MAESTRIA EN ENERGIAS RENOVABLES IV

MODULO

EFICIENCIA Y AHORRO ENERGETICO

TEMA

ANÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE CALOR EN UNA CASA

SIMULADA MEDIANTE TRANSFERENCIA DE CALOR.

PROFESOR

DR. ALFREDO BARRIGA

ALUMNO

ING. JOSE SERRANO.

Contenido 1) Introducción ................................................................................................................................. 3

2) Antecedentes ............................................................................................................................... 4

3) Situación y Alcance ....................................................................................................................... 5

4) Definición del problema y justificación ........................................................................................ 6

5) Objetivos ...................................................................................................................................... 7

5.1) Objetivo general. ...................................................................................................................... 7

5.2) Objetivos específicos. ................................................................................................................ 7

6) Metodología ................................................................................................................................. 7

6.1) Análisis de la transferencia de calor de una casa. .................................................................... 7

6.1.1) Características de la casa. .................................................................................................... 7

6.1.2) Pérdidas de calor por conducción, convección y radiación a través de paredes y techo. .. 10

6.1.2.1) Pérdidas de calor a través de paredes. ........................................................................... 10

6.1.2.2) Pérdidas de calor a través de las ventanas. ..................................................................... 12

6.1.2.3) Pérdidas de calor a través del techo. ............................................................................... 13

6.2) Aplicación a un caso particular de estudio. ............................................................................ 15

6.2.1.) Calculo del calor que se pierde diariamente en un departamento. .................................. 15

6.2.1.1) Calculo de la fuerza impulsora ) ................................................................................. 16

6.2.1.2) Calculo de la resistencia .................................................................................................... 16

6.2.1.3) Resistencia de paredes ...................................................................................................... 16

6.2.1.4) Resistencia de ventanas .................................................................................................... 17

6.2.1.5) Resistencia total del departamento .................................................................................. 17

7) Análisis ........................................................................................................................................ 18

8) Conclusiones ............................................................................................................................... 19

9) Recomendaciones ...................................................................................................................... 19

10) Bibliografía .............................................................................................................................. 20

1) Introducción

Durante el siglo XX, el paradigma energético dominante se centró en producir energía, en cantidad abundante y de buena calidad. El efecto de su producción a gran escala no fue motivo de preocupación ambiental hasta fines de la década de los ochenta. Es claro que sin fuentes energéticas abundantes no hubiera sido posible sostener el ritmo de crecimiento económico mundial y alcanzar el grado de calidad de vida actual. Sin duda ese paradigma fue, en su momento, acertado. Gran parte de los avances logrados internacionalmente en el cuidado de la salud, en la medicina, en las comunicaciones, en la producción de alimentos, entre otros beneficios, se deben al uso extensivo de las fuentes energéticas basadas principalmente en el uso de los llamados recursos fósiles: carbón, gas natural, petróleo y sus derivados. Sin embargo, en la actualidad estos recursos se encuentran en el “banquillo de los acusados”. Son los principales responsables de las emisiones de dióxido de carbono, un gas que contribuye a aumentar el Efecto Invernadero y una amenaza a la estabilidad del clima del planeta. No obstante, es difícil creer que las principales naciones del mundo los reemplacen de forma inmediata. Y es también difícil creer que sea posible continuar con el ritmo de demanda energética mundial bajo las mismas pautas de consumo de energía que rigieron el siglo. Por ello, un cambio de paradigma es necesario. En especial cuando se sabe que el consumo energético mundial seguirá aumentando sin cesar, tanto por el crecimiento socioeconómico de las naciones como por el mayor consumo per cápita de la población mundial. Esta situación obliga a evaluar soluciones viables y efectivas, en este contexto se puede analizar cuáles son los mecanismos generales con los cuales perdemos y transferimos energía en forma de calor y este se da de tres formas específicas las cuales son: Conducción, Convección, Radiación.

Conducción.- Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. Las moléculas y los electrones libres de la fracción de un sistema con temperatura alta vibran con más intensidad que las moléculas de otras regiones del mismo sistema o de otros sistemas en contacto con temperaturas más bajas. Las moléculas con una velocidad más alta chocan con las moléculas menos excitadas y transfieren parte de su energía a las moléculas con menos energía en las regiones más frías del sistema. Las moléculas que absorben el excedente de energía también adquirirán una mayor velocidad vibratoria y generarán más calor. Convección.- Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido (líquido o gaseoso). La convección es el desplazamiento de masas de algún líquido o gas. Cuando una masa de un fluido se calienta al estar en contacto con una superficie caliente, sus moléculas se separan y se dispersan, causando que la masa del fluido llegue a ser menos densa. Cuando llega a ser menos denso se desplazará hacia arriba u horizontalmente hacia una región fría, mientras que las masas menos calientes, pero más densas, del fluido descenderán o se moverán en un sentido opuesto al del movimiento de la masa más caliente (el volumen de fluido menos caliente es desplazado por el volumen más caliente). Mediante este mecanismo los volúmenes

más calientes transfieren calor a los volúmenes menos calientes de ese fluido (un líquido o un gas). Radiación.- Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se requiere de un medio para su propagación. La energía irradiada se mueve a la velocidad de la luz. El calor irradiado por el Sol se puede intercambiar entre la superficie solar y la superficie de la Tierra sin calentar el espacio de transición.

2) Antecedentes

Consumo Mundial El consumo mundial de energía es cada vez mayor y las fuentes actuales se están agotando, en la figura 1 se ha graficado el consumo mundial de energía primaria entre 1973 y 2008 (ver nota en Cuadro I, Unidades de energía) de acuerdo a datos estadísticos de la Agencia Internacional de Energía. Podemos ver que en el año 2008 el consumo superó el doble del correspondiente a los primeros años de los setenta. Este incremento demandó que la producción de los combustibles fósiles no cesara, sino que se incrementara incluso respecto de las otras fuentes como la nuclear y la hidroeléctrica. Estos resultados han conducido a que en la actualidad el uso del recurso fósil llegue a ser algo más del 80 % del consumo mundial total.

Figura 1. Demanda de energía primaria mundial entre 1971 y 2008 expresada en unidades de energía llamadas Mtoe por sus siglas en inglés Million of tonne o

Energía per cápita En las Naciones Unidas estiman que la población mundial, que en la actualidad es de casi 7.000 millones de personas, aumentará a 9.100 millones para el año 2050. Es fácil comprender que mayor cantidad de personas en el mundo conducirá a un mayor consumo de energía. Un consumo que será, en cierta medida, independiente del desarrollo económico de las naciones, ya que estará asociado a la mayor cantidad de energía que cada persona utilizará a diario. Cuando se intenta construir proyecciones razonables, se debe tener en cuenta que el consumo energético aumentará probablemente en una dimensión mayor a la directamente proporcional a la mayor cantidad de personas. Esa tendencia se ha evidenciado en las últimas décadas, junto al explosivo aumento de la producción de

bienes y servicios producidos en la segunda parte del siglo XX. La Figura 2 refleja esta realidad, al presentar de manera cualitativa y simultánea el consumo energético y el crecimiento demográfico de la población mundial en función de las últimas décadas. Puede verse que hasta los cincuenta la demanda de energía estuvo asociada –aproximadamente– al crecimiento de la población mundial. A más gente en el mundo mayor consumo de energía. Pero en las últimas décadas la correspondencia directa se alteró, y cada generación pasó a consumir más energía que la anterior. Los requisitos de mayor producción de alimentos y agua potable, mayor consumo energético en la iluminación de ciudades más pobladas, mayor producción de ropa, mayor explotación de materias primas, etc. no surgen sólo de la mayor población, sino también del consumo más intensivo de cada individuo.

Figura 2. Evolución del consumo mundial de energía (en azul) y aumento de la población mundial (en rojo). Hasta aproximadamente 1950 las curvas mantuvieron un crecimiento similar, y el mayor consumo de energía se debía principalmente a la mayor población. En cambio, en las últimas décadas del siglo XX el consumo energético aumenta más rápido que la población mundial. Nota: Unidades arbitrarias.

3) Situación y Alcance

Las necesidades energéticas del hombre actual son mayores que antes y muy variadas. Por ejemplo, requiere más energía para el transporte. Muchas personas se trasladan a diario largas distancias para concurrir a fábricas u oficinas muy distantes de sus domicilios. Muchos viajan cientos de kilómetros para asistir a reuniones de trabajo, o para disfrutar de sus vacaciones. Kilómetros y kilómetros recorridos a diario que representan un mayor consumo de combustibles. El hombre actual utiliza una cuota de energía para mantenerse continuamente informado y actualizado de los acontecimientos y sucesos que ocurren en la otra parte del mundo, o bien para comunicarse a diario con más personas. La dieta diaria ya no sólo se compone de productos y materias primas de la región en la que vivimos. Ahora consumimos alimentos que llegan de todas partes del mundo, que exigen energía utilizada en el trasporte y en la conservación refrigerada. Antes, la consulta al médico, cuando era de rutina y no representaba nada grave, se limitaba a sus preguntas y tal vez a algunas recomendaciones, pero en la actualidad casi todas las consultas derivan en estudios clínicos de rutina que utilizan instrumentos o equipos sofisticados que requirieron energía para ser fabricados y que demandan energía para ser utilizados. Hoy la medicina preventiva –que es una de las razones de la mayor expectativa de vida– se sustenta en esos instrumentos y técnicas de estudio. Nuestros hogares disponen también de un mayor confort asociado a una mayor cantidad y diversidad de

electrodomésticos y a una mejor ambientación. En algunos lugares del mundo se puede encontrar las viviendas inteligentes, que se hallan prácticamente automatizadas para brindar las condiciones de temperatura y luminosidad óptimas a cada persona, y las condiciones de seguridad apropiadas. En suma, la mayor calidad de vida, el ritmo de vida del mundo globalizado, el transporte, las comunicaciones, el mayor consumo, el confort, son las verdaderas razones, entre otras, de que el hombre consuma en la actualidad más energía per cápita. Por ese motivo es razonable pensar que cuanto mayor es el consumo de energía por habitante de un determinado pueblo, ciudad, sociedad, o nación, mayor es su calidad de vida y desarrollo socioeconómico. Y en efecto, así se piensa en las Naciones Unidas, que han establecido que la energía consumida por habitante es un indicador de desarrollo socioeconómico, de desarrollo social y en suma un indicador de desarrollo sostenible. Es interesante conocer qué valores adopta este indicador para nuestro país y cuál ha sido su comportamiento en los últimos años. La Figura 3 muestra que nuestro consumo “per cápita” ha crecido en los últimos años, en consonancia con la tendencia general mundial.

Lo que se pretende con el presente trabajo es cuantificar las pérdidas de calor que presenta un hogar promedio en nuestro país a causa de los malos manejos de espacios y criterios de construcción, con la finalidad de considerar posibles soluciones a este inconveniente para mejorar la eficiencia en el consumo promedio de energía en nuestro hogar.

4) Definición del problema y justificación

En general las pérdidas de calor en los hogares, es algo que en nuestro medio no se

ha tomado en cuenta todavía, pero que a nivel mundial representa un gran

porcentaje de energía que anualmente se desperdicia, en países desarrollados y con

condiciones climáticas un poco más severas, este tema es ampliamente controlado,

incluso con normativas y reformas que obligan a sus habitantes en general a adoptar

medidas para contrarrestar este problema desde la concepción misma de una casa o

edificio. Esto se debe a que en gran medida nosotros como personas no hemos

tomado conciencia del despilfarro energético en el cual vivimos sino solamente nos

hemos dedicado a consumir los recursos que tenemos de manera irresponsable

debido a los generosos subsidios que los gobiernos nos han brindado durante tantos

años y lo cual a ocasionado nuestro retraso tecnológico en cuanto al desarrollo de

soluciones “como todavía no vemos el problema no hay para que solucionarlo”, pero

no es necesario esperar a que se eliminen los subsidios sino más bien estar listos para

cuando esto suceda.

5) Objetivos

Los objetivos que se plantean con este trabajo son los siguientes:

5.1) Objetivo general.

Evaluar las pérdidas de calor que presenta una casa simulado mediante transferencia

de calor.

5.2) Objetivos específicos.

Determinar la cantidad de calor que pierde una residencia promedio en la ciudad de

Cuenca.

Proponer alternativas para disminuir las pérdidas de calor, haciendo eficiencia

energética.

6) Metodología

6.1) Análisis de la transferencia de calor de una casa.

6.1.1) Características de la casa.

La casa es una construcción de un piso con un techo. A continuación se presenta un

esquema de las principales características para el análisis de la casa. En primer lugar,

en la figura 1 se presenta el esquema de la construcción. Es una sola planta de

10x12m:

Esta construcción está conformada por cuatro paredes construidas con ladrillo de

construcción de 10cm y dos capas de mortero, una interior y otra exterior de 0.5 in

aproximadamente:

Cada una de las paredes contiene una ventana con las siguientes características:

Cada una de estas ventanas es de vidrio de 3mm de espesor, siendo un solo

encristalado con marco de Aluminio, con las siguientes medidas:

En cuanto al techo, este tiene un espacio considerable que constituye el ático. El

techo está soportado con 5 vigas de madera a cada lado de 6in x 6in, teniendo una

longitud de 9m. Solo la parte que está en contacto con el techo superior se ha

calculado que tiene una longitud de 7,071m:

Este techo está cubierto en su parte delantera y trasera por un tablero de madera:

La distribución de las vigas de madera a un costado del techo está dada de la forma

siguiente:

La parte que está marquetada representa el tejado. El techo superior que sostienen

toda la estructura del tejado está conformada por una capar de bloque de concreto

de 100mm, cubierta en la parte inferior por estuco de 1in de espesor y en la parte

superior, que es la que constituye el piso del ático, por una capa de mortero de 0.5 in:

6.1.2) Pérdidas de calor por conducción, convección y radiación a través de

paredes y techo.

Las pérdidas de calor pueden ser calculadas mediante el uso de la ecuación general de

trasferencia de calor en estado estacionario, pero para ello deberá conocerse la

resistencia total que cada uno de los elementos de las paredes y el techo opone a la

transferencia de calor. En este estudio se considera que las pérdidas de calor por el

piso son despreciables en comparación con las pérdidas de calor por las paredes y el

techo.

6.1.2.1) Pérdidas de calor a través de paredes.

Para cuantificar la resistencia total a través de las paredes, debemos recordar que

están constituidas tanto por la obra civil en sí como por las ventanas. Por tanto:

RPARED=Rinter+ Rcapas+ Rout

Expresado en otra forma:

Pero, según lo visto en los esquemas, la pared en sí está constituida por dos capas de

mortero y ladrillo de construcción. Por tanto, Rcapas está formado por:

Rcapas=2Rmortero+ Rladrillo

Para calcular estos valores, se usará la tabla 3-8 de Transferencia de Calor y Masa de

Cengel, la cual está diseñada para una temperatura al interior de la casa de 21ºC y

una diferencia de temperatura entre la superficie de las paredes y el aire de 5.5ºC,

según la tabla 1:

Según datos del Diagnóstico del Sistema de Monitoreo de la Calidad del Aire en la

Ciudad de Cuenca (OPS/OMS, 2001), la temperatura media del aire oscila alrededor

de los 16.2ºC en época lluviosa y entre 14 a 15ºC en época seca, lo cual está en el

rango exigido por la tabla. Además, según esta misma fuente la velocidad del viento

es de 11km/h. Las temperaturas máximas absolutas han llegado a 28ºC y las mínimas

absolutas en el mes de Julio han llegado a -3ºC.

Esta información es importante, especialmente para calcular las resistencias interiores

y exteriores combinadas del aire dadas por los mecanismos de convección natural y

radiación, dados en la tabla 2:

Como se puede ver en la tabla, no existe mucho desfase con la ciudad de Cuenca.

Además consideraremos un análisis en el cual el calor fluya desde el interior hacia el

exterior, que típicamente consideraría en gasto de energía en horas pico en la noche.

Además, se tomó un valor de emisividad de 0.9 que corresponde a superficies

comunes.

Las áreas para el paso del calor en la pared total son:

Calculando la resistencia total unitaria se tiene:

De donde el valor obtenido es de 0.321 m2 ºC/W, tomando los valores de hi= 8.29

w/m2 ºC, R mortero= 0.018 m2 ºC/W, R ladrillo= 0.12 m2 ºC/W y ho= 22.7 w/m2 ºC.

Este valor tiene que ser prorrateado a el área total de pared 1 y pared 2 de donde se

obtiene los valores de R PARED 1= 8.667 m2 ºC/W y R PARED 2= 7.062 m2 ºC/W.

6.1.2.2) Pérdidas de calor a través de las ventanas.

Para este caso, consideraremos que:

Uventana Aventana=Uencristalado Aencristalado+Umarco Amarco

Para calcular estos valores, se usará la tabla 9-6 de Transferencia de Calor y Masa de

Cengel, la cual está diseñada para una temperatura al interior de la casa de 21ºC con

vientos en el exterior de 24 km/h, una temperatura exterior de -18ºC y flujo solar

cero. Por tanto, estos datos deben manejarse con cautela, ya que no corresponden al

modelo que se está analizando:

Nótese que aunque el marco usado de Aluminio tiene 40mm, el coeficiente está

proyectado para 32mm. Luego, los datos se toman para ventanas de 1.2x1.8 m, lo que

da un área de 2.16m2, mientras que las ventanas de la casa tienen un área de 3m2.

Todos estos desfases contribuyen a que estos coeficientes no sean exactos como el

modelo de casa planteado requiere.

Luego, las áreas son las siguientes:

Aplicando la ecuación 7 se obtiene un U ventana Aventana= 19.058 W/m2 °C. Por

tanto, recordando que UA= 1/ Rtotal. Por tanto, la R total de la ventana es de 0.052

m2 °C/W .

6.1.2.3) Pérdidas de calor a través del techo.

Como se puede apreciar anteriormente, el techo en sí está

conformado por el techo superior y el techo inclinado 45º. Por

tanto, el análisis de transferencia de calor debe contemplar dos

resistencias, una Rt, ext conformada por vigas y tejado y una

Rt, int conformada del estuco, el bloque y el mortero, tomando

en cuenta cada una de estas respectivamente el aire inmóvil en

el interior de la casa, el aire inmóvil en el ático y el aire exterior.

La resistencia por unidad de área del techo interior se expresa de la siguiente manera:

De donde el valor obtenido es de 0.543 m2 °C/W, tomando los valores de hi= 9.26

w/m2 ºC, R mortero= 0.018 m2 ºC/W, R bloque= 0.27 m2 °C/W, R estuco= 0.037 m2

ºC/W y ho= 9.09 w/m2 ºC. Este valor tiene que ser prorratedado a el área total del

techo interior que es de 120m2, cuyo valor es de Rt,int=65.160 m2 °C/W.

La resistencia por unidad de área del techo exterior, tiene que calcularse por una

parte con las vigas y tejas, y por otra parte solo con tejas:

De donde el valor obtenido es de 1.211 m2 °C/W, tomando los valores de hi= 9.09

w/m2 °C, R vigas= 0.98 m2 °C/W, R tejas= 0.077 m2 °C/W y ho= 22.7 W/m2 °C. Este

valor tiene que ser prorrateado para el área total del techo exterior que contempla

solo el área de proyección de las vigas que es 0.1524x7.071m (1.077m2), que para

cinco vigas es de 5.388m2 . Por tanto Rt,exterior 1=6.524 m2 °C/W.

Para el caso del techo donde no se encuentra vigas, la resistencia unitaria es de:

De donde el valor obtenido es de 0.231 m2 °C/W, tomando los valores de hi= 9.09

w/m2 °C, R tejas= 0.077 m2 °C/W y ho= 22.7 W/m2 °C. Este valor tiene que ser

prorrateado para el área total del techo exterior que contempla solo el área de las

tejas que es 114.61m2. Por tanto Rt,iexterior 2=26.474 m2 °C/W.

Luego debe considerarse que también habrá pérdida de calor por los tableros de

madera de 1in triangulares, cuya área individual es de 1/2x10x5.180m (25.90m2).

Para este caso se tiene que:

De donde el valor obtenido es de 0.384 m2 °C/W, tomando los valores de hi= 8.29

w/m2 ºC, R tablero= 0.22 m2 °C/W y ho= 22.7 W/m2 °C. Este valor tiene que ser

prorrateado para el área total del tablero de madera. Por tanto Rtab=9.963 m2 °C/W.

Entonces, para el techo se tiene:

De donde el valor obtenido es de 0.596 m2 °C/W. De esto se desprende que la Rtotal,

techo superior es de 1.677 m2 °C/W.

Entonces, La resistencia del techo exterior e interior será:

De donde el valor obtenido es de 66.837 m2 °C/W. Luego, para la casa entera se tiene

que:

De donde el valor obtenido es de 77.452 m2 °C/W. La resistencia total de la casa será

de 0.0129m2 °C/W.

Para calcular el calor perdido, aplicamos la siguiente ecuación:

Donde Ti=21°C, To=15°C. Por lo tanto, el flujo de calor es de 468.75W. Ahora,

considerando que las horas críticas son desde las 18H00 hasta las 24H00, el total de

energía perdida diaria será de 2.812 kWh. Por semana se perderán 19.687 kWh y

mensualmente 590.625 kWh.

Bajo las consideraciones realizadas anteriormente, este cálculo refleja esos valores.

Sin embargo, no se ha tomado en cuenta que la temperatura dentro de la casa puede

ser mayor a 21ºC y la temperatura del ambiente, especialmente en la noche, pudiera

ser menor a 15ºC con lo cual el flujo de calor desde la casa podría aumentar. También,

no hemos tomado en cuenta que esta pérdida de calor pudiera en parte ser la energía

que ingresa a través de las ventanas por radiación.

6.2) Aplicación a un caso particular de estudio.

En mi caso particular yo resido en un departamento, en la planta baja de una casa de 2 pisos. Dentro de los aspectos más relevantes a considerar para analizar la capacidad de transmisión o transferencia de calor que el departamento tiene, necesitamos considerar los gradientes térmicos, las áreas de transmisión de calor y los materiales que intervienen en este proceso, para lo cual me permito exponer una breve memoria de cálculo que me ayudara a resolver el problema planteado.

Material Área de transmisión Paredes 66.75 m2

Vidrios 20.25 m2

Aluminio 2.325 m2

Tabla N° 1 Áreas de transferencia y materiales de composición

Vale la pena hacer las aclaraciones pertinentes, es decir las consideraciones que se están tomando en cuenta para este análisis:

Se considera que el departamento no pierde calor a través delas paredes que colindan con otras casas (paredes laterales) debido a que el gradiente térmico se considera cero.

Se considera que no existe transferencia de calor desde el departamento hacia el departamento de la parte superior debido a que el gradiente térmico se considera cero.

La misma consideración se hace para el departamento y el suelo del mismo, la trasferencia de calor se considera nula, por ser el gradiente térmico despreciable.

En consecuencia el departamento perderá calor únicamente a través de las paredes que se encuentran en contacto con el exterior, es decir la parte frontal y la parte posterior, cuyas áreas se encuentra en la tabla N°1

Los materiales que se están considerando para los cálculos son: Ventanas de vidrio de 3mm de espesor, paredes de ladrillo de construcción de 100mm de ancho, marcos de las ventanas de aluminio de 50mm de ancho.

Las condiciones para el cálculo del gradiente térmico son temperaturas interiores de 22°C (dato medido en mi departamento) y temperaturas en el exterior en promedio anual de 15 °C, velocidades del viento en el exterior de entre 11Km/h – 12 Km/h.

El cálculo se realizara a partir de coeficientes de transferencia de calor mixtos, los cuales juntan la conducción y la convección, valores que se obtendrán de las tablas3-8 y 9-6 del libro Transferencia de Calor y Masa de Cengel, utilizando valores de emisividad ξ = 0.9

6.2.1.) Calculo del calor que se pierde diariamente en un departamento.

Para poder realizar el cálculo necesitamos definir como se produce la transferencia de calor.

De donde

6.2.1.1) Calculo de la fuerza impulsora )

La fuerza impulsora , es el gradiente térmico que existe entre el interior de la casa

y el exterior, que para este caso de estudio será:

(2)

6.2.1.2) Calculo de la resistencia

La resistencia hace referencia justamente a todo lo que se opone para el paso de la

temperatura a través de una superficie y depende de coeficientes de transferencia de

calor que son específicos para cada material y condiciones en las que son estudiados.

Para mí caso de estudio voy a calcular una resistencia por unidad de área (m2) debido

a las paredes y una resistencia por unidad de área (m2) debida a las ventanas con los

marcos, para posteriormente multiplicarlo por el valor del área que he medido en mi

departamento y tener el valor de resistencia total del mismo.

6.2.1.3) Resistencia de paredes

Componente Resistencia por unidad de área m2 °C/W

Ladrillo común, 4in (100mm) 0.12

Aire estático

Posición Dirección del flujo de calor h (W/m2 °C) Por unidad de área; emisividad 0.9

Vertical Horizontal 8.29

Aire en movimiento

Condición en verano Velocidad del viento 12km/h 22.7

Reemplazando los valores de las tablas en la ecuación 3

Multiplicando el valor unitario por el área total

6.2.1.4) Resistencia de ventanas

Coeficientes de transferencia de calor U W/m2 °C

Tipo de encristalado

Sección encristalado Marco de aluminio

Centro del vidrio FIJO (50mm)

Vidrio 3mm 6.30 6.63

Reemplazando los valores de las tablas en la ecuación 4

6.2.1.5) Resistencia total del departamento

De donde obtenemos

Reemplazando los valores obtenidos en la ecuación 1

Podemos observar que es el flujo de calor que tengo en el departamento

bajo las condiciones establecidas, si esto se multiplica por un intervalo de tiempo ( )

el cual sería el tiempo durante el cual el calor es transferido, obtendríamos una

cantidad de energía que podría ser comparada con los consumos que normalmente

tenemos.

La energía que el departamento tiene se debe en gran medida al calor que generan

los diferentes electrodomésticos que se tiene en el hogar, además del calor generado

al cocinar los alimentos y el calor que se difunde durante el empleo de agua caliente

en diversas actividades como lavar platos y ducharse, pero una fuente importante que

no se está nombrando es el calor que aporta el sol diariamente a través de la

radiación que en el caso de mi departamento ingresa directamente por las ventanas

en promedio de 3 a 4 horas al día, además del aire caliente que ingresa al medio día

cuando se abren puertas y ventanas con el objeto de captar dicha energía.

El intervalo de tiempo durante el cual se pierde calor transfiere calor desde nuestros

hogares hasta el exterior en promedio podría ser desde las 7pm cuando el sol termina

de ocultarse y la tierra y el aire se tornan fríos, hasta las 7am en donde el sol sale y

empieza nuevamente el ciclo.

Si transformamos nuestro flujo de W a KW y multiplicamos por el entonces

tendríamos en promedio los KW/h que perdemos de energía.

7) Análisis

Luego de realizar los análisis de transferencia o perdida de calor en una casa y un

departamento podemos observar que es un valor muy elevado, que para nuestros casos

de estudio son:

Para la casa donde Ti=21°C, To=15°C. Por lo tanto, el flujo de calor es de 468.75W. Ahora,

considerando que las horas críticas son desde las 18H00 hasta las 24H00, el total de

energía perdida diaria será de 2.812 kWh. Por semana se perderán 19.687 kWh y

mensualmente 590.625 kWh.

Para el departamento El intervalo de tiempo durante el cual se pierde calor transfiere

calor desde nuestros hogares hasta el exterior en promedio podría ser desde las 7pm

cuando el sol termina de ocultarse y la tierra y el aire se tornan fríos, hasta las 7am en

donde el sol sale y empieza nuevamente el ciclo.

Si transformamos nuestro flujo de W a KW y multiplicamos por el entonces

tendríamos en promedio los KW/h que perdemos de energía es de 10.32 kWh al dia.

8) Conclusiones

Del análisis realizado podemos ver que el departamento en el cual se realizó el

análisis, pierde una gran cantidad de calor diaria en promedio 10 KW/Día, tomando

en cuenta las condiciones mencionadas durante el mismo.

Para disminuir el consumo de energía en el edificio podemos actuar de distintas maneras: disminuyendo la demanda de energía, aumentando el rendimiento del sistema, o bien actuando de forma conjunta sobre demanda y rendimiento del sistema.

De la totalidad de calor que se pierde no se ha establecido cuanto corresponde a

energía generada por nosotros propiamente o a la energía que el lugar gana gracias a

la radiación solar que diariamente recibe, la determinación de estos valores sería

objeto de otro estudio.

En nuestro país debido a que la mayor parte de combustibles se subsidian, todavía no

tomamos consciencia de la gran cantidad de energía que se desperdicia y no

hacemos nada, a pesar de la existencia de varios métodos para evitar dicha situación.

9) Recomendaciones

Con las salvedades anteriores, existen algunas medidas que se puede tomar para

sobrellevar este problema. Por ejemplo, se puede disminuir la transferencia de calor por

radiación en el techo interior y el tejado si se cubre por lo menos uno de los lados del

ático (el lado del tejado o del techo interior) con un material reflector llamado barrera

radiante, como hoja de aluminio o papel recubierto de aluminio. Otra medida para

reducir las pérdidas de calor, especialmente por las ventanas, es colocar una ventana de

hoja doble. La conductividad térmica del aire a temperatura ambiente es de 0.025 W/m

°C siendo la capa de aire estático de 1cm de espesor equivalente a una capa de vidrio de

30cm de espesor. También, se puede recubrir las superficies del vidrio con un material de

baja emisividad por lo que la transferencia de calor por radiación disminuirá.

También se puede disminuir la transferencia de calor por conducción aumentando el

espacio de aire entre las capas de vidrio. Ademas en cuanto al uso de la energía en

electrodomésticos, podemos adoptar algunas medidas. Podemos instalar un termostato

programable. Este ayudará a ahorrar un 10% del costo de la energía al año usada en

calentamiento y enfriamiento. Otra estrategia es aprovechar la luz solar tanto como se

pueda diseñando ventanas que dejen pasar la luz a los ambientes de la casa, tomando las

recomendaciones anteriores también en cuenta. También se recomienda reemplazar las

bombillas tradicionales por focos ahorradores. Reemplazando 15 bombillas tradicionales

con bombillas ahorradoras, se estima que ahorrarán 50USD por año y más de 600USD en

costo de energía en el tiempo de vida útil de las bombillas ahorradoras. También resulta

positivo conectar los electrodomésticos a las regletas multi conección (Pimentel et al.

2004). Este mecanismo ayuda a ahorrar más de 100USD por año, por el hecho de apagar

la regleta simplemente cuando ya no se usen los equipos. Aunque en la sierra

ecuatoriana los equipos de ventilación no son tan usados, es recomendable que si se

usan estos equipos hacer mantenimiento periódico.

10) Bibliografía

ÇENGEL, Y. A. AND A. J. GHAJAR Heat and mass transfer: fundamentals & applications. Edtion

ed.: McGraw-Hill, 2011. ISBN 0077366646.

PIMENTEL, D., A. PLEASANT, J. BARRON, J. GAUDIOSO, et al. US energy conservation and

efficiency: Benefits and costs. Environment, Development and Sustainability, 2004, 6(3), 279-305.

http://www.etapa.net.ec/planesmaestros/uep_bib_doc/OBR_E1_AP_G2/Especificaciones%20Rede

s%20Yanuncay.pdf

http://termodinamica2012-1.wikispaces.com/Unidad+5.+Mecanismos+De+Trasferencia+De+Calor