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Mediciones Comparativas y Modelo Térmico de Artefactos de Calefacción a Gas Natural y Eléctricos”
Fabián Hormazábal P., M.Sc.Subgerente Área Energía Sustentable
Santiago, 25 de Julio de 2013
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Introducción
Objetivos
Alcances
Resultados
• Temperatura Alcanzada
• Estratificación de temperatura
• Calentamiento: Tiempo, Costo y Huella de carbono
• Mantención de temperatura: Tiempo, Costo y Huella de carbono
Conclusiones
Índice
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Usuarios cuentan con poca información sobre qué artefactos son más adecuados para calefaccionar sus hogares
En general “se habla” de que un artefacto calefacciona“XXm2”, sin especificarse bajo qué condiciones
Los consumidores tienden a creer que existe “la” mejor alternativa de calefacción
En este estudio se compara el costo de calefaccionar usando Electricidad y Gas Natural, además de algunas variables de desempeño térmico, bajo condiciones específicas
Introducción
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Realizar mediciones experimentales que permitan comparar algunos artefactos de calefacción Eléctricos y a Gas Natural
Elaborar un modelo térmico simplificado para estimar, comparativamente, costos de calentamiento, mantención de temperatura y huella de carbono al utilizar un artefacto de calefacción en un recinto hipotético con tamaño variable, bajo condiciones térmicas fijas y considerando precios del Gas Natural y Electricidad tanto en Santiago como Valparaíso
Objetivos
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Los valores son solo referenciales . En ningún caso predicen de manera exacta el consumo real de energía de los artefactos ni el costo de por utilización de los mismos
El modelo térmico no representa una vivienda real, sino solamente estandarizar algunas variables que intervienen en la calefacción de un recinto
Los artefactos ensayados fueron escogidos por la Asociación de Distribuidores de Gas Natural, en base a la oferta disponible en los principales canales del retail
Los precios del Gas Natural y Electricidad corresponden a lo informado públicamente por Metrogas, GasValpo, Chilectra y Chilquinta, vigentes al 17 de Junio de 2013
Alcances
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Mediciones
Se ensayaron 13 artefactos de calefacción nuevos, Eléctricos y a Gas Natural
Se utilizó una cámara de ensayos con 21 sensores de temperatura en su interior
Se registran las temperaturas dentro de la cámara durante una hora de funcionamiento de cada artefacto
Temperatura de Globo Negro
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Mediciones
La temperatura de globo negro considera la temperatura del aire además de la radiación, de esta forma representa de mejor manera la temperatura que siente una persona
Temperatura de bulbo seco: Equilibrio con aire caliente, no capta radiación
Temperatura de globo negro: Equilibrio con aire caliente y radiación
aire calienteaire caliente
aire caliente
aire calienteaire caliente
aire caliente
Radiación de superficies calientes
Radiación directa del artefacto
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Artefactos Medidos
Biosmart
Emegé 3130
Atlantic Solius
Atlantic ConvecteurRinnai
Albin Trotter Well Toyotomi
Oleoeléctrica
Minicube
Italkero S 3.0
Emegé 3150
Italkero S 5.0
Gas Natural (2.300 a 5.000 Watts) Electricidad (1.000 a 1.800 Watts)
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Modelo de Transferencia de Calor en Régimen Transitorio
Se simula la calefacción de un recinto hipotético, mediante un modelo térmico teórico simplificado de transferencia de calor en régimen transitorio
Se busca estimar el tiempo aproximado que demoraría un artefacto en elevar la temperatura de dicho recinto y la potencia necesaria para mantener una temperatura de confort de 20°C
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Supuestos del Modelo Térmico
Las principales pérdidas de calor del recinto son a través de su paredes y por una infiltración de aire equivalente a un cambio por hora. Las paredes se caracterizan por sus propiedades térmicas y su masa. La infiltración se caracteriza por un flujo de aire y sus propiedades térmicas
El recinto se supone cuadrado con una altura de 2,3 m y un área a definir
Debido a que en la realidad no toda la masividad de una vivienda está a la misma temperatura, se ha supuesto que el artefacto debe elevar la temperatura de solamente el 10% de la masa de las paredes
La temperatura del aire y de las paredes del recinto se suponen iguales y su valor en el tiempo corresponde a �(�)
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Modelo Térmico
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$% = # ∙ �' ∙��(�)
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Resultados
A partir de las mediciones realizadas y del modelo de transferencia de calor se obtienen resultados para las siguientes variables:
• Temperatura alcanzada: Temperatura alcanzada dentro de una cámara de prueba por 13 artefactos de calefacción
• Estratificación: Diferencia de temperatura entre el techo y el piso producida por 13 artefactos dentro una cámara de pruebas
• Rapidez de calentamiento: Evolución teórica de la temperatura en función del tiempo dentro de un espacio determinado
• Costo de calefaccionar: Costo teórico de elevar la temperatura de un recinto y mantenerlo
• Huella de carbono de calefaccionar: Emisión de gases efecto invernadero asociadas al uso de artefactos de calefacción
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Resultados Mediciones: Temperatura Alcanzada
Artefactos de mayor potencia alcanzan mayores temperaturas.Calefactor Emegé 3150 (5.000 W) alcanza la mayor temperatura dentro de la cámara
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°C
Temperaturas de Globo Negro, Ambiental y Promedio de la Cámara
T globo
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Prom aire
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Resultados Mediciones: Estratificación
Artefactos con ventilador y estufas radiantes, homogenizan mejor el aire caliente produciendo menor diferencia de temperatura entre el techo y el piso
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°C
Estratificación, °C
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Resultados Mediciones: Estratificación
Diferencia de temperatura entre cabeza y pies, °C
Fuente: ASHRAE
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Diferencias de temperatura entre techo y piso menores a 4°C generan mayor confort térmico para las personas
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°CEstratificación, °C
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Tarifas y equivalencias (al 17 de Junio de 2013)
Tarifa Chilectra
BT1
Tarifa Metrogas
0 a 5 m3
Tarifa Metrogas
5 a 10 m3
Tarifa Metrogas
10 a 25 m3
Tarifa Metrogas
25 a 40 m3
80,600 kWh 1.085 $/m3 853 $/m3 854 $/m3 591 $/m3
111,2 $/kWh 87,5 $/kWh 87,6 $/kWh 60,6 $/kWh
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$ Costo para alcanzar 20°C en XXm2
Electricidad GN (0 a 5 m3) GN (5 a 10 m3) Gn (10 a 25 m3) Gn (25 a 40 m3)
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Resultados Modelo Térmico: Calentamiento
Alcanzar 20°C en un espacio de 10m2 con un artefacto de 2000W toma un tercio de tiempo que con uno de 1000W.
Un artefacto Eléctrico de 2000W es entre un 27% a un 8% mas barato que uno de igual potencia a Gas Natural, cuando el consumo de este último es inferior a 25m3 mensuales.
Cuando el consumo mensual de Gas Natural es superior a 25m3, este energético podría llegar a ser 25% más barato que la electricidad (considerando 2000W de potencia en 10m2).
La Huella de Carbono de un artefacto a Gas Natural es aproximadamente un 45% menor que uno a Electricidad.
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Curva de calentamiento para 10m2
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Potencia, W
Costo para alcanzar 20°C en 10m2
Electricidad GN (0 a 5 m3) GN (5 a 10 m3) Gn (10 a 25 m3) Gn (25 a 40 m3)
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Potencia, W
Huella de Carbono para alcanzar 20°C en 10m2
Electricidad Gas Natural
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Resultados Modelo Térmico: Calentamiento
Alcanzar 20°C en un espacio de 20m2 con un artefacto de 3000W toma cerca de la mitad de tiempo que con uno de 2000W.
A iguales potencias un artefacto Eléctrico es entre un 27% a un 8% mas barato que uno a Gas Natural, cuando el consumo de este último es inferior a 25m3 mensuales.
Si el consumo mensual de Gas Natural es superior a 25m3, utilizar un artefacto a Gas Natural de 3.000W en 20m2 podría llegar a ser un 38% más barato que uno eléctrico de 2.000W.
La Huella de Carbono de un artefacto a Gas Natural es aproximadamente un 45% menor que uno a Electricidad.
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Potencia, W
Costo para alcanzar 20°C en 20m2
Electricidad GN (0 a 5 m3) GN (5 a 10 m3) GN (10 a 25 m3) GN (25 a 40 m3)
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Potencia, W
Huella de Carbono para alcanzar 20°C en 20m2
Electricidad Gas Natural
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Resultados Modelo Térmico: Calentamiento
Teóricamente no sería posible alcanzar 20°C en un espacio de 40m2 con un artefacto de 1000W.
A iguales potencias un artefacto Eléctrico es entre un 27% a un 8% mas barato que uno a Gas Natural, cuando el consumo de este último es inferior a 25m3 mensuales.
Si el consumo mensual de Gas Natural es superior a 25m3, utilizar un artefacto a Gas Natural de 4.000W en 60m2 podría llegar a ser un 40% más barato que dos eléctricos de 1.500W, teniendo la precaución de no sobrecargar la instalación eléctrica.
La Huella de Carbono de un artefacto a Gas Natural es aproximadamente un 45% menor que uno a Electricidad.
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Curva de calentamiento para 40m2
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Potencia, W
Costo para alcanzar 20°C en 40m2
Electricidad GN (0 a 5 m3) GN (5 a 10 m3) GN (10 a 25 m3) GN (25 a 40 m3)
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Potencia, W
Huella de Carbono para alcanzar 20°C en 40m2
Electricidad Gas Natural
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Resultados Modelo Térmico: Calentamiento
Teóricamente alcanzar 20°C en un espacio de 60m2 con un de 2.000W tomaría del orden de 5 horas, en cambio con 3.000W este tiempo disminuiría a cerca de 1 hora 20 minutos.
A iguales potencias un artefacto Eléctrico es entre un 27% a un 8% mas barato que uno a Gas Natural, cuando el consumo de este último es inferior a 25m3 mensuales.
Si el consumo mensual de Gas Natural es superior a 25m3, utilizar un artefacto a Gas Natural de 3.000W en 60m2 podría llegar a ser un 70% más barato que uno eléctrico de 2.000W.
La Huella de Carbono de un artefacto a Gas Natural es aproximadamente un 45% menor que uno a Electricidad.
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Costo para alcanzar 20°C en 60m2
Electricidad GN (0 a 5 m3) GN (5 a 10 m3) GN (10 a 25 m3) GN (25 a 40 m3)
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Potencia, W
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Electricidad Gas Natural
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Resultados Modelo Térmico: Calentamiento
Teóricamente no sería posible alcanzar 20°C en un espacio de 80m2 con un artefacto de 2.000W.
A iguales potencias un artefacto Eléctrico es entre un 27% a un 8% mas barato que uno a Gas Natural, cuando el consumo de este último es inferior a 25m3 mensuales (cuidado con sobre cargar el sistema eléctrico).
Utilizar un artefacto a Gas Natural de 4.000W en 80m2 podría llegar a ser entre un 3% y 47% más barato que al utilizar 3.000W con dos artefactos eléctricos (cuidado con sobre cargar el sistema eléctrico).
La Huella de Carbono de un artefacto a Gas Natural es aproximadamente un 45% menor que uno a Electricidad.
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Electricidad GN (0 a 5 m3) GN (5 a 10 m3) GN (10 a 25 m3) GN (25 a 40 m3)
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Potencia, W
Huella de Carbono para alcanzar 20°C en 80m2
Electricidad Gas Natural
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Para iguales potencias, el costo de mantener 20°C en un espacio con un artefacto eléctrico es entre un 8 y 27% menor que uno a gas natural, en el caso que el consumo mensual de gas natural sea inferior a 25m3.
Si el consumo mensual de Gas Natural es superior a 25m3, el costo de mantener 20°C en un espacio podría llegar a ser un 25% menor que con electricidad.
En todos los casos, el gas natural tiene una menor huella de carbono que la electricidad (del orden de un 45% menos).
Resultados Modelo Térmico: Mantención de Temperatura
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Espacio, m2
Costo de mantener 20°C durante 1 h
Electricidad GN (0 a 5 m3) GN (5 a 10 m3) GN (10 a 25 m3) GN (25 a 40 m3)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
10 20 40 60 80
kgCO2
Espacio, m2
Huella de Carbono al mantener 20°C durante 1 h
Electricidad Gas Natural
(668W) (993W) (1500W) (1927W) (2313W) (668W) (993W) (1500W) (1927W) (2313W)
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Artefactos con ventilador y/o radiantes, producen mayor confort térmico que artefactos de convección natural
En general, utilizar artefactos de mayor potencia es más económico debido a que elevan la temperatura rápidamente, y por ende deben funcionar un menor tiempo, consumiendo una menor cantidad de energía que uno de baja potencia
Conclusiones
El uso de Gas Natural para calefacción produce una menor Huella de Carbono que la Electricidad
A iguales potencias, la Electricidad puede llegar a ser entre 8% a 27% más barato que el Gas Natural, si es que el consumo mensual de este último es inferior a 25m3. En caso que el consumo mensual de Gas Natural sea superior a 25m3, este energético podría llegar a ser un 25% más barato que la electricidad
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Mediciones Comparativas y Modelo Térmico de Artefactos de Calefacción a Gas Natural y Eléctricos”
Fabián Hormazábal P., M.Sc.Subgerente Área Energía Sustentable
Santiago, 25 de Julio de 2013
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Nombre consolidado Marca ModeloCombustibl
eTipo
Potencia
eléctrica
[W]
Potencia
nominal
[kW]
Ventilador
rinnai dynamo 15 Rinnai Dynamo 15 Gas Natural Convectiva 23 4,16 si
emege 3130 Emegé 3130 Gas Natural Convectiva - 3,49 no
emege 3150 Emegé 3150 Gas Natural Convectiva - 5 no
italkero stratos 3_0 Italkero Stratos 3.0 Gas Natural Convectiva 80 2,32 si
italkero stratos 5_0 Italkero Stratos 5.0 Gas Natural Convectiva N/D 4,7 si
AT-CE warm PTC-2 Albin Trotter AT-CE Warm PTC-2 Electricidad Convectiva 1800 1800 si
minicube DC Dimplex Minicub20 (Minicube) Electricidad Radiativa / Convectiva 1500 1500 si
biosmart Kaltemp Bio 1500 OB (Biosmart) Electricidad Radiativa / Convectiva 1500 1500 si
oleoelectrica Albin Trotter AT-CE Warm 2T Electricidad Convectiva 1500 1500 no
well infrarojo Well WW-15064WO-UV (infrarrojo) Electricidad Radiativa / Convectiva 1500 1500 si
toyotomi Toyotomi EPH-121 Electricidad Radiativa 1200 1200 no
atlantic convecteur 1500W Atlantic 516150 (Convecteur 1500) Electricidad Convectiva 1500 1500 no
atlantic solius 1000 Atlantic 512710 (Solius 1000W) Electricidad Radiativa 1000 1000 no