Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna

i Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Máster Sistemas de Energía Térmica Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Autor: Javier Velasco Ramón Tutor: Servando Álvarez Domínguez Contutor: María del Carmen Guerrero Delgado Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 ii iii iii Proyecto Fin de Máster Sistemas de Energía Térmica Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Autor: Javier Velasco Ramón Tutor: Servando Álvarez Domínguez Catedrático Contutor: María del Carmen Guerrero Delgado Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 iv v v Proyecto Fin de Máster: Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Autor: Javier Velasco Ramón Tutor: Contutor: Servando Álvarez Domínguez María del Carmen Guerrero Delgado El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2013 El Secretario del Tribunal vi vii vii A mis titas y mi familia viii ix ix Agradecimientos Quisiera agradecer en primer lugar el apoyo de mis tías Mari y Encarna, cuyo empuje y ánimos han sido esenciales en este trabajo. También agradezco al resto de mi familia y amigos más cercanos, por su apoyo y confianza. En segundo lugar, agradezco de corazón a José Sánchez Ramos, por su ayuda, orientación y comprensión durante este tiempo. Sin él no habría sido posible. Quiero agradecer a todas las personas con las que he trabajado: María del Carmen Guerrero Delgado, María del Carmen Pavón Moreno y Laura Romero Rodríguez, que, junto con José, han hecho que me sienta entre amigos más que entre compañeros de trabajo. Gracias a su apoyo en los momentos difíciles pude estar con mi familia cuando me necesitaban y sacar el trabajo adelante. A los compañeros del grupo de Termodinámica Miguel Parraneta Gómez-Caminero y Alberto Pérez Gallego, por su ayuda y dedicación a mi causa. Por último, a Servando Álvarez Domínguez, por sus enseñanzas, orientación y confianza. Javier Velasco Ramón Sevilla, 2019 xvi 2.5 Resultados de Tcielo para cada noche de experimentación 52 2.5.1 Salto de temperatura entre aire y cielo 52 2.5.2 Efecto de la condensación 53 2.5.3 Resultados medios 55 2.6 Comparación de resultados de los experimentos principales 56 3 Prototipo de disipador radiante 59 3.1 Descripción general 59 3.2 Fundamentos 59 3.2.1 Esquema de flujos de calor 59 3.2.2 Variables del sistema y ecuaciones de gobierno 60 3.3 Descripción del prototipo 61 3.3.1 Ubicación 61 3.3.2 Planos y detalle de componentes 63 3.3.3 Monitorización 68 3.3.4 Descripción de funcionamiento y modos 68 3.3.5 Cambios durante el experimento 70 3.4 Descripción de ensayos 70 3.4.1 Experimentos realizados 71 3.5 Resultados obtenidos 73 3.6 Conclusiones 81 4 Conclusiones 83 Referencias 84 Anexo A. Código para el cálculo de Tcielo en EES 87 Anexo B. Ensamblaje de experimentos 89 Anexo C. Código para lectura de datos de nubosidad en MatLab 97 Anexo D. Tabla de resultados de Tcielo 102 Anexo E. Calendario de nubosidad 106 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Correlaciones para cálculo de emisividad con cielo despejado 6 Tabla 2. Correlaciones para cálculo de emisividad con cielo nublado 7 Tabla 3. Correlaciones para cálculo de temperatura de cielo con cielo nublado 8 Tabla 4. Componentes de la radiación solar y terrestre (laboratory, 2006) 9 Tabla 5. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 1. 26 Tabla 6. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 1. 28 Tabla 7. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 1. 30 Tabla 8. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 2. 36 Tabla 9. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 2. 37 Tabla 10. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 2. 38 Tabla 11. Localización y clasificación de la estación meteorológico del Grupo TMD 39 Tabla 12. Variables procedentes del ceilómetro 40 Tabla 13. Medidas nocturnas de la primera noche 43 Tabla 14. Medidas nocturnas de la segunda noche 44 Tabla 15. Medias de las medidas 47 Tabla 16. Diferencias con respecto a la temperatura real 47 Tabla 17. Fluctuación máxima de las medidas 48 Tabla 18. Resultados del ensayo de emisividad en laboratorio 50 Tabla 19. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 1. 56 Tabla 20. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 2. 56 Tabla 21. Esquema de modos de funcionamiento del prototipo 72 Tabla 22. Resultados del experimento de cálculo de UA 75 Tabla 23. Temperaturas de interés durante noche despejada. Modo agua dentro. 77 Tabla 24. Temperaturas de interés durante noche despejada. Modo agua fuera. 78 Tabla 25. Temperaturas de interés durante noche nublada. Modo agua por fuera 80 Tabla 26. Resultados medios de los experimentos principales de cálculo de Tcielo 105 Tabla 27. Nubosidad en las noches de junio. 106 Tabla 28. Nubosidad en las noches de julio. 106 Tabla 29. Nubosidad en las noches de julio a final de mes. 107 Tabla 30. Nubosidad en las noches de septiembre. 107 xix ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Comparación de distintos materiales para disipación radiante nocturna (Zhao, Hu, Ao, Chen , & Pei, 2019) 3 Ilustración 2. Comparación de Tcielo (ºC) calculada con varias correlaciones en Sevilla 8 Ilustración 3. Pirgeómetro (Kippzonen, s.f.) 9 Ilustración 4. Modelo 3D del primer experimento para el cálculo de Tcielo. 12 Ilustración 5. Intercambios de calor en la superficie de la chapa. 12 Ilustración 6. Ubicación del experimento 13 Ilustración 7. Panorámica 1 desde la ubicación del experimento 14 Ilustración 8. Panorámica 2 desde la ubicación del experimento 14 Ilustración 9. Panorámica 3 desde la ubicación del experimento 14 Ilustración 10. Chapa de acero 16 Ilustración 11. Planchas cortadas de XPS 17 Ilustración 12. Sensor de temperatura exterior en tubo aislado con extracción de aire 17 Ilustración 13. Comparación de temperatura de aire entre tubo ventilado y estación TMD. 18 Ilustración 14. Estación meteorológica WatchDog con el experimento al fondo 19 Ilustración 15. Experimento 1 versión 1 20 Ilustración 16. Experimento 1 versión 2 21 Ilustración 17. Modificación con el termopar K4 en la superficie exterior de la chapa 22 Ilustración 18. Comparación de temperatura exterior de diferente procedencia 22 Ilustración 19. Temperatura medida por termopares K2, K3, K4 y Text de TMD. 23 Ilustración 20. Comparación de temperatura de aire entre tubo ventilado y estación TMD. 24 Ilustración 21. Resultado de temperaturas para noche despejada. Experimento 1. 26 Ilustración 22. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada. Experimento1. 26 Ilustración 23. Resultado de temperaturas para noche nublada. Experimento 1. 27 Ilustración 24. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche nublada. Experimento1. 28 Ilustración 25. Resultado de temperaturas para noche despejada y nublada. Experimento 1. 29 Ilustración 26. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada y nublada. Experimento1. 29 Ilustración 27. Experimento 2. Chapa aislada sobre superficie real 30 Ilustración 28. Experimento 2 33 Ilustración 29. Resultado de temperaturas para noche despejada. Experimento 2. 35 Ilustración 30. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada. Experimento 2. 36 Ilustración 31. Resultado de temperaturas para noche nublada. Experimento 2. 37 Ilustración 32. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche nublada. Experimento 2. 37 xx Ilustración 33. Resultado de temperaturas para noche despejada y nublada. Experimento 2. 38 Ilustración 34. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada y nublada. Experimento 2. 38 Ilustración 35. Cámara termográfica 49 Ilustración 36. Comparación de temperaturas de aire y velocidades de viento. 51 Ilustración 37. Comparación de Tcielo con distinta procedencia de velocidad de viento. 52 Ilustración 38. Diferencia entre las temperaturas medias de aire y de cielo. 53 Ilustración 39. Temperatura de placa y aire para el 20 de junio. 54 Ilustración 40. Temperaturas y nubosidad para el 20 de junio. 54 Ilustración 41. Temperaturas y nubosidad para el 28 de julio. 55 Ilustración 42. Resultados medios 55 Ilustración 43. Intercambios de calor en la superficie de la chapa. 60 Ilustración 44. Panorámica 1 de la ubicación del prototipo. 61 Ilustración 45. Panorámica 2 de la ubicación del prototipo. 62 Ilustración 46. Ubicación del prototipo de disipador radiante 62 Ilustración 47. Modelo 3D del prototipo del disipador 63 Ilustración 48. Disipador en funcionamiento en modo agua fuera 64 Ilustración 49. Disipador tras pruebas en modo agua fuera 65 Ilustración 50. Acumulador de agua 65 Ilustración 51. Tubo distribuidor para funcionamiento de agua por fuera 66 Ilustración 52. Manómetro para presión en modo agua fuera 66 Ilustración 53. Canalón de recogida 67 Ilustración 54. Estructura metálica móvil con variador de ángulo. 67 Ilustración 55. Potencia media de disipación para diferentes percentiles de UA. 69 Ilustración 56. Pérdidas para noches de estimación del UA del depósito. 74 Ilustración 57. Resultado de temperaturas para noche despejada. Modo agua dentro. 76 Ilustración 58. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada. Modo agua dentro. 76 Ilustración 59. Resultado de temperaturas para noche despejada. Modo agua fuera. 77 Ilustración 60. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada. Modo agua fuera. 78 Ilustración 61. Resultado de temperaturas para noche nublada. Modo agua fuera. 79 Ilustración 62. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche nublada. Modo agua fuera. 80 Ilustración 63. Experimento 1. Chapa aislada confinada 89 Ilustración 64. Planchas de XPS cortadas 89 Ilustración 65. Termopares sobresaliendo del aislante 89 Ilustración 66. Vista de la chapa incrustada y fijada con silicona al aislante 90 Ilustración 67. Interior en la caja de plástico bajo el experimento 90 Ilustración 68. Termómetro de lectura de termopares y alimentador de corriente 90 xxi xxi Ilustración 69. Montaje con 3 planchas, vista de las direcciones de cada una 91 Ilustración 70. Perfil con tres planchas 91 Ilustración 71. Disposición de los termopares antes de colocar la chapa metálica 92 Ilustración 72. Ensamblaje finalizado 92 Ilustración 73. Detalle perfil 92 Ilustración 74. Termómetro de carraca. Extremos para medir temperatura de aire y temperatura de bulbo húmedo (izquierda) y termómetro completo (derecha) 93 Ilustración 75. Termómetro infrarrojo (tools, s.f.) 93 Ilustración 76. Termopar enrollado y ambos extremos de un termopar 94 Ilustración 77. Horno de calibración 94 Ilustración 78. Cilindro metálico del horno de calibración 94 Ilustración 79. Interior y exterior del NI TB-9214 95 Ilustración 80. NI cDAQ-9174 95 Ilustración 81. Lugar del ensayo de emisividad en el laboratorio 96 Ilustración 82. Chapa pintada de negro 96 1 1 INTRODUCCIÓN lo largo de los años, se han llevado a cabo numerosos y diversos estudios sobre climatización en edificios, sistemas de captadores solares o intercambios radiantes de onda larga de superficies durante la noche. En muchos de ellos se ha llegado a la conclusión de lo importante y difícil de conseguir que es la caracterización de emisividad y temperatura del cielo. Esta temperatura o emisividad es puramente ficticia o aparente, lo cual se aclara analizando las diversas definiciones de la palabra cielo. “Esfera aparente azul y diáfana que rodea la Tierra.” Real Academia Española “Esfera que aparenta ser azul y que rodea a la Tierra y al espacio donde se sitúan el Sol, las estrellas, los planetas y los satélites. Definición.DE “extensión a través de la cual transitan los diferentes astros, en tanto, por el efecto visual que presenta da una idea de envolvimiento del planeta tierra.” DefiniciónABC Se podría decir que ni siquiera se sabe concretamente qué es lo que llamamos “cielo”, pero lo que sí sabemos es que la radiación se da en todas direcciones y hacia todos los cuerpos visibles por los objetos. Por lo tanto, en este proyecto se referirá como “cielo” a todo lo que hay por encima del experimento que no esté sujeto a la superficie de la Tierra, como árboles o partes de edificios. Así pues, se englobaría el intercambio radiante con los componentes de la atmósfera, nubes, el espacio exterior y todo lo que hubiera en él. El interés por el cielo se debe a la posibilidad de aprovecharlo como sumidero de energía en enfriamiento radiante. Algunos sistemas de enfriamiento pasivos calculan una temperatura de cielo ficticia a través de la pérdida de calor del sistema durante la noche, tal y como se ha deducido a lo largo de los experimentos llevados a cabo para la realización de este proyecto. (Hay & Yellot, 1969) La utilidad de idear este tipo de sistemas es sacarle provecho al intercambio radiante nocturno para la refrigeración de edificios, lo que actualmente representa una fracción considerable de la energía consumida en todo el mundo. El cambio climático, tanto global como local, en combinación con el aumento de la población mundial esperado y el crecimiento económico, hacen pensar que en el futuro el consumo para refrigeración de edificios será una parte aún más importante del consumo energético mundial. Se calcula que la demanda media de energía para refrigeración en el año 2050 para uso residencial y comercial aumentará hasta un 750% y un 275% respectivamente en comparación con el año 2016. (Santamouris, 2016) Desde el principio del siglo XX hasta ahora, han sido desarrollados numerosos modelos de cálculo sobre dichas temperatura y emisividad, y ninguno de ellos ha sido capaz de calcular con precisión estos parámetros lejos del lugar donde el modelo fue creado. Esto sucede porque los modelos están muy condicionados al clima de la zona en la que se desarrollan. Debido a esta situación, para el proyecto de enfriamiento radiante en Sevilla, es necesario crear un modelo desarrollado en la propia ciudad, tan cerca como sea posible del punto de aplicación del sistema de refrigeración. Una buena estimación de la temperatura de cielo es esencial para el correcto modelado del comportamiento de los sistemas de enfriamiento radiante. A continuación, se expresa la realidad del sector actualmente, se verá que su uso está en fases de desarrollo y no llega ni mucho menos al nivel de uso de sus homónimos para producción A 2 de calor. No obstante, el enfriamiento radiante puede tomar parte del sabido éxito de los sistemas de captación solar planos, puesto que dichos elementos pueden utilizarse como base para la captación de calor durante el día y para la refrigeración por radiación durante la noche. Además, sería un sistema totalmente limpio y renovable, pudiendo considerarse el cielo como un sumidero ideal, en lo relativo a que el aumento de energía que experimenta con la cesión de calor del agua hacia este sería absolutamente despreciable. Serían necesarias algunas modificaciones, claro está, si se pretende utilizar un captador solar diseñado para el calentamiento de agua y se quiere un mayor rendimiento del enfriamiento nocturno, a costa normalmente de un peor rendimiento en el proceso de calentamiento. Como se verá en el siguiente apartado, el enfriamiento radiante también se puede combinar con equipos de enfriamiento evaporativo y con sistemas de producción de energía eléctrica con paneles fotovoltaicos. Para tener una idea completa del marco que engloba este proyecto, se verá a continuación el estado del arte de este tipo de sistemas, es decir, el desarrollo actual de esta tecnología. Seguidamente se atacará la problemática del cálculo de temperatura de cielo mediante correlaciones. 1.1 Estado del arte La transferencia de calor por radiación infrarroja entre las superficies de un edificio y el cielo es normalmente tratada de forma aproximada, debido a la dificultad a la hora de encontrar medidas fiables de la emisividad aparente o la temperatura de cielo aparente. El primer estudio relacionado con la predicción de la emisividad del cielo fue realizado, en 1918, por Angström (Angstrom, 1928). Su modelo se desarrolló a partir de una larga serie de observaciones realizadas en Argelia (Bassour) y es una función de la presión de vapor atmosférica real (medida en milibares). El interés que en la actualidad de la industria sobre este tema es, principalmente, que la mejora en la predicción y la cuantificación de la temperatura de cielo equivaldría a un aumento de precisión en el pronóstico de comportamiento de los captadores solares térmicos, ya que uno de los problemas a los que se enfrentan este tipo de equipo es al riesgo de congelación en el interior de este (Martin & Berdahl, 1984). Dicho riesgo de congelación viene dado, principalmente, por la temperatura del aire exterior y la temperatura del cielo. Por otro lado, hay otra vertiente de investigación menos desarrollada, que es la del potencial uso de enfriamiento nocturno de agua mediante radiación con el cielo, con el objetivo de cubrir parte o la totalidad de la demanda de refrigeración de un edificio. Como ya se ha comentado anteriormente, es a esta última rama de investigación a la que se dedica este trabajo. A continuación, se comentan algunas de las aplicaciones que se están estudiando en diversos proyectos. 1.1.1 Disipadores radiantes Históricamente, los materiales naturales disponibles y los polímeros sintéticos fueron los primeros en ser utilizados para el enfriamiento radiante. Además, se diseñaron diversos radiadores cuya superficie se pintaba o recubría con una película selectiva. Por otro lado, estos radiadores con una gran emisión en la ventana atmosférica y/o toda la banda de radiación térmica, presentan una baja reflectividad para la radiación solar, lo que limita las aplicaciones de la mayoría de los radiadores durante el día. Con el progreso reciente en micro/nanomateriales, se diseñaron y fabricaron nuevos materiales y estructuras, como estructuras fotónicas, materiales dopados con nanopartículas y metamateriales para el enfriamiento radiante diurno. Algunos de los radiadores avanzados para el enfriamiento radiante nocturno y diurno se exponen a continuación. Los radiadores altamente versátiles basados en película de polímero fueron ampliamente seleccionados como candidatos para el enfriamiento radiante nocturno. En la etapa inicial, tres materiales poliméricos típicos, incluyendo el fluoruro de polivinilo (PVF), el cloruro de polivinilo (PVC) y el polimetilpenteno (TPX) se analizaron y aplicaron como radiadores debido a su baja reflectividad y transmitancia en la ventana atmosférica, correspondiente a alta emisividad. La comparación de las propiedades de radiación entre los tres polímeros mencionados anteriormente es representada en la figura siguiente. Todos estos tipos de radiadores basados en polímeros exhiben dos características típicas para aplicaciones eficientes de enfriamiento radiante: primero, estos radiadores tienen una fuerte emisión de IR, un factor clave 3 3 para el enfriamiento radiante. En segundo lugar, sería posible la producción de disipadores de este tipo a gran escala, lo que es una característica excelente para aplicaciones reales. (Zhao, Hu, Ao, Chen , & Pei, 2019) Ilustración 1. Comparación de distintos materiales para disipación radiante nocturna (Zhao, Hu, Ao, Chen , & Pei, 2019) Otra característica que se destaca de este tipo de sistemas de enfriamiento con respecto a su competidor renovable directo, que sería el enfriamiento evaporativo, es que es un sistema fácilmente integrable en los edificios. Solo hay que observar la integración que ya se ha producido de los sistemas de captación solar. Además, se evita el consumo de agua asociado a los sistemas evaporativos, que gastan una gran cantidad de este elemento para enfriar el resto del líquido. 1.1.2 Disipadores radiantes y evaporativos Esta opción es a priori muy atractiva, puesto que aprovecharía el potencial enfriamiento de los sistemas evaporativos de agua junto con el enfriamiento radiante nocturno. Como contrapunto, tiene que los sistemas evaporativos utilizan una gran cantidad de agua y son muy difíciles de integrar en edificios. El sistema sería una combinación entre un equipo de enfriamiento por evaporación y un disipador radiante. La idea sería que el método evaporativo funcionase hasta que la temperatura del agua estuviera próxima a la temperatura de bulbo húmedo, para después enfriar más aún con el disipador radiante, puesto que la Tcielo, como se verá en este proyecto, puede llegar a ser mucho menor que la temperatura de bulbo húmedo. Dado que el funcionamiento de los disipadores radiantes se comenta en sobremanera en este estudio, se comenta a continuación las líneas generales de funcionamiento de un sistema de enfriamiento evaporativo. El enfriamiento de agua mediante evaporación se basa en el equilibrio másico entre el agua y el aire. Dicho de otra forma, como el agua tiene un 100% de humedad, el aire en contacto con el agua se saturará hasta tener también un 100% de humedad. Para que se produzca esta transferencia de masa, el agua absorbida por el aire será evaporada, por lo que necesitará obtener la energía latente de cambio de fase de algún sitio. Esta fuente de energía es la propia gota, con lo que se enfría al ceder dicha energía al agua evaporada que se transfiere al aire. Este efecto de enfriamiento va acompañado normalmente del calentamiento sensible, puesto que cuando estos sistemas funcionan, el aire suele estar más caliente que el agua. La temperatura de equilibrio entre el agua, y el aire a una cierta temperatura seca y con una cierta humedad relativa se denomina temperatura de bulbo húmedo, y es la mínima a la que se puede enfriar el agua mediante esta técnica. Por ejemplo, si se tuvieran unas condiciones habituales en Sevilla en verano, como serían 38ºC y una humedad relativa del 30%, la temperatura de bulbo húmedo sería de 23.5ºC. (Sánchez Ramos ) 1.1.3 Disipadores radiantes en paneles fotovoltaicos En la Universidad de Ciencias Aplicadas de Stuttgart se ha desarrollado un nuevo sistema fotovoltaico-térmico 10 1.3 Alcance y objetivos Mediante la realización de este trabajo de fin de máster se pretende abordar y comprender el fenómeno de enfriamiento radiante nocturno. Para ello, se llevaron a cabo dos experimentos principales para calcular la temperatura de cielo. Asimismo, posteriormente se llevó a cabo la monitorización de los resultados de una serie de ensayos realizados con un prototipo de disipador radiante. El objetivo primero de este proyecto es calcular la Tcielo mediante los experimentos destinados a este propósito, a partir de la temperatura que alcanza una chapa de acero durante las noches, la temperatura ambiente en el exterior y la velocidad de viento en el lugar. El segundo objetivo principal es cuantificar de forma real el intercambio radiante nocturno de un disipador, utilizando un prototipo de lo que sería el disipador comercial. Con dicho prototipo se calcula la energía disipada durante la noche y captada durante el día. Conociendo los valores de la temperatura del agua del depósito antes y después del intervalo de funcionamiento se puede conocer la energía disipada. Esto permite caracterizar el fenómeno de enfriamiento nocturno dependiendo las variables que influyen en el sistema, como son: temperatura exterior, temperatura de estancamiento del panel disipador, temperatura del agua del depósito, geometría del disipador, velocidad de viento y humedad relativa. 11 2 EXPERIMENTACIÓN PARA EL CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE CIELO omo se ha visto en el apartado anterior, el cálculo de la temperatura de cielo depende mucho de la ubicación y las condiciones climáticas, determinando cada correlación estudiada un valor de Tcielo diferente, en algunos casos difiriendo por mucho el resultado entre una correlación y otra. Esto hace esencial que la Tcielo, que se necesita para evaluar el potencial de enfriamiento nocturno en Sevilla, sea calculada in situ. El grueso de este proyecto está dedicado a realizar esta tarea, para lo cual se han llevado a cabo varios experimentos y pruebas. En concreto, de cada experimento o prueba, se detallarán: el objetivo, las ecuaciones de gobierno del sistema junto con las variables que se quieren estudiar, los componentes y los equipos de medida necesarios, la forma de ensamblaje, los planos detallados y los resultados obtenidos. En este capítulo se abordarán los dos experimentos diseñados para calcular la temperatura de cielo, así como la metodología seguida para obtener la información de nubosidad en cada noche. Además, se detallan los experimentos auxiliares necesarios para la correcta realización de los experimentos de cálculo de Tcielo anteriormente mencionados. Estos ensayos auxiliares son: Experimentación nocturna en el lugar del experimento, calibración de termopares, prueba de emisividad de la chapa en laboratorio y rechazo de los datos de la estación WhatchDog. Tras los ensayos auxiliares, se dedica un apartado a mostrar los resultados de cada noche de experimentación y cálculo de Tcielo, en el que se comenta de forma global el salto de temperatura entre el aire y el cielo, a través de cada experimento y de los cambios que estos sufrieron. Seguidamente se discute acerca del posible fenómeno de condensación que se pudiera dar en algunas noches a la vista de las temperaturas de la placa y de rocío. Por último, se compilan los resultados medios más significativos de cada noche medida. Por último, se incluye un apartado final de comparación de los resultados obtenidos mediante los dos experimentos principales. 2.1 Primer experimento de Tcielo. Chapa aislada confinada El primer experimento que se llevó a cabo fue el llamado chapa aislada confinada. Se trató de una chapa de acero de espesor prácticamente despreciable, insertada en la parte superior de una plancha de poliestireno extruido, esta a su vez pegadas a otras dos planchas del mismo material. Todo ello se pegó al interior de una caja de madera, posteriormente barnizada. El objetivo de este ensayo fue calcular la Tcielo a partir de la temperatura que alcanzaba la chapa de acero durante las noches, la temperatura ambiente en el exterior y la velocidad de viento en el lugar. A continuación, se comenta la metodología seguida para realizar este experimento, se muestra un modelo 3D de este, se detallan los componentes del prototipo y su montaje, así como el proceso de monitorización y tratamiento de datos. Finalmente se muestran los resultados y conclusiones más destacables. 2.1.1 Metodología Mediante el uso de tres termopares, insertados por el interior de las planchas hasta la superficie interior de la chapa, se medía la temperatura que tenía esta última a lo largo de todo el día, siendo de interés la información recabada durante las noches. En un primer momento, un cuarto termopar se utilizó para medir la temperatura ambiente. Posteriormente se trataban los datos mediante Excel. El tratamiento consistía en comprobar si todos los termopares medían correctamente y descartar las medidas erróneas. Posteriormente se exportaban los resultados, junto con las condiciones climáticas a EES, donde se calculaba la temperatura de cielo para cada 5 minutos. C Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 12 2.1.2 Prototipo y montaje En la Ilustración 4 se muestra a la izquierda el modelo 3D del experimento completo, y a la derecha el detalle de la chapa metálica sobre el aislamiento. Se decidió poner un espesor de aislamiento suficiente como para que no hubiera transferencia de calor entre la chapa y todo lo que se encuentra por debajo de ella, limitando los intercambios energéticos a la superficie superior del metal. Con el propósito de medir la temperatura de la placa lo más fielmente posible se colocaron tres termopares en su cara inferior, pegados con pegamento de alta conductividad térmica. Más adelante, al poner un termopar en la cara superior, se comprueba que la alta conductividad del metal y del pegamento hacían posible medir la temperatura de la superficie superior de este modo. Ilustración 4. Modelo 3D del primer experimento para el cálculo de Tcielo. Gracias al grosor del aislante en la parte posterior de la chapa, los intercambios energéticos durante la noche son simplemente el radiante con el cielo y los objetos de alrededor y el convectivo con el aire, puesto que la conducción en la parte inferior del experimento se puede considerar nula. Ilustración 5. Intercambios de calor en la superficie de la chapa. A continuación, se muestra el proceso de ensamblaje del experimento, su ubicación, las ecuaciones que gobiernan el sistema, detalles de los componentes utilizados para el montaje y la monitorización, así como los planos del prototipo original y los cambios que se realizaron en el mismo durante la experimentación. 2.1.2.1 Ensamblaje Para el ensamblaje, se pegaron las dos primeras planchas de aislante al interior de la caja de madera con espuma aislante y adhesiva. Posteriormente se agujereó la plancha superior para introducir los tres termopares que se situarían sobre la chapa metálica, con sumo cuidado de romper el aislante lo mínimo necesario, para que no perdiera su funcionalidad. Seguidamente se hizo un surco en la zona en la que se situaría la chapa metálica. El siguiente paso fue introducir los termopares por una ranura en el lateral de la caja de madera, y a través de la plancha superior del aislante. El extremo de medida de cada termopar se bañó con pegamento de alta conductividad, para asegurar que la temperatura medida era la misma que la temperatura que alcanzaba la chapa Qrad Qcv 13 en cada instante. Posteriormente se fijó la chapa al aislante con silicona, y se dejó secar bajo presión durante un día. La caja se pintó con pintura protectora preparada para la intemperie y una vez seco todo, se llevó el experimento a su ubicación final. A partir de ese momento, se conectaron los termopares al termómetro y se empezaron a recabar las medidas cada 5 minutos. En el anexo B se muestran algunas imágenes de los elementos durante el ensamblaje. 2.1.2.2 Ubicación El objetivo de este ensayo fue calcular la Tcielo a partir de la temperatura que alcanzaba la chapa de acero durante las noches, la temperatura ambiente en el exterior y la velocidad de viento en el lugar. El experimento se ubicó en la cubierta SE de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla, en uno de los lugares donde menos impacto tendrían los objetos alrededor de la chapa a la hora de perjudicar el factor de forma para el intercambio radiante con el cielo. Ilustración 6. Ubicación del experimento A continuación, se muestran una serie de imágenes panorámicas que muestran que la superficie del experimento tiene un factor de forma con el cielo elevado, ya que apenas hay objetos ni construcciones que interfieran entre ambos. Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 14 Ilustración 7. Panorámica 1 desde la ubicación del experimento En la orientación de la ilustración anterior, la parte del edificio que hay en el dentro de la imagen y el tejado que se ve en la parte derecha son prácticamente lo único que afectaría al factor de forma de la chapa del experimento con el cielo. Ilustración 8. Panorámica 2 desde la ubicación del experimento Para el ángulo de la imagen anterior, se ve el tejado completo que afectaría al factor de forma con el cielo. Ilustración 9. Panorámica 3 desde la ubicación del experimento El espacio que quedaría por cubrir alrededor del experimento no tiene apenas obstáculos más altos que el experimento, y los que existen, están muy lejos, afectando muy poco al factor de forma. La altura de la superficie del aparato es superior a la cornisa que se ve en las tres imágenes anteriores. 2.1.2.3 Ecuaciones de gobierno Para obtener la Tcielo, se aplicaron las ecuaciones detalladas a continuación. Factor de forma de la chapa con el cielo: 𝐹𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 = 1−0.1 iv Emisividad de la chapa de acero: 15 𝜀𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = 0.8 v Cálculo del coeficiente convectivo en la chapa: ℎ𝑎= 2.8+3·𝑣𝑒𝑙𝑉𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 vi Ecuación de equilibrio en la chapa de acero: 𝑄𝑐𝑣 = 𝑄𝑟𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 +𝑄𝑟𝑜𝑏𝑠𝑡á𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠 vii Definición de los calores intercambiados en el sistema: 𝑄𝑐𝑣 = ℎ𝑎·(𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 − 𝑇𝑠𝑢𝑝) viii 𝑄𝑟𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 = 𝜀𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 ·𝜎 ·𝐹𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 ·((𝑇𝑠𝑢𝑝 +273.15)4−(𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 +273.15)4) ix 𝑄𝑟𝑜𝑏𝑠𝑡á𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠 = 𝜀𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 ·𝜎 ·(1−𝐹𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜)·((𝑇𝑠𝑢𝑝 +273.15)^4−(𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 +273.15)^4) x Donde: 𝐹𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 es el factor de forma entre la chapa y el cielo. 𝜀𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 emisividad de la chapa. ℎ𝑎 coeficiente de película. 𝑣𝑒𝑙𝑉𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 es la velocidad del viento incidente en el experimento. 𝑄𝑐𝑣 es el calor que el aire cede a la chapa por convección. 𝑄𝑟𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 es el calor transferido mediante radiación de la chapa al cielo. 𝑄𝑟𝑜𝑏𝑠𝑡á𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠 es el calor transferido mediante radiación de la chapa a los objetos de alrededor que se encuentran por encima de su plano. 𝑇𝑠𝑢𝑝 temperatura de la superficie de la chapa. 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 temperatura del aire exterior. 𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 temperatura aparente del cielo. 𝜎 constante de Stefan-Boltzmann. La ecuación de equilibrio en la chapa de acero consiste en igualar el calor que cede la chapa por radiación con el cielo al calor que se transfiere por convección desde el aire hasta la chapa más el que se transfiere por radiación desde los elementos que “ven” la chapa, los cuales se ha supuesto e encuentran a temperatura ambiente. Estas ecuaciones son las que se utilizaron a lo largo de todo el experimento. No obstante, la procedencia de los datos no fue siempre la misma. En el apartado 2.1.2.6 se detallan las variaciones acerca de la procedencia de las medidas con la que se calculó la Tcielo. 2.1.2.4 Detalle de componentes y equipos En este subapartado se describe cada elemento necesario para el experimento y se detalla su funcionamiento. 2.1.2.4.1 Termopares Un termopar es un elemento de medición de temperatura formado por la unión de dos metales distintos. Esta unión de distintos metales produce una diferencia de potencial entre un extremo y el otro de cada cable. Dicha diferencia de potencial es función de la diferencia de temperatura entre ambos extremos, por lo que a través de ella se infiere la temperatura a la que se encuentra el extremo del termopar. Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 16 En concreto, en este ensayo se utilizaron 4 termopares tipo K. Este tipo de termopar funciona en un rango de temperaturas de entre -200 y 1372ºC, y está compuesto por un hilo de cromel y otro de alumel. El cromel es una aleación de níquel y cromo, mientras que el alumel es una aleación formada por níquel y aluminio. Este tipo de elemento debe calibrarse, tanto el termopar como el instrumento de interpretación de las mediciones. Puesto que dicha calibración se realizó dos veces para distintos termopares, y con el ánimo de hacer menos repetitivo este documento, se explica el proceso de calibración que se realizó en segundo lugar en el apartado 2.4.2. Esta segunda calibración se llevó a cabo para el experimento de bancada. Dicho ensayo es parte del proyecto total para el que se han realizado los experimentos mostrados en este documento. No obstante, su estudio no se incluye en este trabajo. 2.1.2.4.2 Termo metro Este elemento es el que interpreta las medidas de los termopares y guarda en una tarjeta de memoria la información en ºC. Se trata de un termómetro PCE-T390, que puede trabajar con diversos tipos de termopares, cuyo rango de temperaturas es el adecuado para este experimento. El procedimiento de uso es sencillo. En primer lugar, una vez conectado a la corriente, se establece la fecha y hora en el aparato, se indica el tipo de termopar que se ha conectado y, con la tarjeta de memoria en la ranura, se pone a grabar los datos que mida, en el intervalo de tiempo deseado. Para este experimento se tomaron medidas de los termopares cada 5 minutos. Cada cierto tiempo, uno o varios días, se recogían los datos del mismo y se guardaban en un libro Excel, para su posterior tratamiento junto con el resto de información necesaria. 2.1.2.4.3 Chapa de acero Como elemento de intercambio con el cielo, se utilizó una chapa metálica por su alta conductividad, mínimo espesor y bajo coste. En los ensayos auxiliares vistos en los puntos 2.4.1 y 2.4.3, se determinó la emisividad de la chapa como 0.8. La conductividad de esta se supuso lo suficientemente grande comparada con el espesor de la chapa, como para aceptar la hipótesis de que la temperatura en la superficie superior sería la misma que la de la superficie inferior, algo que se comprueba a partir del día 5 de junio, cuando se instala un termopar en la superficie externa de la chapa y se comprueba la similitud entre las temperaturas medidas por los termopares en ambas caras. Ilustración 10. Chapa de acero 2.1.2.4.4 Aislante poliestireno extruido o XPS El poliestireno extruido o XPS, también conocido como extrudido o extrusionado, es una espuma rígida que se 17 da como resultado de la extrusión del poliestireno en presencia de un gas espumante, y se utiliza principalmente como aislante térmico. El poliestireno extruido tiene muchas características en común con el conocido poliestireno expandido, ya que su composición química es la misma, siendo una mezcla de un 95% de poliestireno y un 5% de gas. La única diferencia entre ambos materiales radica en el proceso de formación. Esta diferencia es crucial, ya que el poliestireno extruido produce una estructura de burbuja cerrada, es decir, es impermeable, por lo que no pierde su capacidad aislante en presencia de agua. Las características térmicas de este material son: Conductividad térmica de 0.033 – 0.036 W/mK, una absorción de agua inferior al 0.7% en inmersión total, unas prestaciones mecánicas de entre 200 – 700 kPa y una densidad aparente entre 30 – 33 kg/m3. (Chemical, s.f.) Debido a las características aislantes de este material y al gran espesor que se ha utilizado en el experimento, se han considerado despreciables los intercambios térmicos hacia los laterales y la base de la caja de madera. Ilustración 11. Planchas cortadas de XPS 2.1.2.4.5 Sensor de temperatura exterior La temperatura exterior comenzó midiéndose con un termopar tipo K, también conectado al termómetro antes mencionado. El extremo de medida del termopar se introdujo en un tubo aislado que contaba con un ventilador en uno de los extremos que aspiraba el aire hacia fuera del tubo, con la intención de que dentro del cilindro hubiera una alta velocidad de aire, y al haber convección forzada, el termopar midiera la temperatura del aire sin que hubiera errores indeseados provocados la radiación solar, el estancamiento de aire o cualquier otro fenómeno. Ilustración 12. Sensor de temperatura exterior en tubo aislado con extracción de aire Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 18 Al poco tiempo se vio que esta solución no era efectiva, por lo que se utilizaron los datos de temperatura ambiente que proporcionaba la estación meteorológica del grupo de TMD, situada lo suficientemente cerca del experimento como para que la temperatura del aire fuse la misma. En la siguiente ilustración se muestra una comparativa de ambas temperaturas de aire, quedando patente la falta de precisión del tubo ventilado para este propósito. Llegada a esta conclusión, se decidió retirar el tubo y colocar el termopar utilizado en la superficie superior de la chapa. Ilustración 13. Comparación de temperatura de aire entre tubo ventilado y estación TMD. 2.1.2.4.6 Estacio n meteorolo gica WatchDog A los pocos días de instalar el experimento, se ubicó la estación meteorológica WatchDog al lado de este, con el fin de medir la velocidad del viento lo más fielmente posible, puesto que es una variable que depende mucho da la ubicación y de los obstáculos que se encuentran alrededor del punto de interés. Esta estación contaba con una batería de gran duración y una memoria interna. Para descargar los datos se utilizó el software propio de la compañía suministradora, el “Specware profesional”, mediante el cual se adquiría la información en formato SWD, fácilmente exportable a Excel, herramienta con la que se realizó el procesado de dicha información. Además de la velocidad de viento, la estación medía otras variables tales como la radiación solar, humedad relativa, temperatura ambiente, cantidad de lluvia, dirección del viento, velocidad de rachas de viento y temperatura de bulbo húmedo. Con este instrumento también se recogieron medidas cada 5 minutos. 19 Ilustración 14. Estación meteorológica WatchDog con el experimento al fondo 2.1.2.5 Planos El experimento contaba con los siguientes materiales principales: - Caja de madera de dimensiones exteriores 40 x 30 x 15 cm y dimensiones interiores 37.4 x 27.4 x 9.5 cm. - 3 planchas de XPS extruido de dimensiones 37.4 x 27.4 x 4 cm cada una. - Chapa de acero de dimensiones 12.4 x 10.6 cm, de espesor despreciable. - 4 termopares tipo K. - Termómetro - Caja de plástico en la que se incluían los instrumentos de medida y los equipos de alimentación eléctrica. Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 26 Ilustración 21. Resultado de temperaturas para noche despejada. Experimento 1. A continuación, se muestra una ilustración con la velocidad del viento y el factor de cobertura total de nubes (TCC) para la noche contemplada en este análisis: Ilustración 22. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada. Experimento1. En la siguiente tabla se muestran los valores medios de la temperatura de la placa metálica, la del aire exterior y la de cielo calculada, así como la velocidad del viento media. Para asegurar que no haya efectos de radiación solar se han tomado las medidas entre las 0:00h y las 6:00h. Temperatura de la placa media entre las 00:00 y las 6:00 (°C) Temperatura exterior media entre las 00:00 y las 6:00 (°C) Temperatura de cielo media entre las 00:00 y las 6:00 (°C) Velocidad del viento media entre las 00:00 y las 6:00 (m/s) 15.83 18.15 10.90 1.66 27 Tabla 5. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 1. Como se observa en la tabla anterior, la diferencia media a lo largo de la noche entre la temperatura del aire y de la placa metálica es de unos 2.3°C de media. Por otro lado, se observa el posible potencial de enfriamiento con el cielo, que de media se encuentra, según los cálculos de este experimento, a una diferencia mayor a 7°C de media durante una noche despejada. 2.1.4.2 Noche nublada La noche del 18 al 19 de julio resultó ser una noche bastante nublada, sobre todo al final de esta. En total, a lo largo de la noche, la cobertura de cielo fue de media de un 48%. Comparando la Ilustración 21 con la Ilustración 23 (ambas con la misma escala para los ejes de la gráfica), queda de manifiesto el tremendo efecto que la nubosidad ejerce sobre la temperatura de cielo. Ilustración 23. Resultado de temperaturas para noche nublada. Experimento 1. Además de la comparación entre ambas ilustraciones, podemos asegurar que la diferencia entre temperatura que alcanza la placa metálica y la temperatura ambiente es menor en este caso que en el anterior, debido a tres motivos principales: la presencia de nubosidad, la escasa variación de la temperatura ambiente y una mayor velocidad de viento, que por el diseño del experimento puede causar graves alteraciones a los resultados. Para mitigar estas alteraciones se amplió el área en el experimento detallado en el apartado 2.2. Centrándose en la Ilustración 24, se puede comprobar que, durante las primeras horas de la noche, esta menor diferencia de temperaturas entre cielo y aire citada anteriormente se debe, por un lado, a la nubosidad, y por otro a la menor variación de temperatura ambiente y a una mayor presencia de viento, aumentando el intercambio convectivo entre la placa y el ambiente. Más adelante, entre las 0:00h y las 3:00h, la nubosidad aumenta hasta tener un cielo prácticamente cubierto en su totalidad, lo que sumado a una mayor velocidad de viento también en esta franja, hace que la temperatura de cielo calculada se encuentre muy próxima a la temperatura ambiente, mostrando un potencial de enfriamiento bastante pobre. Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 28 Ilustración 24. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche nublada. Experimento1. En la siguiente tabla se muestran los valores medios de la temperatura de la placa metálica, la del aire exterior y la de cielo calculada, así como la velocidad del viento media. Para asegurar que no haya efectos de radiación solar se han tomado las medidas entre las 0:00h y las 6:00h. Temperatura de la placa media entre las 00:00 y las 6:00 (°C) Temperatura exterior media entre las 00:00 y las 6:00 (°C) Temperatura de cielo media entre las 00:00 y las 6:00 (°C) Velocidad del viento media entre las 00:00 y las 6:00 (m/s) 17.62 18.90 16.90 1.92 Tabla 6. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 1. Como se observa en la tabla anterior, la diferencia media a lo largo de la noche entre la temperatura del aire y de la placa metálica es de unos 1.3°C de media. Por otro lado, se observa el reducido potencial de enfriamiento con el cielo en este caso, que de media se encuentra, según los cálculos de este experimento, a una diferencia de 2°C de media durante una noche nublada. 2.1.4.3 Noche despejada y nublada Un caso digno de estudio es el de las noches en las que se forman nubes a partir de cierta hora, lo cual se da bastante a menudo y se verá a continuación el gran efecto que puede tener en un sistema de refrigeración radiante. Para esta cuestión se analizará la noche del día 6 al 7 de junio de la misma forma que se han analizado las noches anteriormente expuestas. 29 Ilustración 25. Resultado de temperaturas para noche despejada y nublada. Experimento 1. Ilustración 26. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada y nublada. Experimento1. A la vista de los resultados, está claro que la inestabilidad de la temperatura de cielo calculada para las primeras horas de la noche se debe a la gran variación en la velocidad de viento medida para dicho intervalo de tiempo. A partir de las 2:00 am se observa un gran cambio en la nubosidad, que en el transcurso de una hora aproximadamente llega a una cobertura de nubes total, partiendo de un cielo completamente despejado. Este último hecho citado provoca el visible salto en la temperatura de la chapa metálica, y por consiguiente, el aumento de la temperatura de cielo, llegando a igualarse prácticamente a la temperatura del aire. En cuanto a las temperaturas y la velocidad media del viento, para este caso no son de gran utilidad, puesto que la situación varía mucho entre el primer tramo horario de la noche (cielo despejado) y el segundo (cielo nublado). Temperatura de la placa media entre las Temperatura exterior media entre las 00:00 y Temperatura de cielo media entre las 00:00 y Velocidad del viento media entre las 00:00 y las 6:00 (m/s) Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 30 00:00 y las 6:00 (°C) las 6:00 (°C) las 6:00 (°C) 17.35 18.31 15.17 1.91 Tabla 7. Temperaturas medias en noche despejada. Experimento 1. 2.1.5 Conclusiones Como conclusión a este experimento, se demuestra el potencial de enfriamiento renovable mediante radiación nocturna con el cielo. Además, se pone de manifiesto la importancia que tiene la nubosidad en dicho potencial de enfriamiento, perjudicando seriamente el intercambio radiante al tener las nubes temperatura o temperatura aparente mayor que la del cielo despejado. También se ha demostrado con este experimento la repercusión que tiene la velocidad del viento en los cálculos y el tratamiento de datos. Por este motivo, se procedió a redefinir el experimento de cálculo del potencial de enfriamiento radiante natural, dando lugar al diseño que se presenta en el próximo apartado. Además, de lo anterior, en el ensayo auxiliar en el lugar del experimento, explicado en el apartado 2.4.1, queda de manifiesto que la emisividad juega un papel muy importante en el valor de la Tcielo calculada. Por lo tanto, se realizó el ensayo auxiliar 2.4.3, con el que se delimitó la emisividad que tenía la chapa de acero y aclaró la decisión de pintar de negro la chapa del segundo experimento de Tcielo, consiguiendo así una emisividad clara con valor unidad. 2.2 Segundo experimento de Tcielo. Chapa aislada sobre superficie real Tras el primer experimento, se pensó que, debido al tamaño, el coeficiente de película podía provocar fallos en los resultados, por lo que se decidió hacer un nuevo ensayo, esta vez con un tamaño similar al que tendría un disipador prototipo. Este experimento se ha denominado chapa aislada sobre superficie real. Se trata de una chapa de acero de espesor prácticamente despreciable, insertada en la parte superior de una superficie conformada por 2 planchas de XPS extruido, esta a su vez pegadas a otras dos planchas del mismo material. Todo ello se sitúa encima de una mesa de camping para niños, para que esté a una altura adecuada. El objetivo de este ensayo es calcular la Tcielo de forma más precisa que en el experimento anterior. La metodología sería la misma, es decir, a partir de la temperatura que alcanzaba la chapa de acero durante las noches, la temperatura ambiente en el exterior y la velocidad de viento en el lugar se despejaría dicha Tcielo mediante las ecuaciones mostradas en el apartado 2.2.2.3. Ilustración 27. Experimento 2. Chapa aislada sobre superficie real 31 2.2.1 Metodología Mediante el uso de cuatro termopares tipo K, se mide la temperatura que tenía la chapa a lo largo de todo el día, siendo de interés la información recabada durante las noches. Son los mismos termopares utilizados en el experimento anterior, insertados por el hueco que quedaba entre las planchas hasta la superficie posterior de la chapa. Posteriormente se trataban los datos mediante Excel. El tratamiento consistía en comprobar si todos los termopares medían correctamente y descartar las medidas erróneas. Posteriormente se exportaban los resultados, junto con las condiciones climáticas a EES, donde se calculaba la temperatura de cielo para cada 5 minutos. 2.2.2 Prototipo y montaje A continuación, se muestra el proceso de ensamblaje del experimento, su ubicación, las ecuaciones que gobiernan el sistema, detalles de los componentes utilizados para el montaje y la monitorización, así como los planos del prototipo original y los cambios que se realizaron en el mismo durante la experimentación. 2.2.2.1 Ensamblaje Para el ensamblaje, se llevaron los materiales necesarios a la zona del experimento anterior. Se colocó la mesa de camping para niños y se insertaron los termopares por un agujero dispuesto en el centro de la mesa. A continuación, se pegaron con cinta aislante las dos primeras planchas en dirección N-S y se insertaron los cables por la junta entre ambas. Seguidamente se dispusieron las dos planchas superiores, también pegadas a la mesa con cinta aislante, esta vez en dirección E-O y se sacaron los termopares por la unión entre ellas, justo por el centro, ya que es donde coincidan las uniones de los dos pares de planchas de aislantes. El siguiente paso fue pegar los termopares con el pegamento de alta conductividad utilizado anteriormente, para que, por último, se pegara la chapa metálica con cinta aislante. Esta vez no se utilizó silicona como en el experimento anterior, puesto que el día que se desmanteló se comprobó que la silicona había empezado a despegarse, por lo que optamos por una solución a priori más duradera que la silicona, que había demostrado tener una durabilidad aplicada sobre el XPS de aproximadamente un mes. Puesto que la superficie de este ensayo era mucho mayor que el anterior, era carecía de la compacidad del anterior y era considerablemente menos resistente al viento, se colocaron varias losas pesadas de piedra en lo que serían los asientos de la mesita de camping, para evitar que el viento desplazase el experimento. El termómetro y la aparamenta para conectarlo a la corriente eléctrica se pusieron en la caja del ensayo antiguo. A partir de ese momento, se conectaron los termopares al termómetro y se empezaron a recabar las medidas cada 5 minutos. En el anexo B se muestran algunas imágenes del proceso de ensamblaje. 2.2.2.2 Ubicación La ubicación del experimento es la misma que la del anterior, es decir, en la cubierta SE de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. Ver Ilustración 6. 2.2.2.3 Ecuaciones de gobierno Las ecuaciones para este experimento son las mismas que las utilizadas en el anterior, detalladas en el apartado 2.1.2.3. 2.2.2.4 Detalle de componentes y equipos Los componentes que se utilizaron en este ensayo fueron los mismos que en el anterior, salvo el sensor de temperatura exterior y la estación meteorológica WatchDog. Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 32 2.2.2.5 Planos El experimento contaba con los siguientes materiales principales: - 4 planchas de XPS extruido de dimensiones 125 x 60 x 4 cm cada una. - Chapa de acero de dimensiones 30 x 21 cm, de espesor despreciable. - 4 termopares tipo K. - Termómetro - Mesa de camping para niños 33 Ilustración 28. Experimento 2 Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 34 2.2.2.6 Cambios durante el experimento Desde que se montó el experimento, se han llevado a cabo diversos cambios con el fin de mejorar la veracidad y fiabilidad de la información obtenida. 26 de junio Este día se montó el experimento, y permaneció de la misma forma hasta el día 25 de julio. Cabe destacar que se perdieron medidas en algunos días por cortes de luz que provocaron que el termómetro dejase de guardar información. 25 de julio Ese día se pintó la chapa metálica de negro mate. Esto se hizo para evitar que la chapa reflejase el cielo durante las noches, problema que se explica en el apartado 2.4.1.2. A partir de ese momento, en las ecuaciones se cambió el valor de emisividad de la chapa de 0.8 a 1, lo cual está justificado tras el ensayo de emisividad que se realizó previamente a la pintura de la chapa, comentado en el apartado 2.4.3. A la vista de los resultados obtenidos a partir de ese día, parece que este será el último cambio que se realizará en el experimento. 2.2.3 Monitorización y tratamiento de datos El sistema de monitorización y tratamiento de datos fue el mismo que al final del experimento anterior salvo un cambio. Es decir, se tomaron datos de temperatura de aire, velocidad de viento y nubosidad de la base de TMD, mientras que el experimento contaba con las medidas de la temperatura de la chapa con los cuatro termopares tipo K utilizados hasta el momento, solo que en esta ocasión se colocaron los cuatro debajo de la placa metálica. 2.2.4 Resultados obtenidos del experimento En este apartado se describirán y analizarán los resultados obtenidos mediante este experimento. Puesto que mostrar la totalidad de los resultados obtenidos sería contraproducente, se destacarán las tres situaciones climatológicas más habituales o interesantes durante el período de pruebas, representando un día tipo de cada una de ellas. Las situaciones climatológicas que se muestran a continuación son: Noche totalmente despejada, noche nublada y noche despejada y nublada. Todas las situaciones difieren en un único aspecto primordial, la nubosidad de la noche. Esto es así dado que la nubosidad es, junto con las condiciones de viento y la temperatura del aire, uno de los factores más importantes que afectan a la temperatura de la chapa. Puesto que la velocidad del viento y la temperatura ambiente tienen un efecto más intuitivo en la temperatura de la chapa, se ha decidido hacer la diferenciación con respecto a la nubosidad de cada noche, estudiando a su vez el efecto del viento sobre el experimento en cada momento de cada noche. La metodología seguida para analizar los diferentes tipos de noche estudiados será la misma que la llevada a cabo en el apartado 2.1.3. 2.2.4.1 Noche totalmente despejada Una vez más, el estudio de la nubosidad se realiza mediante la información obtenida del procesado de las medidas aportadas por el ceilómetro, del cual se expone su funcionamiento en el apartado 2.3. Se ha tomado como noche de referencia con cielo despejado la correspondiente al final del día 29 de julio y principio del 30. En la Ilustración 29Ilustración 21. Resultado de temperaturas para noche despejada. Experimento 1., se muestran con una línea azul la temperatura del aire ambiente, proporcionada por los sensores de la estación de TMD. La línea amarilla representa la temperatura de la chapa metálica del experimento. Una vez más, mediante estos resultados y las ecuaciones ℎ𝑎= 2.8+3·𝑣𝑒𝑙𝑉𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 vi y x, se 35 calculó la temperatura de cielo a intervalos de 5 minutos para toda la noche. La temperatura de cielo para cada momento se expresa con círculos de color naranja, mientras que la línea roja marca la media móvil ponderada con 10 elementos de rango, es decir, la media entre el valor del momento, los cinco anteriores y los cinco posteriores, obteniendo así una línea de tendencia más adecuada a la realidad. La sensibilidad del cálculo de Tcielo es elevada, es decir, que una variación pequeña, por ejemplo, de ±0.1℃ en cualquiera de las medidas puede suponer una gran variación del resultado final. Puesto que tanto los termopares como las medidas de temperatura exterior de TMD tienen una precisión de ±0.1℃ y la velocidad de viento, también proporcionada por TMD, tiene una precisión de un decimal, se hace necesario reducir el ruido de las medidas utilizando la mencionada media móvil. Ilustración 29. Resultado de temperaturas para noche despejada. Experimento 2. En esta ilustración se observa la gran diferencia entre la temperatura ambiente y la de cielo, llegando a haber puntos incluso por debajo de los 0°C cuando la temperatura del aire es superior a 30°C. La ausencia total de nubes durante la noche, constatada con los resultados mostrados en la Ilustración 30, hace que el metal se enfríe bastante por debajo de la temperatura ambiente. Además, la superficie de la chapa pintada de color negro y una mayor superficie plana alrededor de la chapa, comparando con el experimento 1, hacen que aumente la emisividad del metal y disminuyan los efectos del viento respectivamente, aumentando así por un lado el calor cedido por la placa al cielo y disminuyendo por otro lado el calor ganado por convección con el aire. A continuación, se muestra una ilustración con la velocidad del viento y el factor de cobertura total de nubes (TCC) para la noche contemplada en este análisis: Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 42 durante la noche, para producir agua fría, no se ha implementado esta separación en la recogida de información. El criterio de funcionamiento vendrá dado por el hecho de si el agua se enfría o se calienta al pasar por el disipador. Aun así, el script contiene esta separación disponible para su uso. Para realizarla, se ha utilizado un vector que contiene la evolución diaria de la altura solar. A través la función find, podemos hallar la posición de los elementos del vector cuya altura solar es mayor que cero, lo que indicará que es de día. Una vez se conoce la posición de estos valores, es inmediato obtener aquellas medidas que se corresponden con el día y la noche. No obstante, este método no es fiable en los días en los que se carece de la totalidad de medidas, dado que puede darse el caso de que la posición de las mediciones cuya altura solar es mayor que cero no esté contenida en la matriz que alberga las medidas, produciéndose como resultado un error. Para evitar este fallo, se excluyen aquellos días en los que no se tienen la totalidad de medidas. 2.4 Ensayos auxiliares En este apartado se detallan los Ensayos auxiliares a los principales ya comentados en los epígrafes anteriores. Estas pruebas auxiliares tienen como primera finalidad solventar dudas y arrojar información necesaria durante la elaboración de los experimentos principales y la toma de medidas. También se contempla aquí el proceso de calibración de termopares, necesario para la correcta interpretación de las mediciones de temperatura, tanto para los experimentos mencionados anteriormente como para los que realizan posteriormente a este trabajo. Por último, en este apartado se explica por qué se rechazó la información proporcionada por la estación meteorológica WhatchDog, del grupo TMT. En concreto, de cada Ensayo o prueba, se detallarán normalmente el objetivo, las ecuaciones de gobierno del sistema junto con las variables que se quieren estudiar, los componentes y los equipos de medida necesarios, la forma de ensamblaje, los planos detallados y los resultados obtenidos. 2.4.1 Experimentación nocturna en el lugar del experimento Durante los primeros días en los que se obtuvo información procedente del primer experimento para calcular la Tcielo, los resultados obtenidos distaban por mucho de los esperados, por lo que se decidió realizar mediciones alternativas en el lugar del experimento durante dos noches consecutivas. 2.4.1.1 Objetivo El objetivo de estos ensayos alternativos era determinar, con distintos aparatos de medida de los que tenía el experimento, la temperatura del aire exterior, temperatura de bulbo húmedo y temperatura de la superficie de la chapa. De esta forma se comprobaría si los resultados fuera de lo esperado se debían a fallos en los equipos de medida o eran causados por otros motivos. 2.4.1.2 Detalle de componentes y equipos de medida Para realizar estas mediciones alternativas se utilizó un termómetro de carraca, un termómetro infrarrojo, un ventilador y un fragmento de vidrio. El termómetro de carraca no es más que un sencillo aparato compuesto por dos termómetros de mercurio unidos a una manivela con libertad de giro. El termómetro cuyo extremo es metálico es el que mide la temperatura del aire, mientras que el envuelto en tela sirve para medir la temperatura de bulbo húmedo, si previamente se ha humedecido. Gracias a la manivela, una vez se ha mojado el termómetro para bulbo húmedo, se gira el conjunto provocando que haya convección forzada en los extremos de los termómetros, alcanzando el mercurio la temperatura real del aire por un lado y de bulbo húmedo por otro. Imágenes del termómetro de carraca en el anexo B. El termómetro infrarrojo se utilizó para medir la temperatura de la superficie de la chapa. Gracias a que este aparato permite establecer la emisividad del objeto cuya temperatura se quiere medir, se pudieron comprobar las temperaturas resultantes de fijar la emisividad en distintos valores, para comprobar que estaba cerca de la establecida anteriormente, en 0.8. 43 El punto negativo del uso de este aparato es que no se diseñó para establecer con precisión la temperatura en un punto determinado, sino que su finalidad sobre el papel es la de discernir zonas con mayor o menor temperaturas que otras, en comparación con su alrededor. Es decir, su empleo esperado es conocer si un objeto o parte de un objeto está más caliente o frío que el resto de los objetos a su alrededor. Aún así, en aquel momento era el mejor dispositivo del que se tenía disposición. A pesar de que el uso que se le dio a este instrumento no fue el óptimo para el que se diseñó, se pudu extraer información de gran interés. La parte numérica se verá en los resultados, un poco más adelante, pero el mayor aspecto a destacar es que al medir con el termómetro infrarrojo sobre la chapa. Se detectó que el acero reflejaba en gran medida la radiación del cielo, ya que la cámara marcaba la temperatura de la chapa como -10ºC (que además es el mínimo que muestra el instrumento), cuando evidentemente no era tal su temperatura, ya que los termopares marcaban una medida mucho mayor y al tacto se notaba que no llegaba ni de lejos a tal enfriamiento. Tras deducir que se debía al reflejo del cielo, se cubrió el experimento con un quitasol para coches y se comprobó que la temperatura que medía en ese caso el termómetro infrarrojo era muy similar a la medida con los termopares y el termómetro de carraca. Desde ese instante se empezó a plantear la posibilidad de pintar la chapa con una pintura de color negro mate. Imágenes del termómetro infrarrojo en el anexo B. 2.4.1.3 Metodología en las mediciones La experimentación nocturna se llevó a cabo durante dos noches, y, en primer lugar, hay que añadir que ambas noches fueron despejadas, al menos en el momento del ensayo. Para este ensayo, se midió la temperatura en todos los elementos de la superficie del experimento, es decir, la chapa metálica (cuyo valor de emisividad estaba en duda), el aislante de alrededor (emisividad de 0.9) y un fragmento de vidrio, que se situó a escasos centímetros de la chapa como elemento de comparación, ya que su emisividad era conocida (0.89). Para comprobar el funcionamiento de los equipos propios del experimento, se tomaron medidas simultáneas con estos y con los equipos auxiliares mencionados anteriormente. Para poder comparar todas las mediciones, se impuso una convección forzada sobre la superficie del experimento (placa metálica, aislante y fragmento de vidrio) gracias a un ventilador, para que esta alcanzase la temperatura del aire ambiente. De este modo, tanto los termopares, como el termómetro de carraca, como el termómetro infrarrojo deberían mostrar la misma temperatura en sus mediciones. Cabe añadir que estas pruebas se realizaron a contrarreloj, puesto que el permiso para permanecer dentro de la facultad de ingeniería fue de una hora y media, y la primera noche se perdió parte del tiempo en trámites con el equipo de seguridad del recinto. 2.4.1.4 Resultados obtenidos del Ensayo Durante la primera noche salió a la luz la problemática del reflejo de la chapa, de manifiesto en la Tabla 13, por la cual se ideó un modo en el que cubrir el experimento dejando un hueco para el ventilador que forzase la convección y otro lo más pequeño posible para introducir el termómetro infrarrojo y medir la temperatura superficial de vidrio, aislante y chapa. Tabla 13. Medidas nocturnas de la primera noche En la segunda noche, una vez sabida la necesidad de cobertura y el método para realizarla de la mejor forma posible, se pudieron obtener una gran variedad de medidas, con la que comprobar el funcionamiento de los Vidrio E = 0.89 Aislante E = 0.90 Placa Emisividad de la placa T sin cubrir (ºC) 13.8 11.2 < -10 Varias 16.2 0.9 15.8 0.95 15.5 1 13.2 15.5 T con cobertura (ºC) Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 44 instrumentos fijos y si la emisividad de la chapa era la correcta. Estas mediciones se muestran en la siguiente tabla: Tabla 14. Medidas nocturnas de la segunda noche A la vista de los resultados, se concluyó que el valor de la emisividad que mejor se adaptaba a la superficie de la chapa era de 0.8. No obstante, para asegurar que se conoce la emisividad, se decidió pintar la chapa de color negro, tal y como se comentó en los cambios del experimento dos. De esta forma se elimina cualquier tipo de incertidumbre del valor de la emisividad, dado que no estaba del todo claro que su valor fuera de 0.8 aún después de realizar este ensayo. 2.4.2 Calibración de termopares 2.4.2.1 Objetivo El objetivo de la calibración de termopares es asegurar que las medidas y la información que se va a obtener de ellos es veraz y fiable, así como determinar qué termopares están en mal estado y no deben ser utilizados, o cuáles son los mejores si hubiera posibilidad de elegir entre varios. 2.4.2.2 Metodología La calibración de termopares tiene como fin adecuar las medidas de temperatura tomadas con dichos termopares a la temperatura real. Es decir, se busca una ecuación para cada termopar, que corrija la medida tomada y se obtenga así el valor real de la temperatura que se quiere conocer. Para conseguir esto, se ha utilizado un horno de calibración de alta precisión que mantiene una barra metálica a una temperatura constante. Los termopares se han colocado en el interior de dicha barra, midiendo su temperatura. De este modo, se tiene un valor de referencia con el que comparar las medidas de los termopares. En este caso, teniendo en cuenta el uso final de los termopares seleccionados, se han tomado varias medidas con a diferentes temperaturas, variando desde los 5ºC hasta los 60ºC, a intervalos de 5 grados. El proceso consiste en establecer en el horno de calibración a la temperatura deseada, esperar a que se estabilice la temperatura en la barra de metal, dejar 5 minutos antes de medir para que los termopares alcancen la misma temperatura que tiene la barra de metal y tomar los datos de las mediciones durante otros 5 minutos. Al ser los termopares elementos metálicos y con poca masa, el tiempo de espera de 5 minutos es más que suficiente para combatir la inercia. Una vez tomados los datos en todo el rango de temperaturas, se seleccionan los mejores termopares y se calculan Hora Taire termómetro carraca (℃) Tbh termómetro carraca (℃) Tvidrio cámara infrarroja (℃) Taislante cámara infrarroja (℃) Tplaca termopares (℃) Tplaca cámara infrarroja (℃) Emisividad placa 21.9 0.9 21.6 0.8 21 0.7 19.6 0.5 18.7 0.4 17.6 0.3 17.8 0.5 18.6 0.55 18.9 0.6 19.5 0.7 19.2 0.75 19.2 0.8 0:10 20.3 17.2 19.6 19.7 20.6 0:00 20.8 17.5 19.6 19.7 21 21.1 19.9 19.9 18 21.2 23:50 21.5 22.9 23.3 18.2 21.5 23:25 45 las ecuaciones que vinculan las medidas con la temperatura real. Hay que tener en cuenta que no solo se calibra el termopar, sino que se calibra también el instrumento de medida. Es decir, que si se calibra un termopar en la posición 1 del instrumento de medida, este termopar se debería utilizar posteriormente en dicha posición 1 del mismo instrumento de medida, puesto que si se conectara en otra posición, la medida arrojada por el instrumento sería muy probablemente distinta, por lo que se cometería un error innecesario. 2.4.2.3 Detalle de componentes y equipos de medida 2.4.2.3.1 Termopares Un termopar es un elemento de medición de temperatura formado por la unión de dos metales distintos. Esta unión de distintos metales produce una diferencia de potencial entre un extremo y el otro de cada cable. Dicha diferencia de potencial es función de la diferencia de temperatura entre ambos extremos, por lo que a través de ella se infiere la temperatura a la que se encuentra el extremo del termopar. En concreto, en este ensayo se calibraron 13 termopares tipo T. Este tipo de termopar funciona en un rango de temperaturas de entre -200 y 260ºC, y está compuesto por un hilo de cobre y otro de una aleación formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel, llamada constantán. En la Ilustración 76, en el anexo B, se muestra un termopar enrollado en la imagen de la izquierda y los dos extremos de un mismo termopar. El extremo izquierdo es el que se pone en contacto con el objeto o fluido cuya temperatura se quiere medir, mientras que el extremo derecho (con dos puntas) es el que se introduce en el aparato de interpretación de las medidas. 2.4.2.3.2 Horno de calibracio n Un horno de calibración de temperatura es un elemento que proporciona unas condiciones isotermas para realizar calibraciones por comparación. Para este ensayo se utilizó el horno de calibración Fluke Calibration 9142. Cuenta con un rango de utilización de -25ºC a 660ºC, y tiene una precisión de ± 0.01ºC. Imágenes del horno y el cilindro metálico en el anexo B. 2.4.2.3.3 Conexiones National Instruments Para interpretar en forma de temperatura la diferencia de potencial del termopar, se utilizaron dos módulos de interpretación de National Instruments, junto con la herramienta informática LabView. Los elementos de conexión entre los termopares y el ordenador con el programa informático que permitía el procesado de los datos fueron dos utensilios de adquisición de datos de la marca National Instruments, en concreto los modelos NI TB-9214 y NI cDAQ-9174. NI TB-9214 El NI TB-9214 es un módulo de alta densidad para termopares, diseñado para ser conectado a los sistemas CompactDAQ o CompactRIO. En este caso se conectó al primero de los dos. Está diseñado para su uso en sistemas con un gran número de canales que necesiten una alta precisión. El NI TB-9214 aumenta la precisión general con un bloque de terminales de montaje frontal, varios sensores CJC en el bloque de terminales y un diseño de componentes que minimiza los gradientes térmicos. Los termopares se conectaron a este aparato, que tiene capacidad para albergar hasta a 16 de ellos. Asimismo, este módulo se conecta al NI cDAQ-9174 y no se conecta a la corriente eléctrica. NI cDAQ-9174 El cDAQ-9174 es una carcasa diseñada para sensores de medida en sistemas pequeños y portátiles. El chasis controla la temporización, la sincronización y la transferencia de datos entre los módulos de E/S de la Serie C y Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 46 un servidor externo. Este instrumento permite el paso de información del módulo NI TB-9214 hacia el ordenador con el programa LabView, para el posterior uso de la información recabada por los termopares. Este aparato se conecta a la corriente eléctrica mediante un cable específico, y a un ordenador a través de un cable USB. Imágenes de ambos módulos disponibles en el anexo B. 2.4.2.4 Resultados obtenidos del ensayo 2.4.2.4.1 Eleccio n de termopares En primer lugar, a la vista de las medidas de cada termopar, mostradas en el Error! Reference source not found., se comprueba que los termopares T1, T7 y T10 están completamente fuera de rango, por lo que se descarta su uso. El siguiente paso para la calibración es calcular la temperatura media que da el termopar en el intervalo de medidas de cada temperatura real, puesto que, para una misma temperatura fijada en el pozo, se tomaron varias medidas con los termopares. El resultado se muestra en la Tabla 15. Medias de las medidas. Una vez obtenidos los valores medios aportados por cada termopar, se comprueba la diferencia que se da entre la medida del termopar y la temperatura real para cada valor en el rango deseado. Este dato se encuentra en la Tabla 16. Diferencias con respecto a la temperatura real. Además, a partir de esta tabla se obtiene también la media de la desviación en el intervalo que es más interesante para la aplicación de estos termopares. Este dato será necesario para la posterior elaboración de la ley que gobierna cada termopar. Posteriormente, se calcula la fluctuación en las medidas de cada termopar para cada temperatura, expuestas en la Tabla 17. Fluctuación máxima de las medidas. De esta tabla se concluye que los mejores termopares son los que tienen una menor fluctuación media, es decir, el T0, T2, T5, T8, T9, T11 y T12. 2.4.2.4.2 Ecuaciones para cada termopar El siguiente paso es calcular la ecuación que rige cada termopar, de forma que para cada medida que tomen, se pueda saber cuál es la temperatura real del punto en el que están colocados. El tipo de relación entre temperatura medida y real depende de diferencia entre la temperatura media medida por los termopares y la temperatura real, y de la diferencia de fluctuación en cada medida. Puesto que ambas varían muy poco entre una temperatura y otra, se ha decidido establecer una relación simple para cada termopar, siendo una ecuación del tipo 𝑦 = 𝐴+𝑥. En concreto, se muestran a continuación las ecuaciones para cada termopar, siendo T la temperatura real en ºC y TX la temperatura medida por el termopar en ºC. 𝑇 = 0.59 + 𝑇0 𝑇 = 0.68 + 𝑇2 𝑇 = 1.02 + 𝑇5 𝑇 = 0.81 + 𝑇8 𝑇 = 0.55 + 𝑇9 𝑇 = 0.64 + 𝑇11 𝑇 = 0.53 + 𝑇12 xi A continuación, se muestran la Tabla 15, la Tabla 16 y la Tabla 17,citadas anteriormente, las medidas tomadas durante la calibración se han incluido en un anexo. Las medidas de los termopares T1 y T7 se descartaron desde el primer momento por fallos reconocibles a simple vista en las medidas, por lo que no aparecen en las siguientes tablas. 47 2.4.2.4.3 Medias de cada termopar Tabla 15. Medias de las medidas 2.4.2.4.4 Diferencias con respecto a la temperatura real Tabla 16. Diferencias con respecto a la temperatura real REAL (ºC) T0 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) T5 (ºC) T6 (ºC) T8 (ºC) T9 (ºC) T10 (ºC) T11 (ºC) T12 (ºC) 00.67 0.72 1.25 1.03 1.14 0.62 1.00 0.63 28.45 0.95 0.72 55.64 5.70 6.16 5.99 6.11 5.61 5.95 5.61 28.46 5.81 5.67 10 10.63 10.69 11.10 11.10 11.08 10.58 10.92 10.60 28.77 10.75 10.64 15 15.61 15.69 16.06 16.07 16.04 15.54 15.87 15.56 28.83 15.71 15.59 20 20.60 20.70 21.03 21.09 21.04 20.59 20.85 20.57 28.18 20.69 20.57 25 25.58 25.68 25.97 26.03 26.01 25.52 25.81 25.53 28.17 25.63 25.52 30 30.58 30.67 30.92 31.02 30.99 30.52 30.77 30.53 27.94 30.59 30.49 35 35.58 35.69 35.92 36.04 36.00 35.56 35.76 35.53 27.82 35.58 35.48 40 40.56 40.68 40.88 41.01 40.97 40.51 40.72 40.51 27.85 40.53 40.43 45 45.55 45.68 45.85 46.01 45.94 45.47 45.72 45.50 28.05 45.52 45.42 50 50.54 50.70 50.86 51.05 50.90 50.50 50.71 50.48 27.87 50.49 50.42 55 55.51 55.70 55.82 56.03 55.87 55.46 55.69 55.45 28.02 55.47 55.40 60 60.50 60.70 60.85 61.03 60.85 60.43 60.66 60.45 28.03 60.42 60.37 MEDIAS REAL (ºC) T0 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) T5 (ºC) T6 (ºC) T8 (ºC) T9 (ºC) T10 (ºC) T11 (ºC) T12 (ºC) 00.67 0.72 1.25 1.03 1.14 0.62 1.00 0.63 28.45 0.95 0.72 50.64 0.70 1.16 0.99 1.11 0.61 0.95 0.61 23.46 0.81 0.67 10 0.63 0.69 1.10 1.10 1.08 0.58 0.92 0.60 18.77 0.75 0.64 15 0.61 0.69 1.06 1.07 1.04 0.54 0.87 0.56 13.83 0.71 0.59 20 0.60 0.70 1.03 1.09 1.04 0.59 0.85 0.57 8.18 0.69 0.57 25 0.58 0.68 0.97 1.03 1.01 0.52 0.81 0.53 3.17 0.63 0.52 30 0.58 0.67 0.92 1.02 0.99 0.52 0.77 0.53 -2.06 0.59 0.49 35 0.58 0.69 0.92 1.04 1.00 0.56 0.76 0.53 -7.18 0.58 0.48 40 0.56 0.68 0.88 1.01 0.97 0.51 0.72 0.51 -12.15 0.53 0.43 45 0.55 0.68 0.85 1.01 0.94 0.47 0.72 0.50 -16.95 0.52 0.42 50 0.54 0.70 0.86 1.05 0.90 0.50 0.71 0.48 -22.13 0.49 0.42 55 0.51 0.70 0.82 1.03 0.87 0.46 0.69 0.45 -26.98 0.47 0.40 60 0.50 0.70 0.85 1.03 0.85 0.43 0.66 0.45 -31.97 0.42 0.37 Media intervalo coloreado 0.59 0.68 0.98 1.05 1.02 0.55 0.81 0.55 0.64 0.53 DIFERENCIA Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 48 2.4.2.4.5 Fluctuacio n ma xima de las medidas Tabla 17. Fluctuación máxima de las medidas REAL (ºC) T0 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) T5 (ºC) T6 (ºC) T8 (ºC) T9 (ºC) T10 (ºC) T11 (ºC) T12 (ºC) 00.02 0.03 0.13 0.04 0.06 0.09 0.02 0.04 0.49 0.09 0.04 50.02 0.01 0.03 0.04 0.04 0.06 0.03 0.03 0.30 0.07 0.05 10 0.03 0.02 0.03 0.05 0.04 0.09 0.04 0.05 0.32 0.05 0.04 15 0.04 0.02 0.03 0.05 0.03 0.08 0.03 0.04 0.39 0.05 0.03 20 0.04 0.04 0.05 0.06 0.04 0.08 0.03 0.05 0.46 0.04 0.03 25 0.04 0.02 0.03 0.06 0.04 0.07 0.02 0.03 0.40 0.03 0.03 30 0.03 0.04 0.04 0.06 0.04 0.10 0.02 0.04 0.67 0.03 0.04 35 0.03 0.02 0.04 0.06 0.03 0.05 0.03 0.03 0.31 0.02 0.03 40 0.05 0.05 0.20 0.07 0.04 0.09 0.05 0.05 0.70 0.04 0.06 45 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.06 0.03 0.03 0.48 0.03 0.03 50 0.03 0.04 0.09 0.08 0.05 0.10 0.04 0.06 0.53 0.03 0.03 55 0.03 0.02 0.03 0.03 0.03 0.08 0.03 0.03 0.56 0.03 0.03 60 0.05 0.04 0.70 0.07 0.05 0.08 0.06 0.07 0.63 0.04 0.06 Media 0.03 0.03 0.06 0.05 0.04 0.08 0.03 0.04 0.46 0.04 0.04 FLUCTUACIÓN (MAX - MIN) 49 2.4.3 Prueba de emisividad de la chapa en laboratorio Tras comprobar que la chapa metálica tenía una gran reflectividad, se procedió a probar en laboratorio la emisividad de la chapa tal cual y la emisividad pintada de negro mate. Esta prueba ser pudo realizar a partir de mediados de julio, cuando se dispuso de una cámara termográfica de alta precisión, necesaria para recabar información con validez. 2.4.3.1 Objetivo El objetivo de la prueba era contrastar una vez más la emisividad de la chapa original como 0.8, así como estudiar el comportamiento de la chapa al pintarla de negro, para decidir en base a los resultados si pintar la chapa del experimento o no. 2.4.3.2 Detalle de componentes y equipos de medida Para esta prueba se volvieron a utilizar un ventilador y un termómetro de carraca, como el de la Ilustración 74. Además, para medir la temperatura superficial de las chapas pintada y sin pintar, se utilizó una cámara termográfica mostrada a continuación. Ilustración 35. Cámara termográfica En el anexo B se muestran el lugar donde se realizó el ensayo y el resultado final de la chapa pintada en negro. 2.4.3.3 Metodología en las mediciones Este ensayo es parecido al comentado en el epígrafe 2.4.1, salvando que no se midió temperatura con termopares y que no se tuvo que realizar ninguna cobertura sobre las chapas, ya que se consideró que la temperatura de los objetos alrededor de las mismas era lo suficientemente parecida a la temperatura ambiente y a la temperatura de las chapas. Puesto que la temperatura en el exterior del laboratorio era prácticamente la misma que en el interior durante el experimento, y no había radiación directa sobre las paredes del recinto, se consideró una hipótesis acertada. Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 50 Así pues, se volvió a imponer convección forzada con un ventilador, tal y como se muestra en la Ilustración 81. También se midió la temperatura ambiente con un termómetro de carraca, y con la cámara termográfica se midió la temperatura superficial de ambas chapas. Volvió a quedar patente la alta reflectividad de la chapa sin pintar, dado que al apuntar con la cámara hacia ella (de manera perpendicular a la superficie, que es como se debe hacer) se veía en la pantalla de la cámara una circunferencia a mayor temperatura que el resto de la chapa. Este punto caliente se debía sin duda al reflejo de la lente de la propia cámara, por lo que, para evitar este error, se midió con la mínima inclinación posible que salvase esta zona reflejada. Sin embargo, la chapa pintada de negro no daba ese problema, así que se decidió pintar la chapa de ese color y comparar los resultados de Tcielo, que como se vio en el apartado 2.2.3 y se comentará más adelante, fue una decisión acertada, que asemejó los resultados obtenidos de Tcielo a los resultados esperados en un primer momento. 2.4.3.4 Resultados obtenidos del ensayo Hora T. Termómetro de carraca (ºC) T. Chapa negra (ºC) T. Chapa original (ºC)/ 𝜀 tarada en la cámara 11:50 26.8 26.6 27.0 / 0.80 27.1 / 0.85 12:00 27.1 27.0 26.9 / 0.75 27.1 / 0.80 27.1 / 0.80 11:10 27.2 27.2 27.2 / 0.75 27.3 / 0.80 27.3 / 0.85 Tabla 18. Resultados del ensayo de emisividad en laboratorio 2.4.4 Rechazo de los datos de la estación WatchDog. Al tiempo de tomar medidas de esta estación climática, comparando con información externa de velocidad de viento sospechamos que dicha estación no era precisa, por lo que se llevó al lugar donde el grupo de TMD tiene su estación meteorológica, con el fin de comparar las medidas de ambas. Se compararon variables como la temperatura del aire y la velocidad de viento, pues son las más influyentes en los experimentos. El resultado provocó el descarte de la información proporcionada por la estación WhatchDog. 51 Ilustración 36. Comparación de temperaturas de aire y velocidades de viento. Durante el día que se ubicaron en el mismo lugar, se ve en la Ilustración 36, que la estación WatchDog (línea naranja designada como TMT) no era efectiva, por lo que para calcular la Tcielo se utilizaron los datos de temperatura de aire y velocidad de viento que proporcionaba la estación meteorológica del grupo de TMD, situada lo suficientemente cerca del experimento como para que la temperatura del aire fuse la misma, aunque no lo bastante como para que la velocidad del viento medida allí sea del todo igual a la que sufre nuestro experimento. No obstante, es la mejor solución que se podía disponer. A continuación, se muestra la variación de la Tcielo calculada con una velocidad de viento y otra, utilizando como temperatura de aire la de TMD: 0 2 4 6 8 10 12 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00 4:48:00 9:36:00 velocidad viento (m/s) 14 Julio TMD TMT 59 3 PROTOTIPO DE DISIPADOR RADIANTE on el fin de poner a prueba las ideas razonadas anteriormente sobre el enfriamiento nocturno sin contaminación, utilizando el cielo como medio natural y completamente renovable al que ceder calor, se ha instalado en la cubierta de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería un prototipo de disipador. Mediante este elemento se han realizado diversas pruebas de operación con las que se pretende caracterizar el fenómeno a la par que identificar el potencial uso de este tipo de elementos especiales. A lo largo de este capítulo, se describirán los fundamentos térmicos de este sistema; se describirá el prototipo y su contorno: ubicación, componentes, monitorización y ecuaciones de gobierno; se detallarán los ensayos realizados; posteriormente se mostrarán los resultados más interesantes y por último se comentarán las conclusiones extraídas durante el proceso de experimentación. 3.1 Descripción general El prototipo de disipador es un elemento diseñado para caracterizar el intercambio energético nocturno que sufre un flujo de agua al pasar a través o sobre el disipador. Dicho intercambio provocará el enfriamiento del agua, que se utiliza como fluido caloportador. El agua pude circular tanto por el interior del disipador como por la superficie. El circuito es básico, cuenta dos bombas, una para el funcionamiento de agua por fuera con la que se lleva el agua desde el depósito o acumulador hasta la parte alta del disipador y otra para agua por dentro que impulsa el agua por dentro del disipador, desde la parte baja de este hasta el colector superior. El depósito se encuentra a una cota menor que el disipador, por lo que no se necesita bombeo en el retorno. El interés de llevar a cabo un plan de experimentación con este prototipo es el de comprender y cuantificar el potencial uso de enfriamiento nocturno de agua mediante radiación con el cielo, con el objetivo de cubrir parte o la totalidad de la demanda de refrigeración de un edificio 3.2 Fundamentos En el sistema se dan varios procesos térmicos. Por un lado, se tiene el proceso de enfriamiento radiante por el cual se enfría el disipador con el cielo, además del calentamiento por radiación con los objetos que se encuentran entre el disipador y el cielo. De forma global, esto provoca que el agua se enfríe al pasar por la superficie o el interior del disipador. A su vez, el aire calienta el disipador por convección. Sin embargo, el fenómeno más significativo se da cuando el agua se pasa por fuera del disipador, donde, a los intercambios anteriores, hay que añadir el enfriamiento por evaporación de parte de la película de agua. En los siguientes puntos se detalla un esquema de los flujos de calor, las variables más interesantes en el sistema y las ecuaciones de gobierno del prototipo. 3.2.1 Esquema de flujos de calor Como se ha mencionado anteriormente, los flujos de calor que se dan en el disipador son el calor intercambiado por radiación (Qrad), el calor absorbido por convección con el aire (Qrcv) y el calor cedido por evaporación cuando el experimento funciona con el agua creando una película descendente por la superficie del disipador (Qev). C Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 60 Ilustración 43. Intercambios de calor en la superficie de la chapa. Tras el paso por el disipador, el agua fría se mezcla con el agua del depósito, por lo que en ese punto se produce una mezcla entre agua fría y caliente en el acumulador. 3.2.2 Variables del sistema y ecuaciones de gobierno En este apartado se describen las variables y ecuaciones utilizadas para la caracterización del dispositivo, la energía disipada por el agua, etc. Las variables necesarias para caracterizar de forma coherente el intercambio radiante y por lo tanto el enfriamiento nocturno que se producía en el prototipo, son: la temperatura del aire (Text), medida cada cinco minutos, utilizada tanto de forma puntual como su media en un intervalo de tiempo; la temperatura del depósito (Tdep), que es el resultado de la temperatura media tomada en tres puntos distintos del depósito, medida cada cinco minutos y utilizada de forma puntual como su media en un intervalo de tiempo; y el coeficiente de pérdidas por transmisión del acumulador (UA), el cual se calcula de forma experimental para su posterior utilización en los cálculos de potencia y energía disipada. Para caracterizar los intercambios energéticos durante las noches de experimentación se tomó un paso de tiempo de 50 minutos entre cada cálculo, con el objetivo de poder visualizar fácilmente los cambios que se producían en la temperatura del agua y las condiciones exteriores. Se comienza calculando cada noche a las 0h y 45min y se toma como último cálculo el realizado con los datos de las 7h y 25min. Puesto que los cálculos se harán con datos correspondientes a 50 minutos, se llamará Xmedia a las magnitudes que contemplen la media de los valores para esos 50 minutos. Se dirá que el instante inicial es t1 y el instante final t2. Salto de temperatura en el depósito (ºC): 𝑆𝑇𝐷 = 𝑇𝑑𝑒𝑝(𝑡1)− 𝑇𝑑𝑒𝑝(𝑡2) xii Donde 𝑇𝑑𝑒𝑝 es la temperatura del agua del depósito en un instante determinado. Esta temperatura es la media entre los datos tomados con tres sensores colocados en puntos diferentes del acumulador. Calor total disipado (Wh): 𝑄𝑇𝑑 = 𝑚·𝐶𝑝·𝑆𝑇𝐷/3600 xiii Donde: 𝑚 = masa de agua que hay en el depósito (200Kg). 𝐶𝑝 = Calor específico del agua (4800 J/(Kg·K). 3600 = Segundos en una hora (s/h). Calor de pérdidas (o ganancias) por transmisión en el depósito (Wh): 𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛𝑑𝑒𝑝=𝑈𝐴·(𝑇𝑑𝑒𝑝𝑚𝑒𝑑(𝑡1,𝑡2)− 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑚𝑒𝑑(𝑡1,𝑡2))·0.75 xiv Qrad Qcv Qev 61 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Donde: UA = Coeficiente de transmisión de pérdidas (W/K). Dada la dificultad de calcular empíricamente de forma exacta este parámetro, se decidió calcular un calor de pérdidas para un UA de percentil 85 y otro para un UA de percentil 15. En el apartado 3.3.3 se aclara con mayor detalle el cálculo de este factor de pérdidas. 𝑇𝑑𝑒𝑝𝑚𝑒𝑑(𝑡1,𝑡2) = Temperatura media del depósito entre los instantes t1 y t2. 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑚𝑒𝑑(𝑡1,𝑡2) = Temperatura media del aire exterior entre los instantes t1 y t2. 0.75 = Paso de tiempo de una hora a 45 minutos. Potencia media disipada por el disipador (W/m2): 𝑃 𝑑𝑖𝑠 =(𝑄𝑇𝑑− 𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛𝑑𝑒𝑝) 0.75·2.1 xv Donde: 0.75 = Como 𝑄𝑇𝑑 y 𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛𝑑𝑒𝑝 se calcularon para 45 minutos, de esta forma se hace por hora, obteniendo como resultado la energía media disipada por hora, es decir, la potencia media (Wh/h). Las unidades de este valor serían (h). 2.1 = Superficie del disipador (m2). Diferencia de temperatura media entre el depósito y el disipador: 𝐷𝑇𝑀 = 𝑇𝑑𝑒𝑝𝑚𝑒𝑑(𝑡1,𝑡2)− 𝑇𝑒𝑠𝑡𝑚𝑒𝑑(𝑡1,𝑡2) xvi Donde 𝑇𝑒𝑠𝑡𝑚𝑒𝑑(𝑡1,𝑡2) = Temperatura media de estancamiento del disipador entre los instantes t1 y t2. 3.3 Descripción del prototipo En este subapartado se detallarán aspecto del experimento como su ubicación, los componentes necesarios, el sistema de monitorización y los modos de funcionamiento. 3.3.1 Ubicación Por otro lado, al igual que los experimentos presentados en el capítulo anterior, este prototipo permite caracterizar de forma más fiel a la realidad el intercambio radiante nocturno de un elemento con el cielo. A través de la energía disipada del agua, las temperaturas del disipador y del aire, así como la nubosidad, se puede desarrollar más aún el estudio de dicho intercambio radiante. Ilustración 44. Panorámica 1 de la ubicación del prototipo. Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 62 Tanto en la ilustración anterior como en la posterior, se muestran imágenes panorámicas en la localización del prototipo, mostrando los obstáculos cercanos y lejanos que se encuentran entre la superficie del disipador y el cielo. Estos objetos perjudicarán el intercambio radiante. Ilustración 45. Panorámica 2 de la ubicación del prototipo. El experimento se ubicó en la cubierta SO de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla, en uno de los lugares disponibles que menos impacto tendrían los objetos alrededor de la chapa a la hora de perjudicar el factor de forma para el intercambio radiante con el cielo. La localización se muestra la Ilustración 46. Ilustración 46. Ubicación del prototipo de disipador radiante 63 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna 3.3.2 Planos y detalle de componentes En este subapartado se mostrará el plano del prototipo, además de describirse los elementos necesarios para el experimento y su funcionamiento. 3.3.2.1 Planos El prototipo está constituido por: o Absorbedor. o Radiador de material plástico con aislamiento en la cara inferior apoyado y sujeto a cubierta sobre estructura metálica con ángulo variable. o Depósito de agua cerrado con tapa y un determinado nivel de aislamiento. o Circuitos que realizan y controlan el movimiento del agua. o Disipador de calor para invierno. o Sistema de medida de caudales y temperaturas. A continuación, se muestra un modelo 3D del sistema: Ilustración 47. Modelo 3D del prototipo del disipador A continuación, se detallan los componentes que integran el sistema. 3.3.2.2 Panel de disipación El elemento principal del prototipo es el panel por el que circula el agua, ya sea por su superficie o por su interior. Este elemento tiene una superficie de 2.1m2 y el material del que se compone es el polipropileno. El disipador se encuentra anclado a una chapa metálica de mayor tamaño aislada tanto por arriba como por Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 64 abajo. Esta chapa cuenta con unas acanaladuras que dirigen el agua que cae del disipador durante su funcionamiento en modo agua fuera hacia el canalón de recogida. Cuenta con un distribuidor agujereado en la parte superior para el funcionamiento de agua por fuera, y un distribuidor y un colector en la parte baja y alta respectivamente, para el funcionamiento en modo agua por dentro. Ilustración 48. Disipador en funcionamiento en modo agua fuera 65 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Ilustración 49. Disipador tras pruebas en modo agua fuera 3.3.2.3 Depósito El agua con la que se realizaron las pruebas se almacenó en un depósito aislado situado bajo el disipador. Se llenó siempre hasta una altura tal que contenía 200l de agua. Ilustración 50. Acumulador de agua 3.3.2.4 Distribuidor de agua por el exterior Consiste en un tubo de PVC perforado a lo largo por pequeños orificios. Mediante estas perforaciones distribuidas en línea por todo el tubo, que abarca la parte superior del disipador, se lanza el agua por la superficie Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 66 de este, consiguiendo la formación de una película descendente completamente continua de agua. Ilustración 51. Tubo distribuidor para funcionamiento de agua por fuera 3.3.2.5 Manómetro Se instaló un manómetro como sistema para controlar de forma manual mediante una válvula el caudal que circula por fuera del disipador. La formación de una película descendente completa y constante en el tiempo se consigue tarando la válvula manual de manera que la presión que marca el manómetro sean 0.3bar. Ilustración 52. Manómetro para presión en modo agua fuera 3.3.2.6 Canalón de recogida Una vez que el agua ha terminado de atravesar el disipador, se recoge mediante un canalón de PVC conectado al depósito. Al estar la recogida a mayor cota que el acumulador, el agua llega a este sin necesidad de bombeo. 67 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Ilustración 53. Canalón de recogida 3.3.2.7 Estructura móvil El funcionamiento de este sistema en modo agua por fuera se basa en la formación de una película estable de agua, desde la parte superior del disipador hasta la parte baja de este. La formación de dicha película depende directamente de la cantidad de agua que se bombea al tubo difusor y de la inclinación del disipador. Por un lado, cuanta más agua se bombee, más fácilmente se establecerá una película completamente desarrollada y estable en el tiempo. Por otro lado, a mayor inclinación, más rápido circula el agua, por lo que la película formada será peor, tendrá huecos debido a que el agua seguirá unos caminos preferentes. Por lo tanto, a mayor inclinación, más agua habría que bombear al difusor y más consumo eléctrico tendría el sistema. Por este motivo, se busca la inclinación óptima a partir de la cual se forma una película constante y el agua discurre sin problemas a lo largo del disipador. Para poder probar con varias inclinaciones del sistema, se montó una estructura metálica móvil con un sistema de anclaje corredero en los dos soportes de la parte superior, pudiendo variar el ángulo de caída según las pruebas que se quisieran realizar. Ilustración 54. Estructura metálica móvil con variador de ángulo. Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 74 del depósito a través de la cuantificación de la energía cedida desde el propio acumulador hacia el ambiente, durante un determinado período de tiempo. Para ello simplemente se calienta el agua durante el día y se observa la disminución de temperatura del agua del depósito durante la noche, sin que circule el agua por el disipador en ningún momento de esta. Para este análisis se muestran los resultados del segundo período de este experimento, el cual se realizó en el fin de semana entre el viernes 13 y el domingo 15 de septiembre, lo cual equivale a las noches referidas al 14, 15 y 16 de septiembre. El control para estos días fue manual, haciendo funcionar el prototipo como captador un determinado número de horas durante el día. Una vez obtenidos los datos experimentales, se caracterizó el coeficiente de pérdidas UA del depósito valorando la información cada 45 minutos, tomando como rango válido el percentil 15-85 de los resultados obtenidos, puesto que no se obtiene un valor único de dicho coeficiente. En la siguiente ilustración se muestran gráficamente los cambios de temperatura que sufre el agua para estos días. Ilustración 56. Pérdidas para noches de estimación del UA del depósito. Para calcular el coeficiente de pérdidas se utilizan las ecuaciones 𝑄𝑇𝑑 = 𝑚·𝐶𝑝·𝑆𝑇𝐷/3600 xiii 𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛𝑑𝑒𝑝=𝑈𝐴·(𝑇𝑑𝑒𝑝𝑚𝑒𝑑(𝑡1,𝑡2)− 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑚𝑒𝑑(𝑡1,𝑡2))·0.75 xiv, expuestas al principio del capítulo. Mediante ambas ecuaciones y los datos de pérdidas medidos de estas noches, mostrados en la Tabla 22, se deciden tomar como resultado de UA los valores correspondientes al percentil 85 y 15, llegando a los valores de UA85 = 5.32 y UA15 = 3.86. Tempera tura deposito °C Tempera tura exterior° C Q Tmedia deposito Tmedia ext Dif T UA 14/09/2019 0:45:44 33.8 19.1 63.524 33.96 19.4 14.59 4.353 14/09/2019 1:35:44 33.6 19.0 69.939 33.73 19.2 14.53 4.813 14/09/2019 2:25:44 33.4 18.6 59.240 33.51 18.9 14.62 4.051 15 20 25 30 35 40 45 50 13/9/19 0:00 13/9/19 12:00 14/9/19 0:00 14/9/19 12:00 15/9/19 0:00 15/9/19 12:00 16/9/19 0:00 16/9/19 12:00 Temperatura °C 13-16 septiembre Temperatura media del depósito 75 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna 14/09/2019 3:15:44 33.2 18.9 61.615 33.28 18.8 14.45 4.265 14/09/2019 4:05:44 32.9 18.5 75.134 33.04 18.7 14.39 5.223 14/09/2019 4:55:44 32.7 18.4 57.989 32.81 18.3 14.47 4.008 14/09/2019 5:45:44 32.5 18.2 76.569 32.60 18.1 14.47 5.292 14/09/2019 6:35:44 32.3 18.5 40.856 32.36 18.2 14.15 2.888 15/09/2019 0:45:44 36.79 22.67 54.512 36.89 22.7 14.16 3.850 15/09/2019 1:35:44 36.54 22.23 62.950 36.64 22.5 14.17 4.443 15/09/2019 2:25:44 36.33 21.86 52.787 36.43 21.9 14.54 3.631 15/09/2019 3:15:44 36.08 21.26 69.183 36.22 21.6 14.66 4.720 15/09/2019 4:05:44 35.87 21.05 64.215 35.99 21.1 14.93 4.301 15/09/2019 4:55:44 35.57 21.45 82.313 35.71 21.3 14.37 5.729 15/09/2019 5:45:44 35.38 21.56 56.887 35.49 21.5 14.01 4.060 15/09/2019 6:35:44 35.13 20.64 67.672 35.25 21.0 14.21 4.763 16/09/2019 0:45:44 43.11 22.66 90.590 43.29 23.1 20.20 4.485 16/09/2019 1:35:44 42.62 21.32 133.820 42.88 21.9 20.95 6.387 16/09/2019 2:25:44 42.29 20.96 97.632 42.46 21.2 21.31 4.582 16/09/2019 3:15:44 41.82 20.60 127.831 42.09 20.7 21.36 5.984 16/09/2019 4:05:44 41.54 20.34 81.519 41.70 20.5 21.22 3.842 16/09/2019 4:55:44 41.21 20.19 91.983 41.39 20.3 21.10 4.359 16/09/2019 5:45:44 40.89 20.40 80.633 41.04 20.3 20.77 3.882 16/09/2019 6:35:44 40.47 20.19 108.355 40.70 20.4 20.31 5.336 Tabla 22. Resultados del experimento de cálculo de UA 3.5.1.2 Experimento 2. Modo agua dentro Como noche de referencia para el modo de funcionamiento de agua por dentro se ha tomado la del día 29 de septiembre. Esa noche se comprobó que el cielo estuvo completamente despejado, mediante las mediciones del ceilómetro. La consigna de funcionamiento para ese día fue de 28 ±2°C. En la Ilustración 57 se representa la potencia media de disipación calculada con los percentiles de UA15 y UA85. Se comprueba que la diferencia entre ambos cálculos es mínima. Más adelante se verá que la potencia disipada con este modo de funcionamiento es mucho menor que para el modo de agua por fuera. Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 76 Ilustración 57. Resultado de temperaturas para noche despejada. Modo agua dentro. A continuación, se muestra una ilustración con la velocidad del viento y el factor de cobertura total de nubes (TCC) para la noche contemplada en este análisis: Ilustración 58. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada. Modo agua dentro. En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos cada 45 minutos durante la noche de ensayo. En esta tabla se comprueba que los resultados analizados se toman desde los primeros 45 minutos del día hasta las 7:25 de la mañana, para asegurar que no haya incidencias de radiación solar. Fecha Temperatura depósito Temperatura estancamiento Temperatura exterior Salto temperatura depósito 29/09/2019 0:45 28.82 17.72 22.26 1.50 29/09/2019 1:35 27.64 16.84 20.84 1.08 29/09/2019 2:25 26.56 15.67 20.16 0.98 29/09/2019 3:15 25.64 13.66 20.09 0.83 77 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna 29/09/2019 4:05 24.81 13.82 19.33 0.75 29/09/2019 4:55 23.97 13.85 18.57 0.77 29/09/2019 5:45 23.19 11.21 17.77 0.71 29/09/2019 6:35 22.38 12.39 17.18 0.72 29/09/2019 7:25 21.67 10.85 17.00 0.63 Tabla 23. Temperaturas de interés durante noche despejada. Modo agua dentro. Se puede comprobar en la tabla anterior que la diferencia media a lo largo de la noche entre la temperatura del aire y el disipador oscila entre los 4-6°C. Por otro lado, se observa el menor enfriamiento pasadas las primeras horas de la noche, puesto que la temperatura del agua en el acumulador desciende cada vez más lentamente. 3.5.1.3 Experimento 3. Modo agua fuera y noche totalmente despejada Gracias En la Ilustración 59 se muestran la potencia de disipación en modo agua por fuera para los percentiles 15 y 85 de UA mencionados anteriormente. También se muestra por separado la potencia equivalente al proceso radiante, eliminando el efecto del fenómeno evaporativo de forma teórica. Asimismo, se representa la potencia m e d i a d i s i p a d a q u e h u b i e r a t e n i d o e l d Ilustración 59. Resultado de temperaturas para noche despejada. Modo agua fuera. A continuación, se muestra una ilustración con la velocidad del viento y el factor de cobertura total de nubes (TCC) para la noche contemplada en este análisis: Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 78 Ilustración 60. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche despejada. Modo agua fuera. En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos cada 45 minutos durante la noche de ensayo. En esta tabla se comprueba que los resultados analizados se toman desde los primeros 45 minutos del día hasta las 7:25 de la mañana, para asegurar que no haya incidencias de radiación solar. Fecha Temperatura depósito Temperatura estancamiento Temperatura exterior Salto temperatura depósito 2019-09-27 00:45:56 28.22 18.7 24.5 3.69 2019-09-27 01:35:56 24.64 17.2 20.9 3.18 2019-09-27 02:25:56 21.87 15.9 19.7 2.43 2019-09-27 03:15:56 20.21 15.0 19.0 1.45 2019-09-27 04:05:56 19.07 14.8 19.0 1.03 2019-09-27 04:55:56 18.56 12.9 18.5 0.42 2019-09-27 05:45:56 18.26 12.0 18.0 0.27 2019-09-27 06:35:56 17.83 12.5 17.0 0.39 2019-09-27 07:25:56 17.37 12.5 16.8 0.42 Tabla 24. Temperaturas de interés durante noche despejada. Modo agua fuera. 79 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Como se observa en la tabla anterior, la diferencia media a lo largo de la noche entre la temperatura del aire y el disipador oscila entre los 5 y los 10 °C. Por otro lado, se observa que el enfriamiento con el cielo es más acuciado en las primeras horas de la noche, puesto que el agua está a una diferencia de temperaturas mayor con el cielo y el ambiente. 3.5.1.4 Noche nublada La noche del 17 de septiembre resultó ser una noche bastante nublada durante toda la noche. En total, a lo largo de la noche, la cobertura de cielo fue de media de un 47.4%. Comparando la Ilustración 59Ilustración 21 con la Ilustración 61Ilustración 23 queda de manifiesto que el efecto que la nubosidad ejerce sobre el intercambio energético en el agua no es tan significativo como lo es con el cálculo de la temperatura de cielo. Esto se debe a que el enfriamiento por evaporación es predominante en el proceso. El efecto de la nubosidad se puede comprobar comparando las tablas de resultados de ambos días, observando la diferencia en la temperatura de estancamiento. Esta noche funcionó en modo agua por fuera, con una consigna de 32 ±2°C. Ilustración 61. Resultado de temperaturas para noche nublada. Modo agua fuera. Comparando los resultados mostrados en la ilustración anterior con los obtenidos para una noche despejada, parece que no hay una gran diferencia entre ambas noches, pese a que la nubosidad es muy desigual entre ellas. Este hecho se debe a la aportación que hace el enfriamiento evaporativo a la potencia de enfriamiento total. Según cálculos del grupo de TMT, como se comentó anteriormente, aproximadamente un 70% de la potencia de enfriamiento se debe al proceso evaporativo, siendo el radiante un 30% del total. Si a ese 30% se le descuenta la reducción de potencia de enfriamiento esperada, que según lo calculado en el apartado 2.6 es entorno a un 60%, el resultado sería una disminución del 18% de la potencia total de enfriamiento. El hecho de que las condiciones de contorno no sean las mismas, sumado a este pequeño porcentaje de cambio, justifican la poca reducción de potencia de enfriamiento entre una noche con el cielo despejado y otra nublada. A continuación, se muestra una ilustración con la velocidad del viento y el factor de cobertura total de nubes (TCC) para la noche contemplada en este análisis: Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 80 Ilustración 62. Velocidad de viento y porcentaje de cielo cubierto para noche nublada. Modo agua fuera. En la siguiente tabla se muestran las temperaturas de interés medidas durante la noche del 17 de septiembre: Fecha Temperatura depósito Temperatura estancamiento Temperatura exterior Salto temperatura depósito 2019-09-17 00:46:02 29.74 22.0 24.7 3.62 2019-09-17 01:36:02 26.71 20.6 23.1 2.67 2019-09-17 02:26:02 24.51 19.3 22.0 1.95 2019-09-17 03:16:02 23.20 18.9 21.6 1.16 2019-09-17 04:06:02 22.47 18.6 21.5 0.64 2019-09-17 04:56:02 22.16 17.6 21.2 0.28 2019-09-17 05:46:02 21.65 16.7 20.9 0.48 2019-09-17 06:36:02 21.19 16.2 20.3 0.42 2019-09-17 07:26:02 20.88 15.0 19.6 0.29 Tabla 25. Temperaturas de interés durante noche nublada. Modo agua por fuera Como se observa en la tabla anterior, la diferencia media a lo largo de la noche entre la temperatura del aire y el disipador oscila entre los 2°C cuando está completamente nublado y los 4°C después de que se empiece a despejar el cielo. Por otro lado, se observa el menor enfriamiento con el cielo en este caso, debido a que la temperatura de estancamiento del disipador es mucho mayor que lo que sería en una noche despejada, como se vio en la Tabla 24. 81 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna 3.6 Conclusiones Como resumen de este capítulo, se pueden concluir varios aspectos interesantes con respecto a la caracterización del fenómeno de disipación de calor nocturno. En primer lugar, cabe destacar el atractivo de este tipo de tecnología para climatización en edificación, ya que ofrece una potencia de enfriamiento más que interesante y se podría integrar fácilmente en los edificios, tal y como se integran hasta ahora los captadores solares. Como segundo punto destacable que se extrae de la experimentación, se ha contemplado una gran diferencia entre el enfriamiento con agua por fuera del prototipo y agua por dentro. Esto se debe principalmente a que se da el fenómeno de enfriamiento evaporativo junto con el radiante. La fácil integración de este elemento en edificios y su poco consumo de agua, en comparación con los sistemas de enfriamiento evaporativo, hacen del prototipo de enfriador nocturno una solución más interesante que el enfriamiento evaporativo por dispersión de agua para diversas aplicaciones. Por último, dado que el modo de funcionamiento de agua por dentro aporta una potencia de enfriamiento mucho menor, solo se recomienda en casos especiales cuando no se quiera perder nada de agua debido al fenómeno evaporativo o haya otro tipo de especificaciones de uso incompatibles con el agua por fuera. 83 4 CONCLUSIONES as conclusiones más significativas extraídas del presente trabajo de fin de máster pueden contenerse en dos bloques diferenciados: aquellas relacionadas con los experimentos para cálculo de la temperatura de cielo y las relacionadas con el enfriamiento nocturno de agua a través del prototipo de disipador radiante. En el primer bloque, mediante el cambio del primer experimento de cálculo de temperatura de cielo al segundo, quedaron demostradas las siguientes conclusiones: o Se ha manifestado que el enfriamiento nocturno radiante es más que viable, dándose temperaturas de chapa para noches despejadas bastante por debajo de la temperatura ambiente en noches despejadas, e incluso en noches con algunos nublos. Las modificaciones que se llevaron a cabo al pasar del experimento 1 al 2 hicieron que los resultados pasaran de prometedores a reales. o Se ha demostrado el importante efecto que tiene la presencia de nubes en la temperatura aparente de cielo, perjudicando notablemente el intercambio radiante nocturno. o Se ha comprobado la alta dependencia de la temperatura calculada de cielo con el intercambio convectivo, afectando en gran medida la forma y el tamaño de los elementos del experimento. También resalta la importancia y la fuerte relación que tiene la emisividad del elemento que se quiere enfriar con la temperatura de cielo. En el segundo bloque, correspondiente a los experimentos con la bancada, se destaca principalmente lo siguiente: o La solución de disipador radiante, con el efecto de la evaporación, es un sistema muy atractivo para situarse en edificios, ya que se integraría fácilmente, además de poder combinarse con sistemas de calentamiento para invierno, con lo que su impacto extra sería nulo. o El enfriamiento producido es mayor del esperado debido a la refrigeración evaporativa del agua. Este sistema es, además, una solución mejorada de los sistemas evaporativos convencionales de pulverización, puesto que el gasto de agua es mucho menor en el prototipo de lo que sería en un sistema evaporativo para una misma potencia de enfriamiento. o Puesto que el modo de funcionamiento de agua por dentro consigue mucha menos potencia de enfriamiento, solo se recomienda en situaciones especiales en las que no se quiera perder nada de agua por evaporación o haya otro tipo de problemas. L Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 90 90 Ilustración 66. Vista de la chapa incrustada y fijada con silicona al aislante Ilustración 67. Interior en la caja de plástico bajo el experimento Ilustración 68. Termómetro de lectura de termopares y alimentador de corriente 91 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Ilustración 69. Montaje con 3 planchas, vista de las direcciones de cada una Ilustración 70. Perfil con tres planchas Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 92 92 Ilustración 71. Disposición de los termopares antes de colocar la chapa metálica Ilustración 72. Ensamblaje finalizado Ilustración 73. Detalle perfil En esta última imagen se puede comprobar que en ningún momento hay relieves en la superficie tanto de la chapa como de las planchas de aislante, que pudieran provocar perturbaciones en el viento que incide sobre el elemento. 93 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Ilustración 74. Termómetro de carraca. Extremos para medir temperatura de aire y temperatura de bulbo húmedo (izquierda) y termómetro completo (derecha) Ilustración 75. Termómetro infrarrojo (tools, s.f.) Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 94 94 Ilustración 76. Termopar enrollado y ambos extremos de un termopar Ilustración 77. Horno de calibración A continuación, se muestran unas imágenes del cilindro metálico de alta conductividad, en el que se introdujeron los termopares a través de varios de sus agujeros. Este cilindro tiene una altura de 13.8cm y un diámetro de 3cm. Ilustración 78. Cilindro metálico del horno de calibración 95 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Ilustración 79. Interior y exterior del NI TB-9214 Ilustración 80. NI cDAQ-9174 Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 96 96 Ilustración 81. Lugar del ensayo de emisividad en el laboratorio Ilustración 82. Chapa pintada de negro 97 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna ANEXO C. CÓDIGO PARA LECTURA DE DATOS DE NUBOSIDAD EN MATLAB %% Seleccionar directorio que contiene los archivos NetCDF cd /Users/Javi/Desktop/TFM/Ceilometro %Carpeta principal que incluye todas las subcarpetas mensuales addpath(genpath('/Users/Javi/Desktop/TFM/Ceilometro')) %A?ade al path todas las subcarpetas %% 2)Generaci?n de fechas e identificador de archivo t1=datetime(2019,1,1); %Establecer las fechas de inicio y final de las mediciones t2=datetime(2019,31,12); t=t1:t2; t=transpose(t); %Generaci?n de todas las fechas entre las de inicio y fin y transposici?n filenames=yyyymmdd(t); %Expreso las fechas en formato yyyymmdd con el objetivo de usarlas en la lectura de los archivos for i=1:length(filenames) %Este bucle detecta cu?l es el primer d?a con medidas, para empezar a contar desde aqu?. Me facilita la creaci?n de tablas ncFilename=sprintf('%d_SEVILLE_CHM170121_000.nc',filenames(i)); if exist(ncFilename, 'file')==2 break end i=i+1; t1=datetime(filenames(i),'ConvertFrom','yyyymmdd'); t1=datetime(year(t1),month(t1),day(t1)); end t=t1:t2; t=transpose(t); filenames=yyyymmdd(t); for i=1:length(filenames) %Este bucle detecta cu?l es el ?ltimo d?a con medidas, para empezar a contar desde aqu?. Me facilita la creaci?n de tablas ncFilename=sprintf('%d_SEVILLE_CHM170121_000.nc',filenames(i)); if exist(ncFilename, 'file')==0 break end t2=datetime(filenames(i),'ConvertFrom','yyyymmdd'); t2=datetime(year(t2),month(t2),day(t2)); end t=t1:t2; t=transpose(t); filenames=yyyymmdd(t); Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 98 98 %% 3)Lectura y copia de las variables de inter?s load('AlturaSolar.mat') CloudData=cell(length(t),7); %Se genera el cell array primero para reservar espacio en la memoria i=0; for i=1:length(t) %Este bucle copia la fecha de cada d?a en la primera columna, como un string CloudData{i,1}=datestr(t(i)); %Si quiero ponerlo en formato datetime, sustituir la sentencia de esta linea(datestr(t(i))) por data{i,1}=t(i); end for i=1:length(filenames) ncFilename=sprintf('%d_SEVILLE_CHM170121_000.nc',filenames(i)); if exist(ncFilename, 'file')==2 CloudData{i,2}=ncread(ncFilename,'cbh'); %Cloud Base Height CloudData{i,3}=ncread(ncFilename,'cdp'); %cloud depth CloudData{i,4}=ncread(ncFilename,'tcc'); %Total cloud cover CloudData{i,5}=transpose(ncread(ncFilename,'time')); %Time n=day(t(i),'dayofyear'); CloudData{i,6}=AlturaSolar{n,1}; %Base cloud cover CBH = CloudData{i,2}; %En estas filas convierto la matriz CBH, incluida en el Cell CloudData, en 3 vectores CBHbaja = transpose(CBH(1,:)); CBHmedia = transpose(CBH(2,:)); CBHalta = transpose(CBH(3,:)); CD = CloudData{i,3}; %En estas filas convierto la matriz CD, incluida en el Cell CloudData, en 3 vectores CDbaja = transpose(CD(1,:)); CDmedia = transpose(CD(2,:)); CDalta = transpose(CD(3,:)); TCC = CloudData{i,4}; %En esta fila convierto la matriz TCC, incluida en el Cell CloudData, en 1 vector segundos=0; for fila=1:length(CBHbaja) %En este bucle se unen todos los vectores de nubosidad en una sola matriz, a?adiendo la fecha y el segundo de la medida Nubosidad15s(fila,1)= filenames(i); Nubosidad15s(fila,2)= segundos; Nubosidad15s(fila,3)= CBHbaja(fila,1); Nubosidad15s(fila,4)= CBHmedia(fila,1); Nubosidad15s(fila,5)= CBHalta(fila,1); Nubosidad15s(fila,6)= CDbaja(fila,1); Nubosidad15s(fila,7)= CDmedia(fila,1); Nubosidad15s(fila,8)= CDalta(fila,1); Nubosidad15s(fila,9)= TCC(fila,1); segundos=segundos+15; end 99 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna fila=1; for j=1:length(CBHbaja)/20 %Para guardar valores cada 5 minutos Nubosidad5m(j,1)= Nubosidad15s(fila,1); Nubosidad5m(j,2)= Nubosidad15s(fila,2); Nubosidad5m(j,3)= Nubosidad15s(fila,3); Nubosidad5m(j,4)= Nubosidad15s(fila,4); Nubosidad5m(j,5)= Nubosidad15s(fila,5); Nubosidad5m(j,6)= Nubosidad15s(fila,6); Nubosidad5m(j,7)= Nubosidad15s(fila,7); Nubosidad5m(j,8)= Nubosidad15s(fila,8); Nubosidad5m(j,9)= Nubosidad15s(fila,8); fila=fila+20; end fila =1; for j=1:length(CBHbaja)/4 %Para guardar valores cada minuto Nubosidad1m(j,1)= Nubosidad15s(fila,1); Nubosidad1m(j,2)= Nubosidad15s(fila,2); Nubosidad1m(j,3)= Nubosidad15s(fila,3); Nubosidad1m(j,4)= Nubosidad15s(fila,4); Nubosidad1m(j,5)= Nubosidad15s(fila,5); Nubosidad1m(j,6)= Nubosidad15s(fila,6); Nubosidad1m(j,7)= Nubosidad15s(fila,7); Nubosidad1m(j,8)= Nubosidad15s(fila,8); Nubosidad1m(j,9)= Nubosidad15s(fila,8); fila=fila+4; end end xlswrite('Nubosidad5m.xlsx',Nubosidad5m,i); %Se crea un libro excel con los valores cada 5 minutos, con un d?a en cada hoja del libro xlswrite('Nubosidad1m.xlsx',Nubosidad1m,i); %Se crea un libro excel con los valores cada minuto, con un d?a en cada hoja del libro i=i+1; end save('CloudVariables','CloudData'); %% Separaci?n de valores dia y noche CBHdia=cell(length(CloudData),1); CBHnoche=cell(length(CloudData),1); TCCdia=cell(length(CloudData),1); TCCnoche=cell(length(CloudData),1); for i=1:length(CloudData) Nublado{i,2}=0; Nublado{i,3}='Despejado'; indices=find(CloudData{i,6}); %Devuelve indices de valores distinto de 0 a=indices(1); b=indices(length(indices)); A=rand(5760,3); %Para reservar espacio B=rand(5760,3); A4=rand(5760,3); %Para reservar espacio Error! Use the Home tab to apply Título 1 to the text that you want to appear here. 106 106 ANEXO E. CALENDARIO DE NUBOSIDAD En este anexo se expone el porcentaje de nubosidad para cada noche de experimentación en el cálculo de Tcielo, separando entre noches con la chapa sin pintar (hasta el 25 de julio) y noches con la chapa pintada de negro. Se aplica una escala de colores que va del verde para los valores más bajos al amarillo para los medios y al rojo para los valores de nubosidad cercanos al 100%. Noches con la chapa sin pintar: Junio 2019 LUNES MARTES MIÉRCOLES JUEVES VIERNES SÁBADO DOMINGO 1 2 0.0% 29.3% 3 4 5 6 7 8 9 36.5% 14.6% 29.1% 0.0% 40.0% 46.0% 36.7% 10 11 12 13 14 15 16 Sin datos 32.6% 33.0% 43.7% 39.1% 43.5% 41.3% 17 18 19 20 21 22 23 0.0% 11.4% 48.0% 8.1% 16.2% 30.3% 48.5% 24 25 26 27 28 29 30 96.9% 10.4% 14.8% 0.0% 0.0% 0.0% 22.6% Tabla 27. Nubosidad en las noches de junio. Julio 2019 LUNES MARTES MIÉRCOLES JUEVES VIERNES SÁBADO DOMINGO 1 2 3 4 5 6 7 39.6% 0.0% 13.4% 34.5% 0.0% 44.5% 52.2% 8 9 10 11 12 13 14 2.0% 17.0% 43.0% 0.0% 59.2% 53.1% 0.6% 15 16 17 18 19 20 21 9.6% 16.1% 17.3% 0.1% 27.7% 24.3% 0.0% 22 23 24 25 26 27 28 3.1% 3.4% 0.0% - - - - 29 30 31 - - - Tabla 28. Nubosidad en las noches de julio. 107 Análisis de la temperatura de cielo como sumidero de calor medioambiental y evaluación experimental del comportamiento energético de un sistema de disipación nocturna Noches con la chapa pintada de negro: Julio 2019 LUNES MARTES MIÉRCOLES JUEVES VIERNES SÁBADO DOMINGO 1 2 3 4 5 6 7 - - - - - - - 8 9 10 11 12 13 14 - - - - - - - 15 16 17 18 19 20 21 - - - - - - - 22 23 24 25 26 27 28 - - - 9.7% 18.2% 3.1% 10.4% 29 30 31 0.0% 0.0% 0.0% Tabla 29. Nubosidad en las noches de julio a final de mes. Septiembre 2019 LUNES MARTES MIÉRCOLES JUEVES VIERNES SÁBADO DOMINGO 31 1 0.3% 1.2% 2 3 4 5 6 7 8 10.4% 0.0% 54.1% 22.9% 47.1% 74.5% 82.3% 9 10 11 12 13 14 15 57.3% 5.7% 45.0% 41.8% 93.4% 70.0% 38.2% 16 17 18 19 20 21 22 46.7% 47.4% 14.0% 74.4% 96.3% 92.5% 96.4% 23 24 25 26 27 28 29 48.6% 5.5% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 30 49.0% Tabla 30. Nubosidad en las noches de septiembre. Cabe aclarar que no se muestra la nubosidad en el mes de agosto por no disponer de datos de los experimentos de temperatura de cielo.