ISEREE Promoción de EE y Uso de Energía Solar en Vivienda

7/21/2019 ISEREE Promoción de EE y Uso de Energía Solar en Vivienda

http://slidepdf.com/reader/full/iseree-promocion-de-ee-y-uso-de-energia-solar-en-vivienda 1/8

of 8

Promoción de Eficiencia Energética y Uso de Energía Solar en Vivienda delEcuador

John Martin Evans1,*

, Silvia de Schiller 1

1 Prometeo Sr., adscripto al Instituto de Investigación y Posgrado, Facultad de Arquitectura y

Urbanismo, Universidad Central del Ecuador, Quito, Ecuador.

* Autor corresponsal: [email protected]

RESUMENEcuador depende de energía no renovable en un 98 % y, por lo tanto, requiere una transformación

de la matriz energética para lograr un desarrollo más sustentable. Este trabajo presenta un análisis

de la demanda de energía en el sector residencial, que corresponde al 19 % de la demanda total de

energía del país. La gran variación climática del Ecuador es un factor relevante en la demanda para acondicionamiento térmico y agua caliente, dos de los rubros de mayor importancia en la

matriz energética del sector vivienda. Si bien, en términos absolutos, la demanda es baja

comparada con otros países de la región, la misma puede aumentar significativamente en elfuturo ante la necesidad de mejorar las condiciones de habitabilidad en importantes proporciones

de la po blación, respondiendo a la política del ‘Buen Vivir’. En este marco, el trabajo analiza

cuatro aspectos específicos de la demanda para evaluar el potencial de energía solar que permita

reducir la demanda de energía convencional: 1. radiación solar para aumentar la temperaturainterior en vivienda de la sierra, 2. sistemas solares pasivos para vivienda en localidades con

alturas superiores a 3000 m sobre el nivel del mar, 3. protección solar en ventanas y techos en

zonas de la costa, las Islas Galápagos y Amazonía, y 4. uso de colectores solares para agua

caliente en vivienda en distintas regiones del país. En base a mediciones en vivienda ysimulaciones, se proponen medidas para lograr una reducción de la demanda de energía fósil y

mejorar las condiciones de habitabilidad y se indican medidas para promover el uso de colectoressolares en distintas regiones bioclimáticas del Ecuador a fin de contribuir a la transformación

energética, en el marco de la producción de hábitat sustentable.

PALABRAS CLAVE Energía solar, diseño bioclimático, matriz energética, aislación térmica, colectores solares.

INTRODUCCIÓNDurante la última década, las reservas probadas de petróleo en Ecuador experimentaron una

declinación sostenida (El comercio, 2012), mientras la demanda de energía muestra un aumentocontinuado. Aproximadamente el 19 % de esa demanda corresponde a edificios del sector

residencial, con 4 % adicional para edificios del sector comercial, industrial y público, principalmente para su acondicionamiento térmico, lumínico, calentamiento de agua y cocción.

Si bien el crecimiento anual de la economía del Ecuador alcanzó 4,7 % en la última década, el

sector eléctrico aumentó más, con un incremento de 7,5 %. De la demanda total de energíaeléctrica, sector de rápido crecimiento, el 35 % corresponde a vivienda.



of 8

Vale notar que una importante proporción de la demanda corresponde a gas importado en la

forma de GLP, recurso con altos subsidios y limitada oferta en el Ecuador. La matriz energética

muestra muy alta dependencia en energía no renovable, alcanzando el 98 % (SNI, 2013) y,

aproximadamente, una tercera parte de los recursos de hidrocarburos son productos refinadosimportados, mientras el 56 % de las exportaciones del Ecuador son hidrocarburos. Con este

cuadro de demanda y oferta, es necesario identificar medidas para reducir la dependencia enrecursos fósiles y transformar la matriz energética del país.

En ese marco, la hipótesis de trabajo considera que un mejor diseño de vivienda en relación al

manejo del recurso solar, captación y protección, permitirá lograr una reducción significativa enla demanda de energía del sector vivienda y proporcionar mejores condiciones de habitabilidad.

Se postula una ventaja adicional a mediano y largo plazo debido a la incorporación de recursos de

diseño en acondicionamiento natural para mejorar los niveles de habitabilidad con menor

demanda de equipos de acondicionamiento artificial en edificios en el futuro. El trabajo enfatizala importancia de mejorar la habitabilidad, importante beneficio social, como resultado

complementario de la incorporación de recursos de diseño bioclimático e instalaciones solares

para calentamiento de agua.

Las medidas identificadas para modificar la matriz energética y lograr mayor eficiencia son:

Captación controlada de sol por ganancia directa en viviendas de localidades de la sierracon alturas entre 1700 m y 3000 m sobre el nivel del mar, sin demanda de calefacción envivienda con diseño bioclimático adecuado.

Sistemas solares pasivos en vivienda de localidades a una altura mayor a 3000 m sobre elnivel del mar, con eventual demanda de calefacción convencional en días con limitada

radiación solar, si bien el número de vivienda en estas zonas altas es limitado.

Protección solar y aislación térmica de techos en localidades costeras, Islas Galápagos yAmazonía a fin de evitar el aumento de la temperatura interior, junto al movimiento de aire

con ventilación cruzada y, eventualmente, ventiladores para lograr refrescamiento natural. Colectores solares para calentamiento de agua, con un aporte importante de calor para

reducir la demanda de energía convencional en distintas regiones del Ecuador, tanto en zonascálidas como templadas y frías.

Tamaño adecuado de ventanas y colores claros en muros, techos y pisos para asegurar buena iluminación natural en horas diurnas.

CONTEXTO AMBIENTAL Y CLIMATICOLas condiciones climáticas de las distintas regiones del Ecuador presenta importantes variaciones

según la altura sobre el nivel del mar. La Figura 1 indica la relación entre la temperatura media

anual y la altura (INAMI, 2010) con una curva característica que disminuye con la altura.

Sobre los 3000 m de altura, se inicia una demanda de calefacción que puede satisfacerse

inicialmente con captación de energía solar y ganancias internas. En alturas que oscilan entre los

1700 y 3000 m aproximadamente se requiere ingreso limitado de sol, control de la amplitudtérmica interior y cierta protección solar, especialmente en zonas más bajas. En localidades a

altura inferior a 1700 m, se requiere implementar medidas de refrescamiento, especialmente

ventilación cruzada, complementada por protección solar en ventanas, y techos reflejantes y bienaislados.



of 8

Otra variable importante para lograr confort térmico radica en la optimización de la amplitud

térmica, diferencia entre la temperatura máxima y mínima de cada día o el promedio de los

valores mensuales y anuales.

y = -7E-07x2 - 0,0021x + 25,274

R² = 0,9724

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Altura sobre nivel del mar, metros

P.Ayora

Bellavista PNG

T e m

p e r a t u r a m e d i a a n u a l

Figura 1. Variación de temperatura media anual de las estaciones meteorológicas delINAMHI según la altura sobre el nivel del mar (INAMHI, 2010 y años anteriores).

Los valores de radiación solar, caracterizados por la variable Kt, trasparencia de la atmosfera, o la

intensidad de radiación solar sobre plano horizontal en la superficie terrestre, expresada como

una proporción de la radiación sobre un plano horizontal en la capa superior de la atmósfera.

Tabla 1. Transparencia de la atmósfera, Kt, según mes en 14 localidades del Ecuador.

Mes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Medio NuevaRocafuerte

0,50 0,48 0,47 0,42 0,44 0,42 0,43 0,45 0,49 0,49 0,50 0,53 0,47

Orellana 0,50 0,45 0,46 0,42 0,44 0,42 0,43 0,45 0,48 0,48 0,50 0,53 0,46

Tena 0,50 0,45 0,37 0,45 0,45 0,45 0,44 0,45 0,49 0,50 0,51 0,52 0,47

Puyo 0,43 0,42 0,41 0,42 0,46 0,40 0,41 0,45 0,49 0,48 0,50 0,48 0,45

Quito 0,51 0,49 0,47 0,47 0,48 0,51 0,53 0,54 0,53 0,51 0,54 0,53 0,51

Imbabura 0,51 0,50 0,49 0,47 0,48 0,49 0,53 0,50 0,51 0,51 0,53 0,54 0,51

Ambato 0,49 0,44 0,44 0,41 0,42 0,43 0,45 0,43 0,45 0,47 0,51 0,53 0,46

Riobamba 0,45 0,44 0,41 0,40 0,38 0,51 0,44 0,41 0,44 0,45 0,50 0,52 0,45

Cuenca 0,46 0,42 0,41 0,38 0,40 0,39 0,38 0,43 0,43 0,45 0,51 0,50 0,43

Loja 0,45 0,42 0,41 0,40 0,41 0,46 0,45 0,48 0,47 0,48 0,51 0,51 0,45

Guayaquil 0,38 0,40 0,44 0,42 0,45 0,43 0,44 0,50 0,48 0,45 0,51 0,50 0,45

Manta 0,42 0,43 0,47 0,46 0,47 0,43 0,45 0,49 0,48 0,45 0,51 0,50 0,46

Caypas 0,40 0,41 0,44 0,42 0,41 0,41 0,43 0,49 0,48 0,45 0,51 0,50 0,45

En un día soleado, se puede alcanzar un valor de Kt de 0,7 a nivel del mar y hasta 0,75 a granaltura. Sin embargo, en el Ecuador, los valores promedio mensuales de Kt se encuentran entre



of 8

0,39 y 0,52, incluyendo el efecto de días nublados y la alta humedad relativa típicas de zonas

ecuatoriales, Tabla 1. Con los valores de Kt se estima la intensidad de radiación solar sobre

superficies verticales e inclinadas con la suma de la radiación directa, difusa y reflejada.

Estos valores fueron calculados utilizando el Atlas de Radiación Solar (CONELEC, 2008), el

cual indica la intensidad promedio diaria en Wh/m2/día, y verificados con estimaciones basadasen las horas de sol publicado por INAMHI (2010). Con software propio se obtiene el flujo promedio mensual en W/m2 y el valor de Kt. Si bien los valores de Kt son moderados, debido a

la nubosidad y alta humedad relativa característica de zonas ecuatoriales, tienen la ventaja de

mostrar valores relativamente parejos en distintos meses del año, aptos para su aprovechamientoen aplicaciones térmicas. Según CONELEC (2010), el actual aporte de energía solar es solamente

del 0,0002 % del total nacional, pero esta cifra no incluye el uso de colectores solares térmicos

para agua caliente, ni secado solar de productos agrícolas.

DEMANDA DE ENERGÍA EN VIVIENDASe cuenta con limitados datos sobre la matriz de demanda en el sector residencial, y los valores

promedio no permiten identificar las grandes diferencias entre regiones climáticas y sectoressocio-económicos. La Tabla 2 presenta un cuadro de los principales factores que determinan la

demanda actual y la potencial demanda futura.

Tabla 2. Evaluación cualitativa de tendencias de demanda en el sector vivienda en Ecuador. Clima cálido-húmedo: Vivienda del sector con limitados recursos económicosExistente Futura

Sin refrigeración artificial Limitada penetración de equipos SplitSin instalación de agua caliente Crecimiento de duchas eléctricasLimitados electro-domésticos, heladeras, etc. Crecimiento de cocinas y otras artefactos eléctricas

Clima cálido-húmedo: Vivienda del sector con mayor poder adquisitivoExistente Futura

Con refrigeración artificial, sin saturación Crecimiento del uso de equipos SplitCon instalación de agua caliente eléctrica Crecimiento del volumen de agua y saturación

Mayor tenencia de electro-domésticos Crecimiento del número de electro-domésticos

Clima de sierra, templado a templado frío: Vivienda del sector con limitados recursos económicosExistente Futura

Sin acondicionamiento térmico (calefacción) Posible necesidad y crecimiento en zonas altas

Limitada saturación de calentadores de agua Crecimiento de demanda de duchas eléctricas

Electro-domésticos: heladeras, TV, etc. Crecimiento del número de artefactos y potencia

Clima de sierra, templado a templado frío: Vivienda del sector con mayor poder adquisitivoExistente Futura

Muy limitada demanda de calefacción orefrigeración

Posible aumento por tendencias constructivas yvidrio

Importante demanda para agua caliente Crecimiento en demanda, artefactos y expectativas

Electro-domésticos: importante demanda Crecimiento en número de artefactos y potencia

En el marco de este análisis, el crecimiento de la demanda de agua caliente es un factor constante

en los principales sectores geográficos y socio-económicos del país, consistente con el objetivo

nacional del Buen Vivir. La energía para esta demanda proviene parcialmente de LPG, en

especial en los sectores de mayor poder adquisitivo que utiliza el 14,5 % del LPG para este fin. A pesar del importante subsidio, los sectores de menores recursos no utiliza LPG para calentar



of 8

agua. La principal fuente de energía para este fin proviene de electricidad, dado que el 95 % de

los hogares tienen acceso a energía eléctrica, y en zonas rurales el porcentaje es del 80 %.

Además, las duchas y calentadores eléctricos con resistencia son de muy bajo costo, comparado

con calentadores con LPG.

El informe de CEDA (2010) indica que ‘entre las tecnologías solares, las más competitivas en precios respecto a fuentes tradicionales de energía son los sistemas solares térmicos paracalefacción o calentamiento de agua’. Por lo tanto, se analiza el aporte potencial de estas

instalaciones solares en vivienda en distintas regiones del Ecuador.

MÉTODO Simulaciones con el Programa ‘e-temp’ (Evans, 2006) indica la demanda energética de

acondicionamiento en distintas regiones bioclimáticas del Ecuador y la influencia combinada del

comportamiento térmico de elementos constructivos (techos, muros y ventanas) y del diseñoarquitectónico (forma, orientación, agrupamiento). Las mediciones de temperatura interior en

vivienda permiten evaluar la precisión de las simulaciones e identificar los problemas a resolver.

Dos ejemplos demuestran la aplicación de la simulación comparada con mediciones detemperatura interior, según se muestra a continuación.

Caso 1. En el caso de un departamento sin ocupantes en la Ciudad de Quito, el promedio de las

temperaturas horarias interiores, registradas durante una semana, se encuentra en la zona deconfort con 22,3° C de promedio y 3 grados de amplitud, mientras la temperatura exterior varía

entre 14,9° y 20,3, con 17,3° C de promedio y 5,6 grados de amplitud. El aumento de temperatura

es resultado del ingreso de radiación solar por la mañana en ventanas con orientación favorable alEste, mientras la reducción de la amplitud térmica es consecuencia de la masa térmica que

controla la amplitud interior. Las mediciones demuestran el potencial de lograr temperaturas

confortables con el diseño edilicio a través de la captación controlada de radiación solar,

reducidas renovaciones de aire dentro de los límites para asegurar buena calidad de aire interior,y materiales de construcción con masa térmica.

14,0

16,0

18,0

20,0

22,0

24,0

26,0

0 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Temperatura exterior simulada

Temperatura interior simulada

Temperatura exterior medida

Temperatura interior medida

T e m p e r a t u

r a ° C

Horas Figura 2. Temperatura interior y exterior de una vivienda sin ocupantes con favorables

orientación al este en Quito, valores medidas y simulados.



of 8

Caso 2. En Puerto Ayora, Santa Cruz, Islas Galápagos, se realizaron mediciones en una vivienda

sin aire acondicionamiento, con ventilación natural y protección solar.

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

1 3 5 7 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Exterior

Interior del techoEn el techo

Dormitorio

Estar

T e m p e r a t u r a b u l b o s e c o

C

Horas

Figura 3. Mediciones en una vivienda en Galápagos, sin acondicionamiento artificial:

condiciones confortables con leve brisa, pero el ingreso de calor a través del techo aumentaradiación desde el cielorraso, el estrés térmico y la demanda potencial de refrigeración.

En el uso racional de energía en el sector vivienda, la demanda de acondicionamiento térmico

presenta dos variaciones regionales importantes:

En climas cálidos, la protección solar y los techos aislados y de color claro, permiten reducir

o evitar el uso de refrigeración, especialmente en el futuro cuando aumenten las expectativas.

En climas templados y fríos de altura, las tendencias de la construcción más liviana ymayor superficie vidriada, aumenta la variación de temperatura interior y el potencial desobrecalentamiento diurno y frío nocturno. Las mediciones confirman el beneficio de las

siguientes medidas: ingreso controlado de sol del Este y Oeste, limitada superficie vidriada e

incorporación de capacidad térmica para controlar la amplitud térmica.

COLECTORES SOLARESPara evaluar la demanda de energía en calentamiento de agua y la proporción de dicha demanda

correspondiente a energía solar, se aplica una planilla electrónica con base de datos de

temperaturas mensuales y radiación solar mensual en distintas ciudades del Ecuador. Elcomportamiento de colectores solares fue estimado con una planilla electrónica especialmente

confeccionada para las condiciones del Ecuador. La planilla utiliza datos de la intensidadmensual de la radiación solar, Tabla 1, y la temperatura media mensual (INAMHI, 2010) paraestablecer la fracción solar, la proporción de la demanda total de energía para calentar agua que

se puede satisfacer con energía solar. La demanda neta de energía surge de la cantidad de agua a

calentar y la diferencia entre la temperatura del agua de red y la temperatura de diseño de aguacaliente. Con la eficiencia de energía auxiliar convencional, se estima la demanda bruta de

energía en kWh/año. Finalmente, con la fracción solar se estima el ahorro de energía eléctrica



of 8

debido al uso de energía solar y la energía eléctrica necesaria para lograr la temperatura de diseño

en periodos cuando la energía solar es insuficiente.

Tabla 3. Comportamiento de colectores solares y ahorro energético en localidades del Ecuador.

Localidad Altura sobre

nivel del mar

Fracción

solar

Demanda

Neta Calor

Demanda

Bruta

Ahorro con

solar

Energía

eléctrica metros % kWh/año kWh/año kWh/año kWh/año

Puerto Ayora 6 98 1146 1232 1202 30

Guayaquil 6 92 1128 1213 1121 92

Manta 13 97 1110 1194 1155 39

Caypas 55 93 1116 1200 1116 84

Nueva Rocafuerte 265 97 1151 1244 1198 46

Orellana 481 94 1198 1288 1212 76

Tena 665 81 1245 1338 1087 251

Puyo 960 81 1391 1495 1208 287

Loja 2065 71 1695 1822 1302 520 Cuenca 2530 70 1753 1885 1318 567

Riobamba 2740 68 1837 1973 1337 636

Quito 2787 74 1724 1854 1376 478

La Tabla 3 presenta el comportamiento de colectores solares planos en distintas localidades del

Ecuador. En todos los casos, se considera una instalación solar para una familia de 4 personas,con una demanda de 40 litros de agua caliente por día por persona, a una temperatura de diseño

de 46° C. El colector plano tiene una superficie de 3 m2 con vidrio simple y superficie selectiva,

con circuito abierto sin intercambiador de calor; instalación de fácil fabricación en el país. El

calentamiento auxiliar en periodos sin sol, suficiente para lograr la temperatura de diseño,depende de una resistencia eléctrica en el tanque de acumulación con capacidad de 160 litros,

aislado térmicamente.

En zonas cálidas como las Islas Galápagos, la costa y Amazonía, hasta 500 m de altura sobre el

nivel del mar, la fracción solar supera el 90 %. Se considera que el calentamiento auxiliar no es

necesario en la mayoría de las viviendas, dada la alta temperatura del aire exterior que permite

aceptar temperaturas del agua levemente inferior a la temperatura de diseño de 46° C. Eninstalaciones donde se requiere gran calidad de servicio, tales como hoteles y viviendas para

sectores de altos ingresos, si bien se puede utilizar una resistencia eléctrica, la demanda de

energía auxiliar es muy baja, como indica la última columna de la Tabla 3.

En zonas de altura intermedia, la fracción solar se encuentra entre 85 a 90 %. En zonas de mayoraltura de la sierra, la fracción solar de las localidades analizadas se encuentra entre 68 y 75 %,logrando un rendimiento muy favorable, pero se requiere calentamiento auxiliar.

El ahorro de energía eléctrica se encuentra entre 1100 y 1200 kWh anuales en zonas cálidas hasta

500 m sobre nivel del mar. En zonas templadas a alturas entre 500 y 1500 m, el ahorro de energíaeléctrica varía entre 1200 y 1300 kWh anuales. Finalmente, en las ciudades de la sierra, el ahorro

de energía convencional es mayor, alcanzando entre 1300 y 1400 kWh anuales.



of 8

CONCLUSIONES El estudio realizado demuestra la factibilidad de reducir la demanda de energía y mejorar la

calidad de vida de los habitantes de las viviendas. A tal fin, las principales medidas detectadas

para lograr este objetivo son:

Aislación térmica de techos, uso de colores claros y protección solar de ventanas en viviendasen climas cálidos de la región insular, de la costa y de Amazonía.

En climas de altura de los valles centrales, la reducción de la demanda de energía es menor, pero las condiciones de habitabilidad mejoran significativamente con la implementación de

medidas de aislación térmica en techos y optimizando la orientación, mientras que en zonas

de mayor altura, sobre 3500 m, la reducción de la demanda es muy significativa.

El estudio del aporte de colectores solares demuestra altas proporciones de sustitución deenergía convencional, llegando a un aporte de energía solar que satisface casi el 100 % de lademanda en regiones cálidas. Aunque el porcentaje es menor en climas fríos, la sustitución de

energía solar es mayor, debido a la menor temperatura de agua suministrada y mayor

demanda de energía para calentarla.

RECONOCIMIENTOLos autores reconocen la valiosa iniciativa del Proyecto Prometeo de la SENESCyT, Ecuador, através del cual se ha realizado este estudio en el marco de las investigaciones correspondientes a

las respectivas matrices de vinculación, radicadas en la sede del Instituto de Investigación y

Posgrado, Facultad de Arquitectura y Urbanismo, Universidad Central del Ecuador.

REFERENCIASCEDA (2010) Hacia una matriz energética diversificada en Ecuador, Centro Ecuatoriano de

Derecho Ambiental, Quito.CONELEC (2008) Atlas Solar del Ecuador con fines de Generación Eléctrica, CONELEC, Quito.

CONELEC (Consejo Nacional de Electricidad) (2010). Estadística del Sector EléctricoEcuatoriano. Período 1990-2008. Quito. CD-ROM.

CPV (2010) Censo de Población y Vivienda 2010, Censo de Población y Vivienda, Quito. El comercio (2102) Reservas de Petróleo (Fuente Dirección de Hidrocarburos, Petroecuador),

(16/07/2012).

Evans, J. M. (2006) Simulación de temperaturas internas en el proceso proyectual: e-temp.xls, un

nuevo enfoque para evaluar comportamiento térmico, AVERMA, Salta.INAMHI (2010) Anuario Meteorológico, Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología, Quito.

Muñoz, J. P. (2013). Análisis de la matriz energética ecuatoriana,

http://www.monografias.com/trabajos97/analisis-matriz-energetica-ecuatoriana/analisis-matriz-energetica-ecuatoriana.shtml

SNI (2013) Indicadores del Plan Nacional del Buen Vivir, Sector Estratégico: Electricidad eHidrocarburos, http://app.sni.gob.ec/web/sni?restartApplicationTambién en http://www.ceda.org.ec/descargas/publicaciones/matriz_energetica_ecuador.pdf

ISEREE Promoción de EE y Uso de Energía Solar en Vivienda

Documents

Transcript of ISEREE Promoción de EE y Uso de Energía Solar en Vivienda