la transmisión solar directa se considerada un valor conservador de 0,47. La transferencia del aire caliente al interior se lleva a cabo a través de 8 agujeros de 20cm de diámetro. Para la simulación se consideran 5 con un área equivalente, debido a la limitación en el tamaño de rendijas de Design Builider. El coeficiente de descarga introducido es de 0,5 y el caudal es estimado por Energy Plus en función de la diferencia de temperatura entre el dormitorio y el invernadero. Las rejillas permanecen cerradas en horario nocturno. 10.3 Modelos analizados Estado Actual: La primera simulación trata de acercarse a la realidad actual del caserío, en función de la información recogida sobre el terreno durante el mes de septiembre del 2011 y cuyo objetivo es validar el modelo y las conclusiones posteriores sobre las intervenciones en el caserío. Sobre este modelo se analizarán los efectos de una mejora en el aislamiento y las infiltraciones antes de instalar el Muro Trombe-Invernadero. Modelo real y simulado del caserío analizado. Casa con Invernadero: En este modelo se simula el aporte calorífico del Muro Trombe Invernadero, tratando de emular la realidad térmica de la intervención en el caserío. En Este modelo, sin embargo, no se tiene en cuenta el cambio de hábitos en el uso de los huecos ni su sellado. Con este modelo se pretende conocer el efecto del invernadero sin un uso correcto del mismo. 49 Modelo real y simulado del invernadero. Casa con Invernadero y sellada: En este caso se aplica un buen uso del invernadero, con sellado de huecos y uso correcto de los mismos, estableciendo una apertura de una hora a las 12:00 para ventilación. Casa con Invernadero, sellada y aislada: Se perfecciona el modelo anterior con el aislamiento de muros y forjado. A los muros de adobe se les añade una capa de paja (0,11W/mK) de 15cm apoyada en un entramado ligero de madera. En el forjado se incrementa el espesor de la capa tierra-paja de 3 a 15 cm. La mejora redunda en una leve reducción de las infiltraciones en el dormitorio. Modelo CFD del dormitorio: Finalmente, a partir del modelo con invernadero y sellado, se simula mediante CFD el interior del dormitorio principal a las 14:00 del 1 de enero. Con esta simulación se pretende observar el movimiento del aire en horario de apertura de rejillas junto con el funcionamiento del invernadero y el confort en el dormitorio. Modelización del invernadero con hueco existente y rejillas. 50 10.4 Resultados 10.4.1 Estado Actual Se analizan las temperaturas de bulbo seco, radiante y operativa en el dormitorio. La temperatura operativa es una media de la temperatura del aire y la radiante en paredes, suelos y techo, de modo que nos sirve para evaluar la sensación de confort en el interior. La media anual es de 13,67ºC, 1,6ºC por encima de la temperatura exterior. Su evolución a nivel de medias mensuales, es paralela a la temperatura exterior. Sin embargo, en el estudio de la evolución diaria (1ª semana de enero y julio), puede verse el predominio del efecto de la inercia térmica, de forma que la temperatura interna apenas varía 2-3ºC en enero y 5ºC en julio, mientras la exterior llega a oscilar hasta 20ºC entre la máxima y la mínima diarias. El efecto de las ganancias internas y solares es prácticamente nulo. La ventilación natural es extremadamente alta, sobre todo durante el día, cuando la puerta principal permanece abierta, justo en frente de los huecos de las ventanas sin acristalamiento. La media anual es de 16,43 ren/hora. 1ª gráfica: evolución mensual de temperaturas media, radiante y operativa del dormitorio en contraste con la temperatura exterior. 2ª gráfica: evolución horaria de temperaturas durante la primera semana de enero. 3ª gráfica: evolución horaria de temperaturas durante la primera semana de julio. 51 Cualquier medida de mejora del confort interno pasa por reducir infiltraciones y cerrar los huecos para controlar la ventilación. En una primera estimación, podría pensarse en mejorar el aislamiento de la casa, antes de intervenir con la construcción del invernadero, con el objetivo de aumentar la temperatura en el interior. Esta hipótesis fue simulada, añadiendo 15 cm de paja por el interior de los muros de adobe. El efecto, sin embargo, fue prácticamente inapreciable. El aislamiento evita la fuga de calor desde un local hacia el exterior, pero esta circunstancia solo tiene lugar si existe un gradiente de temperaturas suficientemente alto. En este caso, sin ganancias solares ni ganancias internas, el resultado apenas refleja un incremento de 2 décimas en la temperatura operativa del interior. En caso de calefactar el interior, la reducción del consumo sería del 15%. Sin embargo, esta hipótesis no tiene mucho sentido si se tiene en cuenta el alcance del proyecto y la no previsión de una instalación de calefacción en el futuro. Evolución horaria de la ventilación natural durante la primera semana de julio. 10.4.2 Casa con Invernadero La temperatura media operativa está en 15,3ºC, 1,63ºC por encima del caso base. Tal y como se cita en el apartado anterior, esta simulación no incluye la instalación del acristalamiento en los huecos ni el cierre de la puerta principal durante el día. Por tanto, gran parte del calor ganado en el invernadero, se fuga por el exceso de ventilación. 52 1ª gráfica: evolución mensual de temperaturas media, radiante y operativa del dormitorio en contraste con la temperatura exterior. 2ª gráfica: evolución horaria de temperaturas durante la primera semana de enero. 3ª gráfica: evolución horaria de temperaturas durante la primera semana de julio. La temperatura del aire en el invernadero varía entre los 25-30ºC en enero hasta los 35-40ºC que se alcanzan durante los meses de junio, julio y agosto, el periodo más desfavorable del año en términos de temperatura exterior. Este aspecto es interesante desde el punto de vista del funcionamiento del invernadero. Evolución horaria de temperaturas en el interior del invernadero durante la primera semana de julio. La transferencia de calor hacia el interior se realiza a través de las rejillas superiores e inferiores del muro de separación en horario diurno. El flujo máximo por agujero es de unos 0,015 m/s y durante la noche es prácticamente nulo gracias a la colocación de las botellas de cierre. Evolución horaria del flujo de aire a través de las rejillas superiores del invernadero (cada rejilla del modelo se corresponde con dos agujeros reales) durante la primera semana de julio. 10.4.3 Casa con Invernadero y sellado Una vez tenemos un incremento considerable de las ganancias solares del dormitorio, una reducción de las infiltraciones hasta 0,6 ren/hora produce un efecto muy beneficioso en la efectividad del funcionamiento del invernadero y el confort, de forma que la media de la temperatura 53 operativa pasa a ser de 17,94ºC, 2,64ºC más que en el caso anterior y un 31% de mejora con respecto del caso base. Es remarcable el hecho de que, en este caso, la temperatura del aire pasa a estar por encima de la temperatura radiante de los cerramientos, algo que no ocurría en los casos anteriores. 1ª gráfica: evolución mensual de temperaturas media, radiante y operativa del dormitorio en contraste con la temperatura exterior. 2ª gráfica: evolución horaria de temperaturas durante la primera semana de enero. 3ª gráfica: evolución horaria de temperaturas durante la primera semana de julio. 10.4.4 Casa con Invernadero, sellada y aislada Finalmente, cuando ya tenemos un gradiente de temperaturas considerable gracias al incremento de las ganancias solares y el sellado del dormitorio, el efecto de una mejora del aislamiento será más perceptible. En este caso se plantea un entramado ligero de madera relleno de 15cm de paja por el interior de los muros de adobe, además de un incremento de la capa de tierra-paja en el forjado de separación con las gateras. En estas condiciones la temperatura operativa se incrementa 0,63ºC con respecto del caso anterior. La temperatura media anual del aire es de 19,16ºC (la operativa 18,56ºC). Puede decirse que estamos en un margen razonable de confort con un nivel de abrigo suficiente. 54 1ª gráfica: evolución mensual de temperaturas media, radiante y operativa del dormitorio en contraste con la temperatura exterior. 2ª gráfica: evolución horaria de temperaturas durante la primera semana de enero. 3ª gráfica: evolución horaria de temperaturas durante la primera semana de julio. 10.4.5 Modelo CFD del dormitorio 55 Distribución de temperaturas y velocidad del aire en el dormitorio a las 14:00 del 1 de enero. Tal y como puede verse en la Figura 12, en el interior de la estancia se va a producir un efecto termosifón, de forma que el aire caliente que se introduce por las rejillas superiores va hacia el fondo del dormitorio, mientras el aire frío viaja cercano al suelo y se transfiere al invernadero por las rejillas inferiores. El gradiente de temperaturas es de aproximadamente 2ºC entre la parte superior y la inferior, y la velocidad del aire no sobrepasa los 0,6 m/s. 56 Antigüedad del aire combinada con temperaturas y velocidades. Analizado el movimiento del aire, se tiene que la zona donde más se embolsa el aire de la habitación, es la esquina del fondo, opuesta al invernadero y la puerta de entrada. Sin embargo, el tiempo de refresco no supera los 8 minutos. 10.4.6 Modificaciones del aislamiento y la masa térmica Se ha realizado además un estudio de la variación de la temperatura operativa dentro de la vivienda, en función de la elección de distintos espesores de los muros de adobe y la paja. Para la simulación se ha utilizado el modelo con invernadero, sellado y aislado. Hemos dado 3 valores distintos al espesor del muro de adobe; 40cm, que era nuestro valor inicial, 30cm y 50cm. Para cada uno de ellos hemos realizado dos supuesto, uno con 15cm de paja y otro sin ella. Los 6 casos de estudio han sido comprados gráficamente 57 Por los resultados se comprueba, en primera instancia, la importancia de ambos parámetros sobre la temperatura operativa de la habitación. Observamos que la es la acción de la masa de adobe del muro, la reduce las fluctuaciones de la temperatura en la estancia, mientras que la acción del aislamiento de paja no influye en el comportamiento del gráfico de temperaturas, ya que podemos ver que se producen mínimos y máximos similares en los mismos punto, y los incrementos de temperatura son próximos. Otro hecho a resaltar, es que la vivienda sin aislar, sufre considerables cambios de temperatura en función de la variación del espesor de los adobes. Esta variación es de casi un grado entre un espesor de 30 cm y uno de 50 cm. Sin embargo, cuando tenemos la vivienda debidamente aislada, la variación del espesor de los muros de adobe tiene menos influencia en la temperatura operativa del dormitorio. 10.5 Conclusiones  Pese a no disponer de unos datos climáticos específicos de la región de análisis, las valoraciones de la evolución de temperaturas parecen suficientemente parejas a la realidad como para permitir establecer un criterio de priorización de intervenciones valorando las mejoras que cada medida puede suponer.  Para el cálculo de la ventilación natural, la metodología utilizada estima en 16,47 las ren/hora de media, un valor elevado pero esperable si se tiene en cuenta la apertura casi continua de puertas y ventanas sin acristalamiento.  El efecto térmico imperante en el interior del dormitorio es la inercia. Este efecto es positivo en el sentido que protege a los ocupantes de los mínimos diarios de temperatura en el exterior. Sin embargo la temperatura media está en 13,67ºC, un valor de claro disconfort térmico.  La primera actuación que se recomienda es la reducción de pérdidas térmicas por hiperventilación. En primer lugar habría que acristalar huecos y reducir infiltraciones, bien sea sellando con una mezcla de barro y paja los huecos visibles o colocando burletes para mejorar el cierre de los marcos.  La segunda actuación pasa por el incremento del calor en el interior. Descartado el sistema de calefacción, es necesario incrementar las ganancias solares. El diseño del Muro Trombe- Invernadero propuesto, si bien podría mejorar considerablemente su rendimiento incrementando la transmitancia del Agrofilm.  El sombreamiento del alero disminuye el rendimiento en los meses de diciembre y enero. Existen modelos de calentadores de aire en cubierta que podría transferirse al dormitorio, pero su diseño encarecería el sistema, de modo que quedan fuera del alcance del presente proyecto. Comparativa evolución horaria de temperaturas en la primera semana de julio de los cuatro modelos propuestos.