AVANCES DE UNA APLICACIÓN DE SISTEMA FOTOVOLTAICO …
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XXVI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXVI- SPES), Ayacucho, 18-22.11.2019 AVANCES DE UNA APLICACIÓN DE SISTEMA FOTOVOLTAICO TERMICO PARA COMODIDAD TERMICA EN ESCUELAS ALTOANDINAS DE AREQUIPA José Luis Galdós Gómez – [email protected] Pedro Bertin Flores Larico – [email protected] Alex Genaro Ttito Torres – [email protected] Américo José Santos Valdivia Del Carpio- [email protected] Luz María Chauca Cuellar- [email protected] Ysabel Alexandra Hancco Solís- [email protected] Universidad Nacional de san Agustín de Arequipa, Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Manfred Josef Horn Mutschler - [email protected] Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ciencias Resumen. Se aplica un sistema fotovoltaico térmico, de 7 a 9 horas se disipara energía mediante disipadores eléctricos un radiante y un convectivo, de 9 a 13 horas un colector térmico transformara la energía solar en energía térmica la que será entregada al salón de clases. Palabras-clave: Energía Solar, Sistema Fotovoltaico, Sistema Térmico, Escuelas Altoandinas 1. INTRODUCCIÓN El objetivo general del proyecto es que en las alas del ámbito educacional alto andino se debe mejorar las condiciones de comodidad térmica en el interior de las aulas. Nuestro compromiso técnico es generar un aula que confiera comodidad térmica a alumnos de inicial, primaria y secundaria, cuyos centros de estudio estén ubicados a alturas sobre el nivel del mar mayores a 3 000 metros. Los alumnos no deben sentir el frío intenso de temporada durante su permanencia al interior de sus aulas, ni estar expuestos al eventual choque térmico al salir del aula. 2. ASPECTOS GENERALES El compromiso técnico es mejorar un aula que confiera comodidad térmica a alumnos de educación inicial cuyo centro de estudios está ubicado a 3000msnm. Comodidad térmica. Los alumnos no deben sentir el frío intenso de temporada durante su permanencia al interior de sus aulas, ni estar expuestos al eventual choque térmico al salir del aula. Resultados esperados. Aula escolar acondicionada físicamente para que capte el calor solar, lo transfiera a su interior, sea sentido por sus ocupantes. La persona como ser humano percibe los cambios térmicos producidos en el ambiente debe estar preparada para asimilarlos positivamente. Estrategias. Usar la radiación solar para crear un ambiente interior cómodo térmicamente instalando en techos y muros del aula dispositivos, para que el alumno perciba con satisfacción dichas sensaciones. Ubicación. Escuela Inicial PRONOEI 1428096 UZUÑA, Polobaya, Arequipa que está a 3305msnm y a una presión atmosférica de 700mb, 71°18´ longitud oeste y -19.60° latitud sur. Figura 1- Ubicación de la escuela inicial de Uzuña
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XXVI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXVI- SPES), Ayacucho, 18-22.11.2019
AVANCES DE UNA APLICACIÓN DE SISTEMA FOTOVOLTAICO
TERMICO PARA COMODIDAD TERMICA EN ESCUELAS
ALTOANDINAS DE AREQUIPA
José Luis Galdós Gómez – [email protected]
Pedro Bertin Flores Larico – [email protected]
Alex Genaro Ttito Torres – [email protected]
Américo José Santos Valdivia Del Carpio- [email protected]
Luz María Chauca Cuellar- [email protected]
Ysabel Alexandra Hancco Solís- [email protected]
Universidad Nacional de san Agustín de Arequipa, Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Manfred Josef Horn Mutschler - [email protected]
Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ciencias
Resumen. Se aplica un sistema fotovoltaico térmico, de 7 a 9 horas se disipara energía mediante disipadores
eléctricos un radiante y un convectivo, de 9 a 13 horas un colector térmico transformara la energía solar en energía
térmica la que será entregada al salón de clases.
Palabras-clave: Energía Solar, Sistema Fotovoltaico, Sistema Térmico, Escuelas Altoandinas
1. INTRODUCCIÓN
El objetivo general del proyecto es que en las alas del ámbito educacional alto andino se debe mejorar las
condiciones de comodidad térmica en el interior de las aulas. Nuestro compromiso técnico es generar un aula que
confiera comodidad térmica a alumnos de inicial, primaria y secundaria, cuyos centros de estudio estén ubicados a
alturas sobre el nivel del mar mayores a 3 000 metros. Los alumnos no deben sentir el frío intenso de temporada
durante su permanencia al interior de sus aulas, ni estar expuestos al eventual choque térmico al salir del aula.
2. ASPECTOS GENERALES
El compromiso técnico es mejorar un aula que confiera comodidad térmica a alumnos de educación inicial cuyo
centro de estudios está ubicado a 3000msnm.
Comodidad térmica. Los alumnos no deben sentir el frío intenso de temporada durante su permanencia al
interior de sus aulas, ni estar expuestos al eventual choque térmico al salir del aula.
Resultados esperados. Aula escolar acondicionada físicamente para que capte el calor solar, lo transfiera a su
interior, sea sentido por sus ocupantes.
La persona como ser humano percibe los cambios térmicos producidos en el ambiente debe estar preparada para
asimilarlos positivamente.
Estrategias. Usar la radiación solar para crear un ambiente interior cómodo térmicamente instalando en techos y
muros del aula dispositivos, para que el alumno perciba con satisfacción dichas sensaciones.
Ubicación. Escuela Inicial PRONOEI 1428096 UZUÑA, Polobaya, Arequipa que está a 3305msnm y a una
presión atmosférica de 700mb, 71°18´ longitud oeste y -19.60° latitud sur.
Figura 1- Ubicación de la escuela inicial de Uzuña
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Figura 2- Vista frontal del aula
Figura 3- Represa San José de Uzuña, cerca de la escuela
Figura 4- Interior de aula con sus alumnos
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Figura 5- Aula mostrándose las amplias ventanas
3. METODOLOGIAS DE CALENTAMIENTO CON ENERGIA SOLAR
Se utilizara un sistema fotovoltaico adicionado con un sistema térmico.
Figura 6- Metodologías de calentamiento solar
3.1 Penetración solar
El sistema térmico consiste de una apertura en el techo colocándose vidrios y una plancha metálica.
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Figura 7- Radiación solar penetrando a la casa
3.2 Sistema fotovoltaico y pantallas radiantes
Se colocara un sistema fotovoltaico con su regulador de carga, baterías e inversor. Las pantallas van en el techo y
la pared.
Figura 8- Techo mostrando pantalla radiante
4. CALCULOS DE DIMENSIONES
4.1 Sistema fotovoltaico
Mediante Excel de la empresa GEOENERGIA se dimensiono el sistema fotovoltaico, determinándose sus
características
Tabla 1. Dimensionamiento de sistema fotovoltaico
4.2 Sistema térmico
La dimensión del tamaño de la plancha del sistema térmico se realizó para el mes más crítico donde las
temperaturas 18,5°C la maxima y la minima -0,2°C, asumiremos 15°C la temperatura interior y 5°C la temperatura
pared exterior.
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Figura 9- Dimensiones del aula
Medidas: 6,24m*8,29m*2,56 m, volumen: 132,43 m3
Perdidas de calor por el aula, Paredes del proyecto: drywall, lana de vidrio y muro actual.
Tabla 2. Materiales de pared
Material Espesor (mm) Conductividad térmica (W/m-K)
Drywall 25 0,25
Lana de vidrio 50 0,037
Concreto 50 1,53
Ladrillo 180 0,84
Asumiendo hi = 6W/m2-K y calculamos el coeficiente global de perdidas Up de la pared, Cengel (2011)
(1)
Calculamos el coeficiente global de perdidas Ut del techo
Tabla 3. Materiales de techo
Material Espesor (mm) Conductividad térmica (W/m-K)
Cielo raso 6 0,225
Lana de vidrio 50 0,037
Calamina 0,00022 280
(2)
Área de la pared = 74,39 m2
Área del techo= 51,73 m2
(3)
Perdidas por renovación de aire, asumiremos 2 intercambios de masa de aire por hora
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Durante la presencia de los alumnos de 9 a 13 horas
(4)
Masa extraída:
mt = 132,43Kg*2 intercambios por hora *4 horas= 1059,4 Kg
(5)
Q2 = 1059,4*1000*(15-5) = 10 594 400 J/4*3600= 736,7 W
(6)
Como son 4 horas, la energía = 5,5KWh, la eficiencia según Duffie (2013)
(7)
Área de la placa para cumplir con los requerimientos es 6,2 m2
5. IMPLEMENTACION
Sistema fotovoltaico y sistema térmico, el sistema fotovoltaico (paneles, controlador de carga, inversor), funcionara
primero de 7 a 9 horas y luego sistema térmico, la batería energizara a pantallas radiantes: una convectiva y la otra
radiativa cediendo energía al espacio interno del aula.
Calefactores eléctricos murales cuyos datos son: Voltaje: 220-240V, Potencias: 550W (convectivo) y 600W
(radiante) y cubren un área de 8 a 13m2, cada uno
Características Sistema fotovoltaico:
4 Módulos solares de 320W, Imax = 8,71 A, Isc = 9,28 A, V = 24 V, conectados en paralelo
1 Controlador de carga 48V y 30ª
4 baterías de 220Ah, 12V
1 Inversor 1200W, 48V a 230AC de onda pura
El Sistema Térmico utilizara la radiación solar global de 9 a 13 horas, en la cual se retira parte del techo en 6m2,
reemplazado por doble vidrio que irradiara al interior sobre panel absorbedor radiante a la altura del falso techo. Una
exclusa para protección térmica ante el golpe de calor al ingresar y salir del aula.
5.1 Adecuación del aula
a) Revestir las paredes con driwall
b) Instalar doble vidrio en las ventanas existentes con marcos de madera, dejando totalmente libres: Ventanas de
circulación de aire, tomacorrientes existentes e interruptores, trasladados sobre el driwall y se reinstala la pizarra sobre el
driwall
c) Instalar bisagra basculante sobre puerta existente para mantener ambiente cerrado
d) Instalar pre cámara (esclusa) antes de ingresar al aula con su respectiva puerta.
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Figura 10- Adecuación de la escuela
6. DISCUSIÓN
Obtener un aula escolar acondicionada físicamente para que capte el calor solar, lo transfiera a su interior, sea
sentido por sus ocupantes y no retorne al espacio exterior. La persona como ser humano percibe los cambios térmicos
producidos en el ambiente debe estar preparada para asimilarlos positivamente.
No se modificara la infraestructura del aula de la Inicial PRONOEI Uzuña 1480416-Polobaya, Ugel Sur de
Arequipa, distrito Polobaya.
Agradecimiento
Este trabajo ha siendo apoyado y financiado por la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa (UNSA), en
el marco de concurso de proyectos UNSA INVESTIGA del Vicerrectorado de Investigación, Investigación Aplicada
Inicial. Contrato de financiamiento N° IAI-018-2018-UNSA
REFERENCIAS
Cengel, Y. A. and Ghajar, A. J., 2011, Transferencia de Calor y Masa, Mc Graw-Hill Interamericana, Cuarta Edición,
México.
Duffie, J, A. and Beckman W. A., 2013, Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & son, Inc, New York, USA.
Molina Fuertes, J. O., 2017, Evaluación sistemática del desempeño térmico de un módulo experimental de vivienda alto andina para lograr el confort térmico con energía solar, tesis grado de maestro, UNI, Perú.
ADVANCES OF AN APPLICATION OF THERMAL PHOTOVOLTAIC SYSTEM FOR THERMAL COMFORT IN HIGH ANDEAN SCHOOLS OF AREQUIPA
Abstract. A thermal photovoltaic system is applied, from 7 to 9 hours, a radiant and a convective energy dissipate through electric heatsinks, from 9 to 13 hours a thermal collector will transform the solar energy into thermal energy which will be delivered to the classroom.
Keywords: Solar Energy, Photovoltaic System, Thermal System, High Andean Schools
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