Energía Solar Térmica Integrada En Fachada Norte De Edificios Residenciales
UNIVERSIDAD ANDRES BELLO Facultad De Arquitectura y Diseño Escuela De Diseño Autor: Brown Orihuela, Edward Profesor Guía: Héctor Novoa Memoria para optar al titulo de Diseñado Industrial I Semestre / 2011
Agradecimientos| A Dios, quien me dio vida y todo lo que necesito. A mi familia que siempre me apoy贸 para atravesar este camino.
Índice 1. Aspectos fundamentales ................ 5 1.1 Campo de observación
2.3 Estudios conducentes Integración arquitectónica .................................... 51
Utilización de la energía en Chile ....... 6
Modulación en la arquitectura ................................. 52
¿Qué pasa con la energía en el
Funcionamiento de la energía solar térmica .................... 54
sector residencial? ..................... 12
Simulación De Flujo En Floworks ............................... 57
Energía solar para el sector residencial
18
Agua Caliente Sanitaria.................. 19 3. Presentación del proyecto .................................. 58 1.2 Problemática u oportunidad
......... 22
3.1 Presentación formal y evolutiva de la propuesta ........... 59
La imagen de las Energías Alternativas... 24 3.2 Prototipos parciales, escalas y modelos de trabajo ........ 61 1.3 Estado del arte y referentes ........ 28 3.3 Análisis y verificaciones ................................. 57 1.4 Caso ................................ 31
Heliodón ...................................................... 57 Estudio de sombra -Ecotect .................................... 59
1.5 Mapa conceptual ..................... 36
Radiación incidente en superficie -Ecotect .................... 60 Verificación del funcionamiento y rendimiento del colector .... 78
2. Propuesta de diseño .................. 37
3.5 Prototipos funcionales .................................... 80
2.1 Objetivos de proyecto ............... 38
3.6 Planimetrías .............................................. 81
2.2 Requerimientos específicos .......... 40
3.7 Ámbito de innovación ...................................... 83
Función de colector solar ............... 40 Estructurales ........................... 45 Función cortasol......................... 48
4. Bibliografía ............................................... 85
1. Aspectos fundamentales|
5
1.1 Campo de observación Utilización de la energía en Chile
La materia de producción, orígenes y uso de la energía en Chile ha sido tema de discusión pública durante el último tiempo. El gobierno de turno rechaza tomar una postura clara en el asunto y las masas se reúnen para exigir desarrollo con energías limpias, en el intertanto la Moneda señala que la solución al problema es duplicar la energía producida para el 2020 de acuerdo al consumo histórico. Los expertos y la opinión pública entablan discusiones en torno a la propuesta gubernamental, debido a que para lograr este objetivo se argumenta la aprobación de centrales termoeléctricas y el proyecto de Hydroaisén, que éstas generan un gran impacto
ambiental, ya sea por emisión de gases efecto invernadero o por la destrucción de flora, fauna y patrimonio. Pero en definitiva, independiente de la visión del gobierno y de la población, ambos están de acuerdo con que se debe optar por eficiencia energética, lo que significa optimizar la producción de energía, ya sea haciendo más eficiente al actual sistema, sin sacrificar la calidad. Es por este motivo que existen una serie de proyectos de gobierno para favorecer la eficiencia energética, tales como la Franquicia tributaria para Sistemas Solares Térmicos, o el Plan de Reacondicionamiento Térmico de Viviendas en uso.
1 Ministerio De Energía, Gobierno De Chile, Antecedentes Sobre La Matriz Energética En Chile Y Sus Desafíos Para El Futuro
6
Matriz energética de Chile
Hidroelectricidad 8%
Leña y otros 20%
Carbón 17%
Gas Natural 10% Petróleo Crudo 44%
Figura 1. Gráfico matriz energética de Chile
2 Comisión Nacional de Energía, Balance nacional de energía 2008
Elaboración propia, datos CNE
2
7
Chile y el mercado energético mundial 35,000
3 Previsión nº6 del petróleo mundial - Richard C. Duncan 2006 4 EIA (2007)
25,000
20,000
15,000
10,000
5,000
20 11
20 14 20 17 20 20 20 23 20 26 20 29 20 32 20 35 20 38
0,000
Figura 2. Reservas mundiales de petróleo según Duncan 3
140 US$/Bep 120 US$/Bep
Petróleo crudo
100 80 60
Gas natural
40 20
Carbón
0 ene abr jul oct ene abr jul oct ene abr jul oct ene abr jul oct ene abr jul oct ene abr jul oct ene abr jul oct
MILLONES DE BARRILES/AÑO
30,000
19 60 19 63 19 66 19 69 19 72 19 75 19 78 19 81 19 84 19 87 19 90 19 93 19 96 19 99 20 02 20 05 20 08
De la Figura 1 se desprende que 8% de la energía consumida en Chile proviene de una fuente de energía renovable: la hidroeléctrica y que es un recurso local, cabe mencionar que este energético genera impacto ambiental y es vulnerable debido a las sequías, los otros energéticos no son renovables a corto plazo, y Chile no posee yacimientos importantes de petróleo, todo esto empeora si notamos que: 73% de los energéticos consumidos en Chile son Importados. El problema al que se enfrenta Chile en este contexto es que es altamente vulnerable a la variabilidad de los precios del petróleo. Los precios suben cada vez mientras disminuyen las reservas de petróleo, por ende suben los precios y Chile debe comprar estos energéticos para suplir la demanda energética del país. Las alternativas renovables son inminentes, pero las políticas energéticas nacionales las plantean a mediano y largo plazo, debido a los altos niveles de inversión inicial.
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Figura 3. Evolución De Precios Internacionales De Hidrocarburos 4 8
Energía y Desarrollo Figura 4. Gráfico PIB Consumo Eléctrico 5
Si bien el Producto Interno Bruto no es la única forma de medir el desarrollo, es el indicador más utilizado en materia económica. En esta ocasión se grafica la relación entre energía eléctrica consumida y PIB como indicador de desarrollo. El gráfico muestra que existe una relación directa entre demanda energética y PIB, y también señala una tendencia al desacoplamiento. Esto es una clara referencia de la situación de Chile, país en
vías de desarrollo que ahora es parte de la OCDE, puesto que los países de la OCDE tienden a desacoplar esta. El argumento que surge es que indudablemente habrá una mayor demanda de energía en los años venideros ya sea por el desarrollo del país debido a la industrialización, al desarrollo tecnológico, al aumento de la capacidad adquisitiva, o debido al crecimiento de la población, entre otros.
5 Ministerio De Energía, Gobierno De Chile, Antecedentes Sobre La Matriz Energética En Chile Y Sus Desafíos Para El Futuro, Chile, 2011
9
Consumo sectorial de energéticos Importación de combustible 26109 11621
Transporte
Petróleo
Petróleo combustible y derivados
140800
135.244 40%
94070
138176
94811 37%
5556
13603 13764 5041
13544 3012
48007
26223 98284
32 4
Gas Natural 85525 25%
29212
28964
Eléctrica
15167
48409
18494
27 5
14251
5416
5862 25262
5856
5862
Leña 50249 15%
33632
47884
41 6
1933
Carbón 40029 12%
61895 24%
1868
21683
Hidráulica 28853 – 8%
Residencial comercial y público
Minería 36834 14%
15889 15827 3922 6861 4384 15174
Industrial 62057 24%
15142
Coke y otros gases4704
5208
Unidades en Teracalorías
44387
Figura 5. Flujo de energía 2006 Fuente: CNE, Ministerio de energía Chile
10
Consumo Energético por sector
Energético 4% Residencial 20%
Comercial y público 5%
Transporte 35%
Industrial 36% Figura 6. Consumo Energético por sector Fuente: Elaboración propia, datos Balance Nacional de Energía, CNE
11
¿Qué pasa con la energía en el sector residencial? La energía en Chile es consumida principalmente por tres grandes sectores: Industrial, Transporte, y el Residencial estos ordenados de mayor a menor consumo. La demanda del sector transporte tiene el 35% del total debido a la dependencia de derivados de petróleo por parte de los vehículos. El sector industrial amerita este gran porcentaje (36%) debido a la demanda de energía para la industria minera, la principal actividad económica del país. Es de suma importancia entender que pasa con el 25% de la energía nacional que corresponde al uso residencial. Esta es energía que todos consumimos en el cotidiano.
12
Energéticos utilizados en el sector residencial Electricidad 17.6% Leña 46.6% Gas Licuado 21.4%
10.1% Gas Natural
3.3% Parafina Figura 7. Energéticos utilizados en el sector residencial Fuente: CDT
de Desarrollo Tecnológico de la Cámara Chilena de la Construcción, Estudio de Usos Finales y Curva de Oferta de 6 Corporación Conservación de la Energía en el Sector Residencial de Chile, Chile, 2010, p. 443
13
Usos Finales de la energía en el hogar “El consumo promedio nacional de una vivienda son 10.232 kWh/año de energía final (incluyendo todos los combustibles), lo que es incluso superior al consumo de energía promedio de las viviendas en España, que es del orden de 8.270 kWh/año.
Sin embargo, este alto valor se encuentra fuertemente influenciado por el alto consumo de leña en la zona sur del país, de hecho, si se descuenta este valor, el consumo promedio anual de energía final es del orden de 4.470kWh/año, un valor sustancialmente menor que el de España.” 7 Lavado de ropa 1,5% Aspiradora 1,6% Computador 1,7%
Electrodomésticos 8,5%
Horno 1,8%
Cocina Refrigerador Iluminación Televisión 17,6%
Stand-by 3,5% Televisión 4,2% ACS 33,2%
Iluminación 5,4%
Refrigerador 9,6%
Sin leña Cocina 13,4%
ACS 17,6%
Calefacción 56,3%
Calefactores 19,1%
Figura 8: Uso final todos los energéticos
Figura 9: Solo el consumo en Gas y Electricidad,
incluido la leña.
el 94,8% del total del sector
de Desarrollo Tecnológico de la Cámara Chilena de la Construcción, Estudio de Usos Finales y Curva de Oferta de 7 Corporación Conservación de la Energía en el Sector Residencial de Chile, Chile, 2010, p. 443
14
La relevancia del uso de leña Al analizar los gráficos anteriores, podemos notar que existe una gran
uso sea viable y económico ocurre solo en los lugares en que se encuen-
diferencia en los usos finales de energía si se cuenta o no el uso de leña en el hogar, esto marca un cambio de
tra mayormente disponible, como recurso local, pudiendo ser utilizado no nocivamente. En Chile este lugar
posición en el uso de calefactores como principal demandante a el uso de Agua Caliente Sanitaria (ACS).
es el Sur, por lo que es ahí donde se consume mayormente, impactando en sobremanera la matriz energética
La leña como energético es considerada dentro de los energéticos renovables, si se utiliza de forma respon-
del país y es el lugar donde las viviendas utilizan más energía en calefactores de combustión de leña, o cocinas
sable y se regula su consumo. Los bosques producen un descarte de biomasa que permite su utilización sin
a leña que también utilizan como calefactor, generando esta desviación en el uso nacional de energía, resul-
generar daño ambiental, para no generar una desforestación indiscri-
tando que la leña se presenta como un 20% de la matriz nacional, pero
minada. Este energético es carbono neutro, quiere decir que la emisión de co2 que resulta de su combustión es
que solo la consumen en el sur, un grupo específico de la población. Los cuales tienen mejor confort térmico
exactamente la misma que consume el árbol del cual fue extraída durante su producción. Sin embargo el que su
por efecto de la leña como combustible disponible y económico.
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Figura 10: Zonas Térmicas 1 Y 2
La diferencia de usos finales por zonas térmicas Otros 9,3% Iluminación stand-by televisión 27,6% ACS 34,9%
Calefacción 12%
En las zonas térmicas 1 y 2 correspondientes al norte del país se diferencia notoriamente que su consumo principal ya no es el de calefacción con una diferencia entre el 12% y el 56,3% del total del país. Esto se debe a las características térmicas de esta zona, que posee mejores condiciones climáticas para sustentar el recurso de la radiación solar.
COCINA 16,2%
Figura 11 Zonas Térmicas 3,4 y 5
Otros 6,4% Refrigeración Iluminación stand/B Televisión 7,3%
Calefacción 56,7%
Cocina 7,3%
ACS 17,5%
Fuente de gráficos: CDT, Estudio de Usos Finales y Curva de Oferta de Conservación de la Energía en el Sector Residencial de Chile
La distribución del consumo de energía a nivel residencial en el sector centro del país correspondiente a las zonas térmicas 3,4 y 5 tiene una distribución similar al consumo nacional. El 56.7% corresponde a calefacción, el 17,5% a agua caliente sanitaria y el 7,3% a cocina. Refrigerador, iluminación, televisión, stand-by y horno, consumen el 13.1 %, y el 6.4% restante equivale a otras actividades como , aspirado de ropa, lavado de ropa, celular, lavavajilla freezer plancha etc. 16
Usos finales de Gas y electricidad Consumo Nacional de Gas en la vivienda Horno 2,9%
Consumo Nacional de Electricidad en la vivienda
Lavado ropa 0,5%
Calefactores 19,9%
Otros 13,9% ACS 1,6%
ACS 54,4%
Refrigeración 28,8%
Riego 1,7% Hervidor 2,3% Lavado de ropa 3,4% Aspiradora 4,7%
Computador 4,9%
Stand-By 10,3%
Cocina 22,2%
El consumo de Electricidad en la vivienda es el 17,6% del total usado en la vivienda mientras el gas representa un 51,5% del total, si ya desagregamos el Fuente de gráficos: CDT, Estudio de Usos Finales y Curva de Oferta de Conservación de la Energía en el Sector Residencial de Chile
Iluminación 16%
Televisión 12.4%
uso de leña, debido que es consumida mayoritariamente en el sur, tenemos que 54,4% del gas utilizado en una vivienda es para ACS. 17
Energía solar para el sector Residencial
Concluyendo de todo lo anterior, se eligió que se trabajaría con la energía utilizada para producción de ACS, la cual es uno de los tres usos más importantes que se le da a la energía en el sector residencial junto con el de cocina y de calefacción. Dentro de esto se decide utilizar ERNC para la producción de agua caliente sanitaria. Esto utilizando la Energía solar, que llega en forma de radiación a la tierra. Existen buenas tecnologías para captar esta radiación, y transformarla a calor por medio de captadores solares térmicos, de distintos tipos, también existe la energía solar fotovoltaica, pero esta es una tecnología que se utiliza para generar electricidad, lamentablemente a un alto costo y baja eficiencia.
Por esto se opta por la energía solar térmica, y sin necesidad de reinventar la rueda darle un nuevo perfil a esta aplicada específicamente en la arquitectura de viviendas en altura. 18
Agua Caliente Sanitaria
Según el Censo de Población y Vivienda realizado en abril del 2002 en Chile, sólo 57% de los hogares chilenos poseen un medio de producción de agua caliente sanitaria. En efecto, el Censo señala la existencia de 2.380.771 calefones para un total de 4.141.427 viviendas. Esta información no está desagregada según la fuente de energía utilizada. La CNE propone considerar que 10% utiliza “termos eléctricos de uso domiciliario”, por lo que se considera que el resto, 2.142.694 equipos funciona a Gas. 8
Según el estudio “usos finales de la energía en el sector residencial”, realizado por la CDT: 81.2% de las viviendas posee equipos para producción de ACS
8 Corporación de desarrollo tecnológico Cámara chilena de la construcción, Sistemas solares térmicos II: Guía de diseño e instalación para grandes sistemas de agua caliente sanitaria, Chile, Diciembre 2010
19
La demanda de energía para agua caliente sanitaria
Agua Caliente Sanitaria = Agua + Calor
Temperatura de consumo 35° - 45° Centígrados
El consumo, gasto, flujo o caudal de ACS es el producto del aseo personal, el lavado de ropa o de la vajilla, entre otros requerimientos, y es el primer factor que afecta al consumo de energía asociado. Para los edificios de viviendas, se puede utilizar a modo de referencia una demanda de 30 litros diarios por persona, esta es la demanda necesaria a suplir, a una temperatura de entre 35º y 45º Centígrados Para suplir esta demanda se utilizan diversos equipos: Sistemas instantáneos, calefón a gas o eléctrico y calderas mixtas. Y sistemas con deposito acumulador, que mantienen el agua a una temperatura lista para el consumo. Como vimos anteriormente el consumo de energía para agua caliente está dominado por equipos a gas, presentes en el 82% de las viviendas 20
Impacto del consumo de ACS
Aunque pueda aparentar ser un gasto pequeño, el consumo de agua caliente produce una parte importante del consumo de energía a nivel nacional: puede estimarse que, en Chile, el consumo de energía para ACS representa aproximadamente un 18% del consumo de energía final residencial nacional, lo que supone del orden de 9.500 GWh/año. Esto significa que las necesidades energéticas para ACS de los consumidores
finales produzcan una factura energética de más 1.200 millones de dólares anuales. Esta factura energética podría ser sustancialmente reducida con el uso de energía solar térmica, que permite obtener energía "gratis" y al mismo tiempo reducir las emisiones de contaminantes. De hecho, si el 100% de los hogares chilenos tuviese colectores solares en sus techos, podría bajarse esa factura a menos de 500 millones de dólares anuales aproximadamente.
9 Guía para la instalación de sistemas solares térmicos........................
21
1.2 Problemรกtica u Oportunidad
22
JerusalĂŠn Foto de Yann Arthurtrand 23
La imagen de las Energías Alternativas Jerusalén posee colectores solares térmicos en el 85% de sus hogares, la imagen anterior muestra claramente la problemática que surge al aplicar energía solar térmica en las viviendas, específicamente en edificios residenciales: La contaminación visual. En términos técnicos se utiliza el concepto “Integración arquitectónica” para referirse a que los paneles solares están desviados de su posición ideal (en dirección hacia el ecuador, y una inclinación de acuerdo a la latitud del lugar) para formar parte de una cubierta, o mantener alineados los ejes con los del edificio. Sin embargo en términos de diseño si queremos evaluar este concepto se debe ser más riguroso, necesitamos eliminar la contaminación visual que genera actualmente esta tecnología.
Al igual que todos los sistemas de energías renovables no convencionales, el recurso solar requiere de tecnologías que se soportan en ciertas infraestructuras, este es el mismo problema que se presenta en las torres eólicas y su impacto visual en los paisajes, al igual que un embalse requiere estructuras e inundaciones para utilizar la fuerza del agua, la infraestructura de los sistemas solares térmicos se interpone en los skylines de las ciudades como Jerusalén y problema que se mantendrá si es que no se actúa para solucionarlo.
Para dejarlo claro, la imagen de ejemplo, no logra una integración arquitectónica, que se logra cuando el panel forma parte de los componentes constructivos, y preferentemente dispuesto desde el diseño inicial del edificio. 24
Energía solar en Chile Disponibilidad del recurso solar
Fuente: Meteonorm 6.0 (www.meteonorm.com) Junio 2008
Como se puede apreciar en el mapa de radiación, expresado en kwh/m2 evaluado en un periodo entre 1981-2000, el norte de Chile es uno de los lugares en el mundo con mejores condiciones de radiación solar, es por esto que este país debe introducir tecnologías para aprovechar esta energía de una u otra forma.
25
Masificación de Colectores solar-térmicos
En la actualidad la tenencia de equipos para producción de agua caliente sanitaria con energía solar es en menos del 1% de las viviendas en Chile. Hoy la mayor barrera de la energía solar térmica es el elevado costo de inversión inicial, pero que a mediano plazo se verá superado por la mayor disponibilidad y competitividad en el mercado que va unido al hecho de la excelente disponibilidad del recurso solar y al descenso de los energéticos convencionales. Cabe señalar además que se importa más del 70% de la energía total del país, siendo una opción poco sustentable en el tiempo por lo cual en algún momento solo habrá la opción de energéticos renovables. Ejemplo de esto es el caso de Israel, otro país que posee un buen recurso solar, pero importa 99% de su energía. Actualmente es pionero en energías renovables.
Pero es ahí donde surge el verdadero problema, que es la situación de la masificación las tecnologías de colectores solares aplicadas en los edificios residenciales, que es el lugar donde su consumo es más necesario. La tendencia en el mercado solar térmico, es que paulatinamente los precios bajan, y las otras energías suben, por lo cual la inversión en los sistemas térmicos se hace más viable y por ende está en crecimiento 26
Tendencia Mundial de Energía Solar Térmica
Se calcula que en la Unión Europea había insta- lados 20 millones de m2 de captadores solares (14.280 MWt) a finales de 2006, algo que no habría sido posible sin el empuje solar de países como Alemania, Grecia y Austria. El caso de Alemania es ejemplar. De los 3 millones de m2 nuevos que se instalaron el 2006 en la Europa de los 25, la mitad se hicieron en Alemania. No menos espectacular resulta el caso de Chipre; este país es el que más cantidad de energía solar térmica aporta por habitante en el mundo, con 350 kWt por cada 1.000 habitantes. Más del 90% de los edificios construidos en Chipre están equipados con captadores solares térmicos. En cuanto a Grecia, en los últimos años se instalan más de 200.000 m anuales. Hoy totalizan unos 5 millones. Con un 17% de la superficie ins-
talada en la UE, el país heleno dispone de un tejido solar que abastece de agua caliente a uno de cada cuatro habitantes. En otras partes del mundo también hay buenos ejemplos del desarrollo de la energía solar térmica. Por ejemplo, Israel, donde alrededor del 85% de las viviendas están equipadas con colecto- res solares térmicos, como resultado de una ley de hace 25 años. En Turquía hay unos 10 millones de metros cuadrados, y en China, el país con más superficie de captadores solares instalados, 78 millones, lo que supone aproximadamente el 40% de todos los instalados en el mundo. Hoy, más de10 millones de familias chinas disponen de agua caliente gracias al sol. 27
1.3 Estado del arte y referentes QUICK-STEP SolarThermie
Thermoslate
El panel solar térmico de pizarra natural, Thermoslate, rinde homenaje a todo tipo de edificaciones históricas mediante el aporte de energía solar térmica, un mantenimiento casi inexistente, y un respeto sereno a su estética. Cumple perfectamente el objetivo de integración arquitectónica, por medio de la estrategia de disimulación del sistema de captación en las tejas de pizarra.
Es un producto arquitectónico, revestimiento de Aluzinc que integra como alternativa un sistema de circulación para calentar agua.
28
Illa Fleming Barcelona, España -Bach Architects
Se toma este proyecto como referente, debido a su tipología de edificio, y a el carácter que le otorgan estos componentes como marcos de lamas deslizantes, que le aportan protección solar además de un inter espacio parcialmente cerrado en la terraza balcón. Este componente es una suerte de quiebravista y cerramiento móvil. 29
Ecopanel / Calder Solar
Panel nacional, desarrollado y producido por Calder Solar en base a cañerías de polipropileno. Con el soporte de EMPRENDEUC y de INNOVA CORFO en dos oportunidades por su aporte en innovación tecnológica. Una Muestra de que s pueden desarrollar estas tecnologías en Chile, y con buenos resultados.
30
1.4 Caso
Edificio GEN Se toma la propuesta de los arquitectos Assadi + Pulido como referente nacional de integración solar, pero también como un requerimiento arquitectónico de nuevas aplicaciones solares que se integren en el diseño de edificios residenciales. En las imágenes inferiores se puede apreciar que aunque estén integrados de forma lúdica en la fachada, no logra un nivel de detalles y terminaciones desde el interior.
31
Disponibilidad de radiación En Fachada Norte 21 Diciembre
85˚
21 Junio
33˚
N
N
Radiación sobre superficie de fachada norte en solsticio de invierno. La fachada norte para latitudes sur, es la que está orientada hacia el ecuador, por ende en dirección sol. En latitudes muy extremas es decir, hacia los polos, la radiación solar será más favorable para el uso en la fachada norte, mientras que en latitudes más cercanas al ecuador será más desfavorable. Este proyecto está diseñado para Santiago como referencia, y se ha
Radiación sobre superficie de fachada norte en solsticio de verano. calculado que en esta latitud -33.4 la fachada norte posee potencial suficiente, sin embargo, Chile es un país largo con variadas condiciones climáticas, para lo cual el sistema debe ser lo más estandarizado posible y así cubrir más área en cuanto a sus lugares de aplicación.
32
Protección Solar
La fachada Norte para latitudes sur, presenta también la problemática de estar altamente expuesta al sol en verano, por lo que requiere de algún tipo de protección, usualmente los balcones proyectados fuera de la cara norte en edificios residenciales sombrean en verano, y en invierno el sol ingresa debido a que está en una altitud menor.
Sobrecalentamiento por exceso de radiación solar. El Centro de Justicia de Santiago representa la edificación pública más importante de los últimos 50 años. Sin embargo, sus grandes ventanas orientadas al norte generan efecto invernadero que impiden la utilización de la mitad del edificio, $254 millones mensuales por el área vacía es lo que pierde el sistema judicial por este edificio.
In
o
oj
rr
a fr
Efecto invernadero en edificios.
33
Departamentos Habitacionales
El parque habitacional de departamentos está concentrado en la zona centro del país, por lo que este es el grupo objetivo que puede requerir de la tecnología para instalar en sus fachadas dirección norte Sistemas solares térmicos. La mayor concentración se encuentra obviamente en la región metropolitana, donde se encuentra más del 40% de la población
Parque habitacional: Departamentos 815 hasta 40 916 (72) 22 hasta 815 (72) 3 hasta 22 (65) 0 hasta 3 (79) 0 (57) Fuente: - Santiago : 36 252,0
Número de predios avaluados en más de 20 millones (predios)
No es menor decir que el total de departamentos existentes en todo el país según el Ministerio de Vivienda y Urbanismo era de 31.600 en el año 2009.
16 025 Fuente: 2009 - Santiago : 31 627 predios
0
500 Km.
MINVU
34
Tipologías constructivas Respecto de la tipología de edificios de viviendas donde será aplicado el producto, surgen varios conflictos, primero, el mercado de edificios residenciales en Chile está dominado por las inmobiliarias las cuales dejan poca libertad para el diseño arquitectónico. Este es el motivo principal del por qué se ve una tipología dominante en los edificios de viviendas, de plantas iguales y reiterativas, con que no se logra precisamente un objeto de diseño. En el caso elegido como referencia, el edificio Gen de Felipe Assadi es posible apreciar que se logra crear una unidad a partir de las plantas repetidas cerrando la fachada oriente con una antefachada
separada por 1 metro de esta cara. Luego el elemento relevante es la fachada norte, compuesta por los balcones de los departamentos en esta orientación, son proyecciones de lado a lado del edificio que sobresalen un metro de las losas hacia el exterior. El mismo edificio adaptó colectores solares en las barandas de la fachada norte de forma aparentemente desordenada, adelantándose al desorden producto del uso por los habitantes. Esto pone al descubierto una necesidad de diseñar sistemas captadores solares que se integren en la fachada, sin necesidad de ser adaptados, sino ser diseñados para éste lugar. La tipología
deseada, serán fachadas que posean proyecciones de las losas hacia el exterior, ya sea como balcones o como un elemento más pequeño. 35
1.5 Mapa conceptual Recursos Energía
Seguridad
Reducir importaciones Reducir riesgo en suministro
Económico / Social
Transporte
Consumo 35%
Industrial
Consumo 36%
Gas Licuado 19%
Calefacción
Residencial
Consumo 20%
Gas Natural 8%
Agua Caliente Sanitaria
Leña
Cocina
58%
Energía solar
Franquicia tributaria Sistemas Solar Térmicos
Térmica
Bajas Temperaturas
Captación
Medio ambiente
Reducir Impacto En Cambio Climático
Colector con cubierta
Proteger Ecosistemas Locales
Integración Arquitectónica
Masificación Inminente
Desarrollo
Consumo energético
Desacoplar
PIB
36
2. Propuesta de dise単o|
37
2.1 Objetivos de proyecto
Objetivo General
“Desarrollar un sistema de captación solar para producción de agua caliente sanitaria, que se integre arquitectónicamente en edificios residenciales”
38
Objetivos EspecĂficos 1) Cambiar la morfologĂa de colectores solares planos convencionales para lograr un sistema modulable en la fachada norte de edificios residenciales. 2) Otorgar ACS con eficiencia igual o mejor a los colectores solares existentes. 3) Que el sistema sea estandarizado para ser instalado en una mayor gama de tipologĂas de edificios residenciales.
39
2.2 Requerimientos específicos Requerimientos para función de colector solar. Como línea base para el desarrollo y cumplimiento del proyecto y los objetivos de integración arquitectónica, es necesario alcanzar los estándares de eficiencia de los colectores comunes existentes en el mercado. De esto nace la necesidad de ajustarse a una u otra tecnología de captación de radiación solar. Para producir agua caliente sanitaria con colectores solares, existen 3 tecnologías principalmente: Colectores planos con cubierta Colectores de tubos al vacío Colectores de tubos de polipropileno negro o también conocidos como “de Piscina”.
40
Colectores planos con cubierta Componentes Estos colectores logran bajas temperaturas, esto quiere decir por debajo de los 100°C, mas bien en el orden de 40-60°C dependiendo de la configuración, esta temperatura es suficiente para el uso de ACS residencial. Las otras tecnologías mencionadas, exceden temperaturas a las favorables, y encarecen el producto. Para el proyecto se eligió el uso de la tecnología de colectores planos con cubierta, que están compuestos por una caja de aluminio (c,j,h,i), aislante térmico (e), una placa absorbedora (b) con pintura selectiva (g), un sistema de tuberías (d,f) soldadas a la placa absorbedora, y una cubierta de vidrio (a). El sistema está configurado para que la placa absorbedora quede lo más expuesta posible a través del vidrio, y que existan las menos perdidas de energía posible. 41
Materiales de los colectores
Cobre de placa absorbedora: El cobre es uno de los metales con mejor conductividad térmica y eléctrica como lo demuestra su uso extendido en cables y circuitos, es por esto es utilizado en aplicaciones de transferencia de calor, por los motivos anteriores este proyecto lleva en sí compuestos de esté metal, la placa absorbedora, y los tubos de absorción, con los cuales se capta la radiación y se transforma a energía térmica que es transmitida al fluido de trabajo, el cual debe ser un fluido de glicol para evitar que el líquido se congele, expandiendo su volumen y rompiendo las cañerías. Pintura Selectiva: la placa absorbedora de cobre debe llevar un tratamiento selectivo de óxido de
titanio, o de cromo negro, el cual presenta baja emisividad de la luz, lo que resta perdidas ópticas al sistema. Aislante: que evita las pérdidas en el colector por inducción. Aluminio de caja exterior: Debe cerrar completamente el sistema de acumulación y hacer de soporte para todos los componentes integrados. Vidrio: debe ser bajo en hierro para no sobrecalentarse y así producir pérdidas, también debe soportar condiciones extremas como granizo y vientos fuertes, y en algunos lugares hasta nieve. 42
Latitud orientación e inclinación El ideal de cualquier panel solar seria tener un sistema de seguimiento del sol el cual al demandar más tecnología, energía y materiales encarece mucho el sistema y aumenta la posibilidad de errores, por lo tanto se establece un ángulo optimo según la latitud
Ángulos en planta con respecto al norte solar Horas del día 20˚
0˚
20˚
40º
40˚ 14:00
12:00
10:00
16:00
8:00
y 21 Junio
21 Sept. y 21 Marzo
90 ˚ 80˚ 70˚ 60˚ 50˚ 40˚
X 21 Dic.
30˚ 20˚
En Santiago: Consumo constante anual : = Latitud Geográfica Ej.: 33º Consumo preferente en invierno: = Latitud Geográfica +10º Ej.: 43º Consumo preferente en verano: = Latitud Geográfica -10º Ej.: 23º
Disponer Colectores solares con preferencia verano (23° respecto a la horizontal) en la fachada norte no tendría un bueno uso, debido a que estos colectores se sombrearán en gran manera, sobre todo en verano con un ángulo de incidencia de 80° a las 12 hrs. En el solsticio. Por esto se decide que la mejor contribución que puede proporcionar una fachada asoleada, es en
10˚ 0˚
Ángulos de inclinación
Líneas de proyecciones horizontales para diferentes fechas
Proyección horizontal del recorrido solar Santiago: 33o LS
preferencia invierno, donde los rayos inciden en un ángulo más bajo, 33° para solsticio de invierno, y los colectores se ven mayormente expuestos, por ende son más eficientes, contribuyendo así mismo a una protección solar durante el verano debido que las sombras se proyectan sobre la fachada asoleada. 43
Morfología: Exposición solar y Proyecciones de sombra 85º
x
33º
X
33º
Ejemplos de proyecciones de sombra, x es el largo de la sombra.
Las fachadas de los edificios tienen que ofrecer, en primer lugar, las condiciones mínimas de orientación y de exposición al sol que permitan garantizar las circunstancias de funcionamiento adecuadas para su instalación. En tramas urbanas suele ser más complicado encontrar estos condicionantes resueltos y por ello las soluciones en fachada son menos numerosas. La fachada norte, al ser vertical, tiene mayor radiación mientras el sol esté más bajo, por el contrario
de la cubierta de los edificios es usualmente un plano horizontal, sobre el cual las proyecciones de sombra serán en dirección también horizontal, pero si disponemos de planos inclinados en la fachada norte, estos proyectarán sombras en dirección vertical sobre la fachada. Se debe disponer de los sistemas de una forma tal que los colectores no se sombreen entre ellos, aprovechando de la mejor forma posible la superficie disponible
44
Estructura de soporte
Estructura auxiliar: En la construcción, tanto en revestimientos como para muros cortina, se utilizan estructuras auxiliares, usualmente metálicas, que transmiten la carga del componente arquitectónico a instalar en la estructura principal del edificio. Esto es utilizado
también para las instalaciones solares en edificios, ya sean fotovoltaicas o térmicas. Mediante este proyecto se podrá generar una estructura auxiliar integrada en el sistema de colectores que van a requerir un sistema acorde a su morfología. 45
Mantenimiento del sistema de captación
Así como los vidrios de un edificio requieren ser limpiados, los vidrios de un colector solar también, además se debe verificar su correcto funcionamiento, y chequear algunos aspectos de sus componentes, también se debe considerar que el sistema lleva en sí un sistema de conexiones de cañerías para
agua caliente, las cuales si sufren averías o existe algún problema requieren de acceso para la reparación del técnico especialista. El acceso debe estar en buenas condiciones y el sistema debe ser seguro para el personal.
46
Requisitos del sistema hidráulico El proyecto consiste en diseñar nuevos módulos captadores de la radiación solar para luego utilizar ese calor en la producción de agua caliente sanitaria, pero este sistema actual en conjunto con una instalación completa, es decir el circuito primario, Circuito secundario , intercambiadores de calor, depósitos acumuladores, etc. Por esto el diseño debe considerar: las vías de trasmisión del líquido calor portador, y un espacio para los sistemas de acumulación e intercambio, así también como para la parte electrónica de los sistemas solares denominada cerebro. Todo circuito hidráulico debe ir bien aislado para disminuir al mínimo las pérdidas. Para las transmisión del líquido se recomienda cañerías de PVC térmicas. El sistema está compuesto de la siguiente forma:
·Circuito primario: permite la circulación del fluido a través de los colectores que recogen la energía térmica y la transporta hasta el intercambiador.
· Circuito secundario: recoge en el intercambiador la energía captada por el circuito primario y la transfiere al depósito de acumulación.
· Circuito de consumo: transporta agua potable de consumo y comprende desde la acometida de agua fría, pasando por los sistemas de acumulación y de apoyo, hasta la red de distribución que alimenta a los puntos de consumo.
47
Función de Cortasol Sombreo/asoleo
La integración arquitectónica de estos colectores va a generar un nuevo tipo de componente arquitectónico, que estará ubicado en la fachada norte de edificios residenciales. Es requisito que este componente, permita un adecuado ingreso de luz natural, y en verano se requiere que otorgue protección bloqueando los rayos solares, esta función es que va a evitar el paso de la radiación que capta antes de su ingreso al edificio, y la va
a utilizar para calentamiento de agua. Esta doble función otorga un rango de tiempo en el año en que la radiación solar va a ingresar y calentar el interior, esto coincidirá con invierno para reducir costos en calefacción. En cambio otorga otro rango en que el la radiación directa será dejada fuera, coincidiendo con verano, y reduciendo los costos de refrigeración de la vivienda.
48
Relación con la Envolvente de los edificios
AGUA DE LLUVIA
Lu
z
so
TRANSPIRACIÓN
la
r
WIND RUIDO SUCIEDAD OLORES
RUIDO SUCIEDAD OLORES
La envolvente de los edificios tiene que cumplir con varios requisitos, uno de ellos es el de control lumínico y de radiación solar, por ende calor que ingresa al habitar. Esto lo logran actualmente quiebravistas y cortasoles, que otorgan además una estética particular a la construcción. El elemento a diseñar es solo una parte más del exterior asoleado de la envolvente, pero que en él se debe integrar el circuito hidráulico y absorbedor del sistema solar.
Bill Gething RIBA President’s Sustainability Advisor Feilden Clegg Bradley Architects LLP
49
El Habitar
Confort térmico Protección Iluminación Ventilación Uso del espacio
El sistema interactúa directamente con la necesidad de vivienda del ser humano, esto es debido al estar participando en los sistemas activos de requerimientos del vivir en confort. Este proyecto contribuye directamente al confort térmico, el cual se encuentra entre los 18° y 22° Centígrados. El proyecto se relaciona en dos maneras con este concepto, es requisito no recalentar el interior de la
vivienda menos en verano, por lo que los sistemas deben ir bien aislados y ojalá en lugares que no exista contacto con los usuarios. En invierno debe permitir mayor entrada de radiación y luz, ambos necesitados en la parte habitable del edificio para el ahorro de energía. Además el agua caliente se puede utilizar para calefacción si es que alcanza el recurso.
50
2.3 Estudios Conducentes Concepto de integración arquitectónica
El concepto de integración arquitectónica está definido en el Reglamento de la Ley 20.365 como: “Un tipo de instalación de un SST donde los CST que lo conforman sustituyen elementos constructivos convencionales o bien son elementos constituyentes de la envolvente del edificio y de su composición arquitectónica” Básicamente plantea que el colector solar sea un componente constructivo de la envolvente del edificio y no un elemento independiente. La integración arquitectónica se debe plantear como objetivo desde las primeras fases del diseño. 51
Modulación en la arquitectura
Din 18000 - Coordinación Modular en la Construcción: Módulo base M=100 mm Multimódulo m x M m= 3, 6, 12 3M = 300 mm 3M = 300 mm 6M= 600 mm 12M= 1.200 mm A partir de estas unidades se forman los múltiplos de la serie de cifras prioritarias.
1,5m
3m
6m
En edificios residenciales lo común es que los niveles tengan una altura de 3 metros de separación entre cada nivel. Por otra parte las losas miden 15 cm de espesor. 52
Posibilidades de integraci贸n
Aleros
Muros Cortina
Revestimientos
Fachadas
Cubiertas planas
Cubiertas inclinadas
Muros Cortina
53
Funcionamiento de la energía solar térmica EL Sol y la Tierra
La radiación solar tiene su origen en el Sol, una de las más de 135.000 millones de estrellas de la Vía Láctea. El Sol es un inmenso reactor de fusión termonuclear que quema cada segundo 600.000.000 toneladas de hidrógeno a 20 millones de grados Kelvin, irradiando una cantidad de energía equivalente a 3,7x1023 kW, lo que representa 64.070 kW por m2 de superficie solar. El Sol está localizado a una distancia media de 150 millones de kilómetros respecto de la Tierra, distancia
conocida como unidad astronómica (UA) y tiene una vida estimada de varios miles de millones de años, por lo cual tenemos asegurado su funcionamiento seguro y sin ningún gasto de inversión ni mantenimiento.11 De toda la energía irradiada por el Sol, el sistema atmósfera–Tierra intercepta durante su viaje alrededor del mismo sólo una parte: el equivalente a 1,7x1014 kW, lo que representa que una superficie perpendicular a los rayos solares recibe 1.367 W/m2. Esta unidad se conoce como constante solar.
Posición del sol para un observador terrestre vertical
Altitud,cenit y azimut solar
Declinación de la tierra Equinoccio de otoño 21 de marzo
S Solsticio de invierno 21 de junio
Zenit solar
E
Altitud solar
O Punto de la superficie terrestre
Azimut solar N
δ = - 23,45 º
Solsticio de verano 21 de diciembre
δ = + 23,45
Equinoccio de primavera 21 de septiembre
11 Energías Renovables para todos, España, Mayo 2008
Fuente: Rosas, M.;Cendra, J.
La trayectoria solar es regida por los movimientos de traslación y rotación, estos determinan al día, y la hora, y junto con estos la posición en que se encontrará el sol, que será distinta para cada día. Por esto se debe posicionar el panel solar en una preferencia de radiación mas optima para cierta época del año. 54
Radiación solar Q2 E1
Q3
%
9 UV
E0
Solar Q1
IR 49%
E0 Iradiación solar E1 Ppérdidas ópticas Q1Q2 Ppérdidas por convección, conducción y radiación Q3 Energía útil
La radiación solar que llega al panel atraviesa el vidrio, perdiendo en el reflejo 15,4% de la radiación incidente, por este motivo es por lo que no es utilizado frecuentemente doble vidrio en las cubiertas, luego el 84,6% pasa y choca con la placa absorbedora, convirtiendo la radiación de ondas cortas, es decir la luz visible, en radiación de ondas largas, infrarrojo, éstas son las responsables de irradiar calor al líquido calor portador.
El mayor objetivo de los instaladores de sistemas solares es disminuir las pérdidas, existen pérdidas ópticas, que son las que se reflejan en el vidrio del colector, y también pérdidas por convección, conducción y por radiación, como lo muestra la figura. También habrá perdidas según la posición, y el entorno en que se encuentre el colector. Y por último y esto fuera de nuestro control están las perdidas por el clima.
55
Absorción de la radiación solar Tipos de absorbedores. Tubos soldados a la Superficie de absorción
Tubos soldados a aletas de absorción
Placa y tubos integrales, (de polímeros)
Placa laminada formada y solada
La placa absorbedora utiliza usualmente una lámina de aluminio o de cobre de un milímetro de espesor siendo suficiente para captar la radiación, sumándole la pintura selectiva. La transmisión del calor captado por esta superficie a los tubos y de estos al líquido calor portador, es afectado principalmente por dos factores, la forma de la placa, y la unión entre placa y tubo, los factores restantes serían: si es soldado o sobrepuesto, cuánta superficie está en contacto, cuanto, qué tipo de soldadura utiliza.
Cancha de colectores Los colectores van interconectados entre sí para formar a lo que se denominan canchas de colectores, que pueden ser conectados en paralelo, en serie, o mixto, los cuales deben calcularse según lo que favorezca a la instalación, dependiendo de la demanda de energía por cantidad de superficie de colectores disponible.
56
Simulación De Flujo En Floworks Elección de tipo de tubería del absorbedor Existen distintas configuraciones de los tubos interiores en los colectores, la mayoría utiliza el tipo parrilla. Para decidir cuál era el tipo que más se ajustaba al proyecto se realizó una simulación de flujo con Floworks, calculando la velocidad que llevaría el líquido en las distintas secciones de las tuberías. Los resultados son visibles en las imágenes: en el tipo parrilla se perdía todo el flujo del líquido por los extremos, desaprovechando toda la radiación captada en el centro, por lo tanto, no era el más óptimo para el proyecto. En cambio el tipo serpentín obliga al flujo a pasar por toda la superficie, transfiriendo el calor al líquido en mejor manera.
Tipo parrilla
Tipo parrilla
Tipo Serpentín 57
3. Presentaci贸n del proyecto|
58
3.1 Presentación formal y evolutiva de la propuesta
XSOL_1
En su primera etapa, el proyecto tomó forma de una serie de colectores, de dimensiones más angostas y alargadas que formaron una superficie en la fachada norte de un edificio. Como propuesta de diseño era pobre, tenía poca capacidad de juego como componente en las manos de un arquitecto, y además
la imagen muestra cómo están situados en toda la cara norte de un edificio, cosa que no es real debido a que se requiere de espacio para ventanas terrazas y o balcones sobre todo en edificios residenciales. Podría utilizarse y aplicarse en secciones de fachadas norte, pero en ese caso falta el carácter innovador en cuanto a la imagen de esta tecnología. 59
XSOL_2
La evolución de esta propuesta respecto de la anterior, es que se plantea un sistema de conectado de las cañerías que vaya por el interior de la estructura auxiliar, además del uso de distintas cromacidades para el exterior de los módulos colectores, creando una vista externa que ya no es indiferente, ni intenta pasar desapercibido, más bien denota su presencia mediante un juego de texturas coloridas, tomando a modo de imitar las cualidades de referentes internacionales tales como los arquitectos Sahuerbruch&Hutton. 60
XSOL_3
En esta ocasión la propuesta evolucionó hacia diferenciarse más de los colectores convencionales promoviendo un sistema que proyectara estos módulos tipo cortasoles, que se combinaban con el edificio a modo de unos apéndices integrados en el revestimiento, y afirmados en una estructura auxiliar de aluminio, oculta tras el revestimiento. También se proponía que estos modulos fueran móviles, regu-
lando así su ángulo para favorecer una mejor captación de la radiación según fecha y hora. Esté sistema funcionaría gracias a que cada colector esta compuesto por una parrilla absorbedora que funcionaría como un intercambiador de calor en los costados, trasmitiendo el calor a través de un sistema de intercambio el detalle se muestra en la siguente página. 61
Detalle XSOL_3
Este es el corte de el modelo anterior, que muestra el funcionamiento del intercambio de calor, entre el captador, y el circuito primario, el objetivo de este sistema era que se permitiera movilidad para los captadores, cosa que finalmente no resulto de gran importancia para el sistema. Este sistema es utilizado por los sistemas de tubos al vacío, y se denomina Heat-pipe, pipa de calor, funciona con un fluido al interior del tubo de cobre que llevan los tubos al vació, este liquido es aveces acetona, la cual se evapora con una pequeña diferencia de calor del ambiente, y al evaporarse por diferencias de tem-
peratura y densidad, sube hasta el cabezal de la “pipa” donde el contacto con el intercambiador de calor hace que este fluido en estado gaseoso entregue su calor al liquido en el otro lado del intercambiador, por conducción, y a su vez condensándose, este cambio de fase evaporación-condensación es el mejor sistema para intercambio de calor, pues al evaporarse un fluido demanda mucha energía tomando la de su entorno, en este caso el captador solar, y al condensarse entrega mucha energía, pasando ésta al liquido del circuito primario, el cual será utilizado para calentamiento de agua sanitaria.
62
XSOL_4
Vista superior del modulo
En esta etapa, se Propuso desarrollar una forma para los colectores que permitiera una exposición solar más adecuada para la fachada norte. Uno de los mayores desafíos del proyecto es que se logre recibir radiación en todas las superficies captadoras de modo que estas nos e sombreen entre sí. Para lograrlo se dispuso la forma de cada modulo colector, los cuales poseen una forma con unas pestañas que sobre salen, y estas se repiten en el siguiente colector pero desplazadas de modo de alternar la sombra con un espacio de captación, así, aunque se sombren parcialmente, siempre va a existir una parte mayor asoleada. La exposición solar
de este sistema se verificará en un estudio posterior. La parte inferior del módulo, completaba la superficie con lamas que repetían la forma de los colectores, pero estos son un elemento quiebravista que no tenia función de colector sino que solo de cerrar el espacio y generar una superficie más completa que permitía una lectura mas homogénea desde el exterior, y otorgando un espacio mas intimo hacia el interior, que como sucede en los edificios residenciales, los usuarios tomarían este espacio como una extensión del interior formando una terraza agradable para su habitar.
63
XSOL_5
La propuesta avanza hacia no forzar una parte inferior infuncional, se le quita lo que estaba sobrando y en cambio quedan dos perfiles que conducen en su interior las cañerías con líquido calorportador, dejando más limpio el total del este modulo para integrarse en la fachada como elemento de captación solar y sombreo parcial. 64
HelioFronte Antepecho, colector solar termico La propuesta final consiste en integrar el conjunto de lamas colectores con su juego de desplazamientos, en un antepecho inusual que se soporta en dos perfiles de gran espesor, dando carácter al frente del balcón, integrando a la vez el sistema de captación solar, y otorgando sombra al balcón inferior durante el verano. En esta etapa de desarrollo se integran las características más notables de los modelos anteriores.
65
3.2 Prototipos parciales, escalas y modelos de trabajo Vista explosionada del modulo colector. Vidrio templado Caja de aluminio Placa absorbedora de cobre con tratamiento negro Serpent铆n de tubos 3/8 de cobre recocido Aeroflex- Aislante
Detalles del m贸dulo colector Maqueta de estudio, para analizar proyecciones de sombras en el Heliod贸n.
66
3.3 Análisis y verificaciones
Heliodón Análisis de las proyecciones de sombra de los módulos instalados en la fachada norte.
Latitud 33 Comprobación horas centrales del día, para solsticios y equinoccio 67
Solsticio Invierno
Equinoccio
Solsticio Verano
10:00
12:00
14:00
El objetivo de esta comprobación es determinar que tan asoleado está el modulo de colección solar en las distingas épocas del año. Se puede apreciar que en verano los módulos se sombrean mucho entre si a las 14:00 esto es debido a que la posición del sol es 85° de la horizontal, por esto hacia la época de verano el sistema tiene pérdidas por sombra, lo cual no quiere decir que se anule completamente, sino que a esa hora no va a recibir radiación directa, por lo tanto el sistema deja de circular liquido calorportador por ese momento, pero en cuanto la temperatura del colector vuelva a subir, se pone en marcha el circuito primario nuevamente. 68
Estudio de proyecciones de sombra sobre un plano vertical en Ecotect Proyecciones de sombra desde las 9 AM hasta las 16 hrs
Solsticio de Verano Se puede observar como en verano las proyecciones son mas largas y por momentos caen sobre los colectores, pero de todas formas una buena superficie de ellos está despejada. Se puede observar como sombrea hacia la fachada, otorgando mayor frescura para este periodo del año.
Equinoccios Entre los equinoccios el sol está a un ángulo favorable, se observa como no se sombrean los colectores, por esto podemos decir que en el resto del tiempo entre equinoccios e invierno no habrá problemas con el sombreo de los colectores entre sí. La luz entra más, se nota en los vacíos que proyectan las sombras.
Solsticio de Invierno Aun que en invierno suele haber mucha nubosidad y mal tiempo, existe una buena cantidad de días despejados que sumarán un ahorro importante y las sombras serán más pequeñas, dejando pasar la luz y el calor al habitar del edificio. 69
Radiación incidente en superficie Ecotect °C
MONTHLY DIURNAL AVERAGES - SANTIAGO, CHL
W/ m²
Inforación meteorológica 40
1.0k
30
0.8k
20
0.6k
10
0.4k
0
0.2k
real para un año en
-10
0.0k Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
En el siguiente estudio se analiza la radiación incidente en la superficie de colectores con el propósito de determinar la eficiencia de la forma para captar radiación solar, para esto se hacen dos simulaciones. Primero hace una simulación para los solsticios y equinoccios en condiciones ideales, con el cielo despejado, para determinar cuanta radiación reciben en cada época del año para el periodo de las horas centrales del día, las cuales son las más importantes para la captación de radiación solar para producir agua caliente. La segunda simulación consiste en determinar cuanta radiación reciben los colectores para el periodo de un año entero, durante
Sep
Oct
Nov
Santiago
LEGEND Comfort: Thermal Neutrality Temperature Rel.Humidity Wind Speed
Direct Solar Diffuse Solar Cloud Cover
Dec
las horas centrales del día, pero esta vez no con cielo despejado sino que con datos meteorológicos reales de Santiago tomados por la estación de Pudahuel, esto dará un resultado real de cuanta eficiencia para captar la radiación solar podría lograr la superficie de los colectores, considerando las pérdidas en periodos de nubosidades, y la radiación real directa y difusa que recibió la superficie durante ese año. Luego dividiendo el total de la radiación que recibió la superficie por el número de días del año podemos hacer un promedio anual de cuanto produce por día el nuevo sistema de colección solar. 70
Solsticio de verano desde las 08:00 a 18:00 Radiación en día despejado DAILY CONDITIONS - 21st December (355)
°C
Range: 200.0 - 400.0 Wh/ m2
13
W/ m²
14 12
40
1.0k
30
0.8k
20
0.6k
10
0.4k
0
0.2k
-10
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Temperature
Direct Solar
Rel.Humidity Wind Speed
Diffuse Solar Cloud Cover
N
360 10
340 16
320
09
0.0k
300 280
08
260
17
240
07
1 5°
330°
30°
31 5°
220
45°
14
300°
13
12
15
60°
11 10
16 285°
11
75° 08
18
07
270°
220 200
06
09
17
1 05°
90°
1 20°
1 35°
1 50° 1 65°
90° 255°
1 05°
240°
1 95° 60°
1 35°
21 0°
18 1 80°
75°
1 20°
225°
1 50° 1 95°
1 80°
400 380
15
Hora
LEGEND
345°
24
© E CO T E CT v 5
W h / m2
21 0°
1 65°
45°
Posición
19 225° 30°
240° 1 5°
255°
N
270°
345°
285°
71
330°
300° 31 5°
Equinoccio de otoño desde las 08:00 a 18:00 Radiación en día despejado °C
DAILY CONDITIONS - 21st March (80)
40
1.0k
30
0.8k
20
0.6k
10
0.4k
0
0.2k
-10
0.0k
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Temperature
Direct Solar Diffuse Solar Cloud Cover
345°
N 13
12
340
15
300 280
09
17
07
255°
90°
1 35°
1 50°
1 65°
240
17
21 0° 225°
45°
1 35°
21 0°
200
1 95°
1 20°
225°
220
1 80°
60°
1 05°
240°
1 05°
1 20°
75°
75° 08
18
260
16 07 90°
10
270°
320
08
60°
11
360
10
45°
14 15 16
285°
11
30°
31 5°
380
14
1 5°
330°
300°
13
12
400
© E CO T E CT v 5
09
LEGEND Rel.Humidity Wind Speed
W h / m2
Range: 200.0 - 400.0 Wh/ m2
W/ m²
1 50° 1 95°
1 80°
1 65°
Psición
240°
30° 18
255°
1 5°
270°
N
285°
345°
330°
300° 31 5°
72
Solsticio de invierno desde las 08:00 a 18:00 W h / m2
Radiación en día despejado °C
DAILY CONDITIONS - 21st June (172)
W/ m²
40
1.0k
30
0.8k
20
0.6k
10
0.4k
0
0.2k
-10
2
4
6
8
10
12
14
16
LEGEND Temperature
Direct Solar
Rel.Humidity Wind Speed
Diffuse Solar Cloud Cover
345°
N
20
22
14
13
12
1 7 9 .0 1 7 2 .0
0.0k
1 6 5 .0 1 05°
13
1 35°
1 20°
1 5 8 .0
1 50°
1 65°
90°
08 60°
60°
11
09
17
1 4 4 .0
1 95°
1 3 7 .0
14
21 0°
10
16
1 5 1 .0
1 80°
75° 30°
15
1 8 6 .0
10 09
1 3 0 .0
75° 08
18
07
270°
255°
90°
45°
225°
1 05°
240°
2 0 0 .0 1 9 3 .0
© E CO T E CT v 5
1 11 2
45°
300°
24
1 5°
330°
31 5°
285°
18
Range: 130.0 - 200.0 Wh/ m2
1 20°
225°
1 35°
21 0°
1 50° 1 95°
1 80°
15
30°
1 65°
240°
Posición
1 5° 255° 16
N 270° 17
345°
285°
330°
300° 31 5°
73
Equinoccio de primavera desde las 08:00 a 18:00
W h / m2
Radiación en día despejado °C
DAILY CONDITIONS - 21st September (264)
W/ m²
40
1.0k
30
0.8k
20
0.6k
10
0.4k
0
0.2k
-10
0.0k
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
LEGEND Temperature
Direct Solar
Rel.Humidity Wind Speed
Diffuse Solar Cloud Cover
345°
N
© E CO T E CT v 5
14
280
11
270
15
10
260 250 240
09
230
16
220
08
1 5°
330°
30°
31 5°
21 0
45°
14
300°
13
12
15
60°
11
07
10
16 285°
Value Range: 200.0 - 300.0 Wh/ m2
13
12
09
17
75° 08
18
07
270°
255°
90°
75°
1 05°
240°
1 05°
1 20°
1 35°
1 50°
1 65°
200
1 80°
1 95° 21170 °
60°
1 20°
225°
90°
1 35°
21 0°
1 50° 1 95°
1 80°
225°
45°
1 65°
Posición
240°
30° 18
255°
1 5° 270° N 285° 345° 300° 330°
31 5°
74
Radiación anual en rango de horas de 08:00 a 18:00 W h / m2
W h / m2 día
Value Range: 99000.0 - 134000.0 Wh/ m2 12
13
© E CO T E CT v 5
11 14 10
09
15 08 1 20°
1 35°
1 50°
1 65°
1 80°
1 05° 07 90°
1 95° 16 21 0°
75°
225° 60° 17
240°
45°
18
255°
30°
270° 1 5°
285° N
300° 345° 31 5° 330°
75
Información metereológica del análisis anual W/ m²
DIRECT SOLAR - SANTIAGO, CHL
2nd January to 31st December
W/ m²
1.00k
1.00k
0.80k
0.80k
0.60k
0.60k
0.40k
0.40k
0.20k
0.20k
0.00k Jan
100%
14th
28th Feb
14th
28th Mar
14th
28th Apr
14th
28th May
14th
28th Jun
14th
28th Jul
14th
28th Aug
14th
28th Sep
14th
28th Oct
14th
28th Nov
CLOUD COVER - SANTIAGO, CHL
14th
28th Dec
14th
28th
2nd January to 31st December
0.00k
100%
80%
80%
60%
60%
40%
40%
20%
20%
0% Jan
14th
28th Feb
14th
28th Mar
14th
28th Apr
14th
28th May
14th
28th Jun
14th
28th Jul
14th
28th Aug
14th
28th Sep
14th
28th Oct
14th
28th Nov
14th
28th Dec
14th
28th
0%
LEGEND Direct Solar Diffuse Solar Cloud Cover
76
Radiación anual en rango de horas de 08:00 a 18:00 13
12
14
11
Acorde a los datos meteorológicos anteriores se realiza el análisis para el producto final, logrando un máximo de 369 Wh/m2 Por día, lo que se debe multiplicar por la superficie total es decir 0,85, quedando una cantidad de energía incidente de 314 Wh por cada módulo.
T o ta l R a d ia tio n Value Range: 99000.0 - 135000.0 Wh/ m2
15
10
W h / m2 1 35000+ 1 31 400 1 27800
09
1 24200 16
08
1 20600 1 1 7000
07
1 1 3400 06
75°
90°
1 05°
1 20°
1 35°
1 50°
1 09800
17
1 06200
1 65° 1 80°
60°
1 02600 1 95°
45°
99000 21 0° 1 8
30°
225° 19
1 5°
240°
N 255°
345°
270°
330°
285° 31 5°
300°
77
Verificación del funcionamiento y rendimiento del colector Fecha: 14/06/2011 Horario: 11:00 - 13:45 Hora: 11:00- 12:50 Flujo 0,55 L/min Estático:12:50- 13:.45
El análisis consistió en comprobar que capacidad tiene uno de los colectores que van insertados en el módulo, para el calentamiento de agua. Esta primera prueba consistió en pasar agua, a un flujo de 0,55L/min desde las 11 AM de un día 14/06 muy próximo al solsticio de invierno, y comprobar la variación de temperatura de entrada y de salida. Para una mejor constatación del funcionamiento del
sistema se debe realizar con un circuito primario y secundario, con intercambio de calor, y una bomba que haga circular al circuito primario. Además se requiere de una excelente aislación térmica para reducir lo más posible las pérdidas. Todo esto encarece la evaluación, por lo que a la fecha aún no se realiza con estos requerimientos.
78
Resultados de la verificación °C
120 100 80 60
T2 T1
40 20 Hora 11:01:00 11:05:00 11:09:00 11:13:00 11:17:00 11:21:00 11:25:00 11:29:00 11:33:00 11:37:00 11:41:00 11:45:00 11:49:00 11:53:00 11:57:00 12:01:00 12:05:00 12:09:00 12:13:00 12:17:00 12:21:00 12:25:00 12:29:00 12:33:00 12:37:00 12:41:00 12:45:00 12:49:00 12:53:00 12:57:00 13:01:00 13:05:00 13:09:00 13:13:00 13:17:00 13:21:00 13:25:00 13:29:00 13:33:00 13:37:00
0
Los resultados muestran que durante el periodo de 11:00 a 12:50 la diferencia entre temperatura de entrada y temperatura de salida fue constante, y no fue muy alta casi constante a 2° de diferencia, esto no es muy alto, y se debe a una falta de regulación del flujo que circulaba demasiado rápido para lo que se requiere en colectores solares, entonces el líquido no alcanzaba a tomar el calor que existía en potencia en la placa absorbedora. Otro factor que afectó a la baja diferencia es la falta de aislación, se requería
que fueran sistemas completamente cerrados para mantener ese calor, y aumentar la diferencia entre las temperatura. Debido a estos errores en la comprobación se optó por tomar otro indicador que se utiliza en los colectores, la temperatura estática, que es cuando se mide sin flujo del líquido calor portador, calculando que temperatura toma el agua estancada en el interior por cantidad de tiempo, esto es lo que denota el cambio en el horario de 12:50 - 13:40, en el gráfico.
79
3.5 Prototipos funcionales Pieza colector del producto. Detalles de la placa absorbedora
Se eligió la pieza que hace el trabajo de colector solar, que va integrado en el producto final que es el antepecho completo. La pieza se repite cuatro veces por modulo, logrando una superficie de captación de 0,8 m^2 en total. Este módulo se repetirá en la fachada como un producto que sirve para suplir la necesidad de un antepecho, de sombrear, desde una altitud de verano, sombreando hacia el balcón inferior, y de captar la radiación con la superficie expuesta, logrando así una multifunción eficiente en estos tres aspectos.
80
3.6 PlanimetrĂas
100 50
1500 Vista lateral
Vista Frontal
632,4
632
491,2
491
150
207
1050
981,4
5
12
1300
1119
173
100
250
Vista Superior
Vista Isometrica
Escala 1:20 Unidades en milimetros 81
50
COLECTORES DEERECHO E IZQUIERDO
1500
250
250
1500
250
ESSCALA 1:20
DETALLE DEL CONJUNTO DE ABSORCIÓN PLACA - SERPERTÍN 40
170
170
170
R25
127,500
170
170
210,500
229,500
45
50
ESSCALA 1:10
82
3.7 Ámbito de innovación El ámbito de innovación es en el de los colectores solares térmicos. Estos existen como tecnología emergente, y cada vez aumentan las propuestas para captar la radiación solar y convertir su energía en un producto utilizable de diferentes formas, ya sea eléctrica o térmica. La innovación presente en este proyecto es el de integrar colectores en una fachada norte de edificio residencial, que es el lugar donde existe mayor demanda de agua caliente. El desafío consiste en colocar estos elementos de forma no invasiva o no contaminante en la arquitectura, y mantener un carácter adecuado al tipo de construcción. HelioFronte hace frente al sol, y aprovecha sus distintas instancias para reducir el uso de energía en la vivienda en altura, logrando un confort más sustentable.
83
4. Bibliografía
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Bibliografía Citada 1) Corporación de desarrollo tecnológico Cámara chilena de la construcción, Sistemas Solares Térmicos: Manual de diseño para el calentamiento de agua, Santiago, octubre 2007 2) Corporación de desarrollo tecnológico Cámara chilena de la construcción, Sistemas solares térmicos II: Guía de diseño e instalación para grandes sistemas de agua caliente sanitaria, Chile, Diciembre 2010 3) Registro solar métrico: Irradiancia solar en territorios de la República de Chile. CNE/ PNUD / UTFSM, 2008 4) Energía solar: Aplicaciones e ingeniería, Ing. Pedro Sarmiento, 4, Chile, UTFSM, 2008 5) Sustainable Facades, Facades – the whole picture, Bill Gething, 5 April 2006. 6) Politicas energéticas, Nuevos lineamientos, CNE, Chile 2008 7) Ministerio De Energía, Gobierno De Chile,
Antecedentes Sobre La Matriz Energética En Chile Y Sus Desafíos Para El Futuro, Chile, 2011 8) Comisión Nacional de Energía, Balance nacional de energía 2008 9) Neufert. El arte de proyectar en la arquitectura, 14, Barcelona, Editorial Gustavo Gili S.A., 1995, 594p. 10) Sarmiento, Energia Solar Térmica en Chile, http://www.e-solar.cl/esolar/uploads/archivosGrandes/Energia_Solar_Termi ca_en_Chile_-_Pedro_Sarmiento.pdf 11) Crisis energética en Chile y el negocio de la Arquitectura Sustentable, http://www.plataformaarquitectura.cl/2006/09/07/c risisenergetica-en-chile-y-el-negocio-de-la-arquitect ura-sustentable/ [Noviembre 2010]
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