Estudio del muro trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE OBRAS CIVILES

“ESTUDIO DEL MURO TROMBE Y FACTIBILIDAD TÉCNICA DE SU USO EN TEMUCO”

TRABAJO DE TÍTULO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CONSTRUCTOR

PROFESOR GUÍA: SR. JUAN PABLO CÁRDENAS RAMÍREZ

VIVIANA MARLENE ALVIAL RIVERA 2009

A Dios por ser el sentido de todo. A mis padres, por su apoyo, y amor durante toda mi vida.

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios, a cada una de las personas que estuvieron presentes durante mi formación profesional y aportaron a ella de una forma u otra, especialmente a mis padres, por su ejemplo y su esfuerzo para hacerme feliz, y a toda mi familia por su preocupación y confianza. A mi pololo por apoyarme durante toda esta etapa tan importante de mi vida y especialmente en los últimos momentos del proceso. A mis amigas por entregarme su comprensión, empuje y optimismo incondicional. A todos mis compañeros por ser parte de mi vida. A los profesores que durante todos mis años de educación han influido en mi formación, por inculcar valores y conocimientos, especialmente a mi profesor guía por confiar en mí y apoyarme en este proceso.

ÍNDICE

Índice de Contenido CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 1.1Exposición General del Problema 1.2Nivel Actual del Problema 1.3Objetivos Generales y Específicos 1.3.1Objetivo General 1.3.2Objetivos Específicos CAPÍTULO 2: CONCEPTO DE MURO TROMBE 2.1Historia y Desarrollo del Muro Trombe en Chile CAPÍTULO 3: FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO 3.1Movimientos de la Tierra 3.1.1Movimiento de Rotación 3.1.2Movimiento de Traslación 3.1.3Movimiento de Precesión 3.2La Estrella Solar 3.2.1Radiación solar 3.2.2Definiciones Geométricas Referidas a la Estrella Solar. 3.2.3Incidencia del Sol en la Tierra durante el Año. 3.2.4Incidencia del Sol en la Tierra durante el Día. 3.3Fundamentos de Climatología 3.3.1Atmósfera 3.3.2Clima 3.3.3Elementos del Clima 3.3.4Factores Modificadores del Clima 3.3.5Tipos de Clima 3.3.6Clasificación Climática de Temuco 3.4Fundamentos de Transferencia de Calor 3.4.1Temperatura y Calor 3.5Requerimiento de Calefacción 3.6Fundamentos de Bienestar Térmico 3.6.1Bienestar Térmico en el Ser Humano 3.6.2Bienestar Térmico en Edificación 3.6.3Factores determinantes del Bienestar Térmico

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ÍNDICE

3.7Clasificación del Muro Trombe como Sistema Solar 3.7.1Arquitectura Bioclimática 3.7.2Sistema Solar Pasivo. CAPÍTULO 4: FUNCIONAMIENTO 4.1Dispositivos para el Funcionamiento del Muro Trombe 4.2Usos del Muro Trombe 4.2.1Muro Trombe para Calefacción Diurna 4.2.2Muro Trombe para Calefacción Nocturna 4.2.3Muro Trombe para Enfriamiento 4.2.4Sistema Muro Trombe usado como Cubierta Colectora Acumuladora 4.3Ventajas y Desventajas de su Funcionamiento 4.3.1Ventajas 4.3.2Desventajas CAPÍTULO 5: CONSIDERACIONES DE DISEÑO 5.1Ubicación 5.2Emplazamiento 5.3Materialidad y Dimensionamiento 5.3.1Materialidad del entorno inmediato 5.3.2Materialidad y Dimensionamiento del Muro Trombe CAPÍTULO 6: CÁLCULO DE RENDIMIENTO 6.1Cálculo de Radiación Recibida 6.2Rendimiento del Muro Trombe como Componente de la Habitación 6.2.1Cálculo de Pérdidas de Calor de la Habitación 6.2.2Cálculo de Aporte de Energía por Muro Trombe 6.3Rendimiento del Muro Trombe como Componente Independiente 6.3.1Cálculo de Pérdidas de Calor de la habitación 6.3.2Cálculo de Aporte de Energía por Muro Trombe 6.4Rendimiento del Muro Trombe para Enfriamiento.

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Página CAPÍTULO 7: RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

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7.1Ejemplo de Diseño en Viviendas Ubicadas en la Ciudad de Temuco 7.2Rendimiento del Muro Trombe para uso diurno 7.2.1Rendimiento como Componente de la Habitación 7.2.2 Rendimiento como Componente Independiente 7.3 Costos Asociados 7.3.1Costos de Construcción 7.3.1Costos de Calefacción

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CAPÍTULO 8: CONCLUSIONES 8.1. Conclusiones

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BIBLIOGRAFÍA

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ANEXO A

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ANEXO B

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ANEXO C

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ÍNDICE

Índice de tablas Tabla 3.1. Tabla 3.2. Tabla 3.3. Tabla 3.4. Tabla 3.5. Tabla 3.6. Tabla 3.7. Tabla 3.8. Tabla 3.9. Tabla 3.10 Tabla 3.11 Tabla 3.12 Tabla 3.13 Tabla 5.1. Tabla 5.2. Tabla5.3. Tabla5.4. Tabla 5.5. Tabla5.6. Tabla 6.1. Tabla 6.2. Tabla 6.3. Tabla 7.1. Tabla 7.2.

Clasificación de la radiación solar según la longitud de onda Cálculo del ángulo de incidencia solar Tipo de superficie y respectivo albedo Temperaturas medias mensuales, año 2007 y promedio del periodo 1981-2006 Humedad relativa media mensual, año 2007 y promedio del periodo 1981-2006 Radiación global integrada mensual e irradianza media diaria para el año 2007 Valores mensuales de duración (hrs) de insolación Materiales de construcción y sus características físico térmicas Resistencias Térmicas Superficiales. Resistencia de materiales por m² de área de intercambio Resistencia térmica en la cámara de aire Grados-día de Temuco Sensación térmica en función de humedad relativa del aire TWD y su respectivo coeficiente de transferencia de calor Absorbencia de radiación solar para algunos materiales de construcción Superficie de Muro Trombe necesario por unidad de superficie útil Espesor de Muro Trombe recomendado según material Valores obtenidos de la figura 5.7 para el cálculo del alero Características de algunas telas para cortinas enrollables, utilizables como elemento de protección para Muro Trombe Cálculo de insolación en plano inclinado Aire introducido por infiltración o ventilación Temperaturas obtenidas con el uso del Muro Trombe para enfriamiento Características de la habitación elegida para diseño de Muro Trombe Resistencia al paso del calor para una habitación con las características señaladas en tabla 7.1, Muro Trombe diurno.

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Página Tabla 7.3. Tabla 7.4. Tabla 7.5. Tabla 7.6. Tabla 7.7. Tabla 7.8. Tabla 7.9. Tabla 7.10. Tabla 7.11. Tabla 7.12. Tabla 7.13. Tabla 7.14. Tabla 7.15. Tabla 7.16. Tabla 7.17. Tabla 7.18. Tabla 7.19. Tabla 7.20. Tabla 7.21. Tabla 7.22. Tabla 7.23. Tabla 7.24. Tabla 7.25. Tabla 7.26. Tabla 7.27. Tabla 7.28. Tabla 7.29. Tabla 7.30.

Resistencia al paso del calor para una habitación con las características señaladas en tabla 7.1, Muro Trombe nocturno. Cálculo de resistencia total para Muro Trombe diurno. Calor perdido por la estructura, para Muro Trombe diurno. Calor perdido por infiltración o ventilación. Calor total requerido para calefacción, Muro Trombe diurno Demanda de calefacción. Aporte de energía por uso de Muro Trombe diurno con 1 vidrio. Aporte de energía por uso de Muro Trombe diurno con doble vidriado hermético. Aporte de sistemas pasivos y factor solar de sistemas pasivos Factor solar anual del Muro Trombe Resistencia al paso del calor del vidrio y del muro Temperaturas medias Pérdidas horarias del día Pérdidas horarias de la noche Coeficiente global por pérdidas locales Aporte del Muro Trombe Coeficiente de aporte térmico del Muro Trombe Costo de construcción, vidrio simple, estructura de aluminio Costo de construcción, DVH, estructura de aluminio Costo de construcción, vidrio simple, estructura de PVC Costo de construcción, DVH, estructura de PVC Costo de construcción, vidrio simple, estructura de aluminio Costo de construcción, DVH, estructura de aluminio Costo de construcción, vidrio simple, estructura de PVC Costo de construcción, DVH, estructura de PVC Demanda de calefacción Costo de calefacción, para Muro Trombe con vidriado simple Costo de calefacción, para Muro Trombe con doble vidriado hermético

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ÍNDICE

Índice de figuras Figura 2.1. Maison DGRST, la primera casa solar en el mundo. Fotografía y plano de planta original Figura 2.2. Vista frontal del Muro Trombe en la Maison DGRST. Figura 2.3. Muro Trombe de prueba. Figura 2.4. Corte esquemático de Muro Trombe en “Casa Cuadra” Figura 2.5. Presencia de un Muro Trombe en “Casa “Cuadra”. Figura 2.6. Domo2, incluye Muro Trombe como sistema de aporte térmico Figura 2.7. Vista tridimensional del Muro Trombe diseñado para el aeropuerto y Vista en vertical en corte del Muro Trombe Figura 3.1. Movimiento de traslación de la Tierra. Figura 3.2. Arco solar, equinoccios y solsticios. Figura 3.3. Movimiento de precesión de la tierra. Figura 3.4. Gráfico, obtención de la declinación. Figura 3.4. Altitud, azimut y ángulo zenit. Figura 3.5. Ángulo de incidencia solar para diferentes inclinaciones de terreno Figura 3.6. Variaciones en la incidencia de la radiación solar. Figura 3.7. Uso del día solar para diseñar alero. Figura 3.8. Día solar para Concepción, aplicable a Temuco. Figura 3.9. Capa límite y Dosel urbano. Figura 3.10 Temperaturas máximas, mínimas y medias para Temuco desde el año 1981. Figura 3.11 Radiación integrada media mensual, periodo 1992-1998. Figura 3.12 Irradianza media mensual, año 2007. Figura 3.13 Convección en muros de una habitación. Figura 3.14 Resistencia térmica a través de un muro. Figura 3.15 Intercambios térmicos del ser humano con el exterior. Figura 3.16 Muro Trombe con sistema de ganancia solar indirecta y Ventana como sistema de ganancia solar directa Figura 4.1. Dispositivos para el funcionamiento del Muro Trombe, vista posterior Figura 4.2. Dispositivos para el funcionamiento del Muro Trombe, vista frontal Figura 4.3. Corte de un Muro Trombe para calefacción diurna y circulación del flujo de aire. Figura 4.4. Isométrico de un Muro Trombe para calefacción diurna.

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Página Figura 4.5. Corte de un Muro Trombe para calefacción Nocturna y circulación del flujo de aire. Figura 4.6. Isométrico de un Muro Trombe para calefacción nocturna. Figura 4.7. Muro Trombe con compuertas humidificadoras. Figura 4.8. Corte de un Muro Trombe para enfriamiento. Figura 4.9. Isométrico de un Muro Trombe para calefacción nocturna. Figura 4.10 Muro Trombe usado como Cubierta Colectora Acumuladora. Figura 5.1. Grosor del muro y la variación de temperatura a través de él durante el día. De izquierda a derecha, placa de policarbonato simple con Figura 5.2. celdas verticales, placa de policarbonato doble, placa con celdas de acrílico y placa de aerogel Figura 5.3a Muro Trombe con bidones de agua como acumulador. Figura 5.3b Muro Trombe con almacenador de agua. Figura 5.4. Pieza de cerámica con cambio de fase. Figura 5.5. Paredes de bloque de cristal, rellenos con un acumulador de cambio de fase Figura 5.6. Dimensionamiento de compuertas para el paso de aire en un Muro Trombe Figura 5.7. Influencia del área de las compuertas de un Muro Trombe y la energía entregada Figura 5.8. Dimensionamiento de reflector móvil Figura 5.9. Alero para Muro Trombe diseñado Figura 5.10 Cortina exterior enrollable Figura 5.11 Comportamiento de la tela con respecto a la radiación solar Figura 5.12 Persiana de pvc enrollable Figura 6.1. Gráfico de los noveles de radiación directa y difusa calculados por el programa Geosol. Figura 6.2. Desglose de radiación según hora del día y radiación total diaria sobre el plano. Figura 6.3. Mapa conceptual, Rendimiento del Muro Trombe como componente de la habitación.

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Página Figura 6.4. Mapa conceptual, Rendimiento del Muro Trombe como componente independiente. Figura 6.5. Gráfico para determinar el porcentaje de energía transmitida por el Muro Trombe. Figura 7.1. Muro de hormigón armado con aislante térmico adosado a cara interior, usado en muros exteriores de habitación con Muro Trombe diurno. Figura 7.2. Solución de techumbre con aislante térmico rígido. Figura 7.3. Energía neta aportada por Muro Trombe. Figura 7.4. Factor de aporte solar de Muro Trombe con vidriado simple. Figura 7.5. Factor de aporte solar de Muro Trombe con vidriado doble. Figura 7.6. Energía aportada por el Muro Trombe.

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CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

1.1 Exposición General del Problema. La ciudad de Temuco presenta en su clima marcadas oscilaciones estacionales definiéndose meses fríos, templados y cálidos, y extremas absolutas de temperatura que varían entre -5°C y 37°C. Estas variaciones están presentes en las temperaturas, la lluvia, el viento y la humedad. La vivienda debe ser la principal fuente aislante de las condiciones climáticas, por eso es necesario que cumpla con condiciones de diseño y aislamiento óptimo, con el objetivo de mantener el confort o equilibrio térmico adecuado para sus habitantes, esto se logra a través de sistemas constructivos y de calefacción que condicionan su particularidad térmica. Por lo general los sistemas de calefacción involucran sucesivos gastos en el tiempo y son contaminantes, lo que toma especial importancia en la ciudad de Temuco donde los índices de contaminación atmosférica son elevados. Los sistemas constructivos de aislamiento térmico que se acercan a lo óptimo generalmente están compuestos de materiales contaminantes o requieren de medios mecánicos para su funcionamiento. 1.2 Nivel Actual del Problema. El calentamiento global es un cambio climático que se aprecia principalmente en el aumento de las temperaturas globales, las que el último siglo aumentaron 0,6°C y en los próximos 100 años aumentarían alrededor de 5°C (Según el Panel Intergubernamental de Cambio Climático). El cambio climático es producto del aumento en la atmósfera de los niveles de "gases de efecto invernadero"(anhídrido carbónico, dióxido de carbono, metano, óxidos de nitrógeno, cloro, flúor, etc). Uno de los principales gases causantes del efecto invernadero es el dióxido de carbono, que ha acrecentado su volumen en un 36% desde fines del siglo 18 (Según publicación de la Organización mundial de medio ambiente), debido al incremento sostenido del consumo de combustibles fósiles(gas natural, carbón mineral, petróleo) que liberan este gas. El mundo dispone de menos de diez años para mitigar la amenaza del calentamiento global (Según Informe de Desarrollo Humano del Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo) que podría llegar a ser nefasto para el planeta, por lo que es necesario reducir las emisiones de dióxido de carbono y renovar las fuentes de energía, por otras más limpias y sustentables en al menos un 20% para el año 2020 (Organización de la Naciones Unidas). Chile es un consumidor de combustibles fósiles como fuentes de energía y aunque actualmente aporta el 0,2% de emisiones de CO2 respecto del total global, ha aumentado su contribución en los últimos años en alrededor de 12 millones de toneladas métricas y registra el mayor crecimiento comparado con el resto de los países latinoamericanos y del Caribe (Informe de Desarrollo Humano del Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo). El uso sostenido de estas fuentes de energía no renovables han llevado a una disputa a nivel mundial por ellos, a lo que se suman en Chile una serie de factores que tienen al país en una crisis energética que aparenta ser Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

momentánea, pero que si no se crean nuevas fuentes de energía o sistemas que permitan ahorrar recursos de esta índole, podría llegar a ser permanente y afectar directamente la calidad de vida de las personas. Es el momento de utilizar de manera limpia los recursos naturales existentes y adaptarlos de forma que sean un aporte para satisfacer las necesidades, por ejemplo de calefacción de la ciudadanía, ya que esta necesidad también se ha visto afectada por la crisis energética actual, considerando que las principales fuentes de calefacción de los chilenos es la electricidad, derivados del petróleo, gas natural y la combustión de leña. Temuco, región de La Araucanía, es una de las principales ciudades de Chile en utilizar como combustible básico para la calefacción la leña, lo que deriva en creciente contaminación ambiental, específicamente la contaminación del aire de la ciudad, superando en variadas oportunidades los limites permitidos. La norma primaria de calidad de aire establece que el máximo permitido de presencia de material particulado (MP10) en la atmósfera no puede superar los 150 microgramos por metro cúbico, pero en Temuco en los últimos años los pick han superado los 600 y actualmente bordean los 200 microgramos por metro cúbico (Según informes de la Comisión nacional del medio ambiente). Estos altos volúmenes de material particulado pueden generar problemas a la salud de la población, como tos, dolor de cabeza y disminución de la función pulmonar lo que deriva en enfermedades respiratorias. Según un estudio presentado por la CONAMA, las fuentes residenciales generan más del 70% del material contaminante presente en el aire de Temuco, por lo cual los sistemas de calefacción que se utilicen en la ciudad deben ser, si no un aporte, sistemas que respeten la calidad del aire. El confort térmico es una sensación neutra de la persona respecto al ambiente térmico que lo rodea. Lograr el confort térmico es una suma de variables insertas en el espacio físico, por eso es importante una adecuada calefacción y también las características constructivas de la vivienda. La estructura de las viviendas en Temuco está hecha esencialmente de hormigón, albañilería de ladrillo y principalmente de madera, material que además de utilizarse como elemento principal de la estructura, fue usado masivamente como revestimiento de terminación de la envolvente de la vivienda, especialmente en aquellas de más de 10 años de construcción. Según el autor Alexander Fritz, la madera tiene una resistencia relativamente baja a la transmisión de calor por lo que es necesario colocar aislamiento térmico que permita minimizar las pérdidas de energía, aumentar y maximizar las ganancias internas y si se mantiene la necesidad de calefacción, propender a sistemas eficientes no contaminantes y de bajo costo. En los últimos años en Temuco ha tomado importancia la construcción de viviendas de mayor aislamiento térmico y se han comenzado a usar paquetes aislantes que disminuyen las perdidas de energía y elementos como vidrios termopaneles, pero estos diseños también implican aumento en los costos de construcción y contaminación indirecta al medio ambiente. La idea es que los sistemas de calefacción o acondicionamiento térmico para su funcionamiento y fabricación no requieran medios mecánicos u otras fuentes de energía contaminantes, considerando que es posible utilizar energías renovables y limpias como el sol. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

1.3 Objetivos Generales y Específicos. 1.3.1 Objetivo General. Estudiar el Muro Trombe como sistema constructivo colaborante térmicamente en una vivienda, y analizar la factibilidad técnica de su uso en Temuco. 1.3.2 Objetivos Específicos. Recopilar información general y estado de desarrollo del uso del Muro Trombe en Chile. Identificar los materiales que componen el Muro Trombe y determinar cuales optimizan sus propiedades como colaborante térmico en una vivienda. Analizar si las condiciones climáticas de Temuco permiten el uso del Muro Trombe. Determinar el aporte térmico que podría proporcionar el Muro Trombe en viviendas ubicadas en la ciudad de Temuco. Determinar los costos de construcción del Muro Trombe y si es un sistema económicamente sostenible.

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CAPÍTULO 2 CONCEPTO DE MURO TROMBE

Capítulo 2 CONCEPTO DE MURO TROMBE

2.1Historia y Desarrollo del Muro Trombe en Chile. El diseño del Muro Trombe fue patentado en 1881 por Edward Morse, pero en el año 1957 el ingeniero Félix Trombe lo re diseñó y patentó nuevamente, él junto al arquitecto Jacques Michel lo popularizaron en los años 60 usándolo en construcciones de casas solares pasivas en Font-Romeu-Odeillo-Via, Francia. Pero posteriormente los bajos precios del crudo y la construcción de viviendas masivas, bajó y prácticamente desapareció la construcción de viviendas solares pasivas y por consiguiente el Muro Trombe. Luego en el año 1973 el crudo comenzó a subir de precio, pero se mantuvo la construcción de viviendas masivas, por lo cual la construcción de viviendas con sistemas pasivos y Muros Trombe disminuyó su popularidad.

Figura 2.1. Maison DGRST, la primera casa solar en el mundo. Fotografía y plano de planta original.

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Capítulo 2 CONCEPTO DE MURO TROMBE

Figura 2.2. Vista frontal del Muro Trombe en la Maison DGRST.

En Chile desde 1960 en adelante el profesor de la Universidad Técnica Federico Santa María don Julio Hirschmann, inicia investigaciones relativas a la energía solar y comienza la acumulación de datos solarimétricos del país, fundamentales para el diseño del Muro Trombe. La Universidad Técnica Federico Santa María tiene registros de que en los 80 se construyeron en Santiago, Concepción, Villa Alemana y El Salvador (norte de Chile) Muros Trombe y ganancia solar directa, pero actualmente no se tiene información más específica de dichas residencias. El Ingeniero mecánico Pedro Sarmiento desde 1972 viene realizando estudios sobre el Muro Trombe, posteriormente y él junto a Darwin Robledo de la Universidad Técnica Federico Santa María, Chile, realizaron en las dependencias del Laboratorio de energía solar de dicha universidad, el diseño y la construcción de un módulo de ensayo para determinar experimentalmente el aporte de energía para calefacción de un Muro Trombe acumulador. También se utilizó el módulo para determinar aporte del muro como sistema de enfriamiento.

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Capítulo 2 CONCEPTO DE MURO TROMBE

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Figura 2.3. Muro Trombe de prueba.

El gobierno de Chile a través del Programa País Eficiencia Energética, ha realizado concursos de energías renovables para calefaccionar la vivienda rural. En el año 2007 el proyecto ganador fue desarrollado por un equipo de cuatro integrantes en la localidad de Cabrero, Región del Bío-Bío. Los arquitectos fueron: Rodrigo Villalobos y Tomás Vera. Los Cálculos Térmicos los realizó: José Pascual. Cálculos de costos y especificaciones técnicas: Susana Muñoz. El proyecto ganador incluye entre sus estrategias una envolvente de fardos de paja y un muro Trombe de tierras compactadas. A siete centímetros del muro, lado exterior, se instala el vidrio. El Muro Trombe además contempla una rendija de quince centímetros arriba y otra abajo, para que el aire circule entre el muro y el vidrio. La vivienda denominada “Casa Cuadra” se encuentra en etapa de anteproyecto, para su futura construcción y estudio en la comuna de Cabrero, Región del Bio-Bio.

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Capítulo 2 CONCEPTO DE MURO TROMBE

Figura 2.4. Corte esquemático de Muro Trombe en “Casa Cuadra”

Muro Trombe orientado al norte.

Figura 2.5. Presencia de un Muro Trombe en “Casa “Cuadra”.

La Inmobiliaria y Gestión Integral (INGEIN), ha iniciado el presente año 2008 la construcción de una vivienda unifamiliar de 500 metros cuadrados denominada Domo2, ubicada en el sector Huinganal de La Dehesa. La vivienda pretende ser un piloto para comprobar su aptitud de vivienda inteligente para lo que fue diseñada ya que busca integrar arquitectura bioclimática, domótica, iluminación natural optimizada e iluminación. En el lado norte de la vivienda, cubriendo las escaleras, se instala un muro Trombe que servirá para calefaccionar, refrigerar y ventilar. Se trata de un muro de hormigón, sobre el que se coloca un vidrio y en ciertos momentos se aprovecha el aire calentado entre el muro y el vidrio.

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Capítulo 2 CONCEPTO DE MURO TROMBE

Si se quiere lograr el efecto contrario, se expulsa el aire caliente interior hacia afuera logrando una refrigeración”, destaca Carlos Valderrama, gerente general de INGEIN.

Figura 2.6. Domo2, incluye Muro Trombe como sistema de aporte térmico.

Para el año 2010 se iniciara la construcción de un nuevo aeropuerto para la región de la Araucanía, con un plazo de construcción aproximado de 2 años. La obra fue encargada por el Ministerio de Obras públicas, y su característica principal es la construcción sustentable y temperatura confortable en el edificio. Dentro de las características de diseño pasivo proyectadas para el edificio se contempla un Muro Trombe de albañilería con aislante térmico enfrentado a una cámara de aire y retardo térmico de más de 5 horas para aprovechar la acumulación térmica durante el día, el paramento exterior es de cristal oscuro y base de piedra refractaria, aportando a la inercia y a la convección térmica.

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Capítulo 2 CONCEPTO DE MURO TROMBE

Compuerta para la entrada de aire caliente Cristal oscuro Muro de albañilería

Aislante

Piedra Refractaria

Compuerta para el paso del aire frio

Figura 2.7. Vista tridimensional del Muro Trombe diseñado para el aeropuerto (arriba) y Vista en vertical en corte del Muro Trombe (abajo).

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CAPÍTULO 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

3.1Movimientos de la Tierra. El planeta Tierra esta en constantes movimientos de distinta índole, los cuales influyen directamente en el clima y su trascendencia en relación al habitad humano, el clima es un factor determinante en las formas arquitectónicas y los métodos constructivos. Los movimientos de la Tierra se clasifican en: 3.1.1Movimiento de Rotación. Movimiento que determina el día y la noche, lo efectúa la Tierra girando sobre sí a lo largo de su propio eje que pasa por los polos y en sentido Oeste-Este, dando la impresión que el cielo gira alrededor de la Tierra. La existencia del día y la noche, influye directamente en las temperaturas del entorno, generalmente en el día las temperaturas ambientales son mayores debido a que la tierra recibe radiación global solar que no recibe durante la noche. La duración de los días y las noches no es la misma en distintos puntos del planeta debido a que el eje de rotación de la Tierra se encuentra inclinado respecto del plano de iluminación. 3.1.2Movimiento de Traslación. El planeta Tierra gira alrededor del sol, impulsado por la gravitación, describiendo una elipse en el periodo de un año. La órbita elíptica hace variar la distancia entre la Tierra y el Sol en el transcurso de un año. La traslación y la declinación del eje de rotación de la Tierra provocan variación en la inclinación y en la cantidad de energía de los rayos solares, según el punto del planeta y las diferentes estaciones climáticas del año (Figura 3.1), dando lugar a la sucesión de estaciones, divididas por los solsticios y los equinoccios.

Figura 3.1. Movimiento de traslación de la Tierra. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Temuco, ciudad ubicada en el hemisferio sur tiene las siguientes fechas para los solsticios y los equinoccios. Solsticio de invierno: 21 de Junio, día mas corto en el hemisferio sur; comienza el invierno, estación del año con temperaturas mas bajas. Solsticio de verano: 21 de Diciembre, día más largo en el hemisferio sur, comienza el verano, estación del año con temperaturas más altas. Equinoccios: días de 12 horas de duración, los rayos solares llegan perpendiculares al eje de giro de la Tierra. El sol recorre un arco en el cielo que nace al Este y se pone al Oeste. El resto de los días, en invierno sale al Noreste y se pone al Noroeste, en verano sale al Sureste y se pone al Suroeste. 21 de Marzo: comienzo del otoño, la radiación solar disminuye. 21 de Septiembre: comienzo de la primavera, la radiación solar aumenta.

Figura 3.2. Arco solar, equinoccios y solsticios.

3.1.3Movimiento de Precesión. En la figura 3.3, puede observarse que el eje de la Tierra tiene una inclinación de 23°27´ respecto a la perpendicular de la elíptica, este movimiento describe un círculo completo alrededor del polo norte de la eclíptica con un período de 25.780 años, causado por el torque ejercido por el sol sobre la Tierra. El 21 de Junio en el hemisferio norte la Tierra recibe rayos solares con ángulo cercano a los 90° y está iluminada mas allá de 180° de giro, en el hemisferio sur el ángulo de incidencia de los rayos solares es más oblicuo y la tierra de este hemisferio esta iluminada menos de 180°, por lo cual los días son mas largos en el primer caso y mas cortos en el segundo. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Figura 3.3. Movimiento de precesión de la tierra.

3.2La Estrella Solar. Estrella del sistema planetario en el que se encuentra la Tierra. A través de la irradiación de la energía solar en forma de ondas electromagnéticas que llegan a la tierra, aporta la energía que mantiene en funcionamiento los procesos climáticos del planeta. 3.2.1Radiación solar. Es el desplazamiento de ondas electromagnéticas emitidas por el sol, parte de ellas llegan a la Tierra y otras son absorbidas por la atmósfera. La radiación llega en forma disímil a los distintos puntos de la Tierra provocando diferencias de temperatura entre distintas zonas y diferentes climas. La irradiancia es la potencia de la radiación solar por unidad de área. A la irradiancia perpendicular a los rayos solares fuera de la atmósfera, se le llama constante solar(I) y tiene un valor promedio de 1354(W/m²). La irradiación que es la energía por unidad de área (J/m²). De acuerdo a la longitud de onda dentro de la radiación solar, se distribuye de mayor a menor longitud, la radiación infrarroja, la luz visible y radiación ultravioleta. A la Tierra llega radiación que se clasifica según la longitud de onda, dicha clasificación se aprecia en la tabla 3.1:

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Tabla 3.1. Clasificación de la radiación solar según la longitud de onda. Radiación Longitud de onda Tipo Características Ultravioleta 0,35 micrones Fotovoltaica(se puede Longitud de onda alta transformar en corta, frecuencia. electricidad) Visible

0,35 a micrones

0,75 Fotovoltaica

Luz visible al ojo humano.

Infrarroja

Mas de micrones

0,75 Fototérmica (transfor-

Longitud de onda baja mación de la luz en larga, frecuencia. calor)

El vidrio es transparente a la radiación solar de onda corta, pero parte de la radiación solar que atraviesa el vidrio cambia su longitud de onda a una radiación de onda larga (infrarroja de baja frecuencia) al chocar con otro material, la cual no podrá atravesar el vidrio ya que este es semi opaco para la onda infrarroja. A la tierra llega radiación solar dependiente de estaciones del año, los días y horas, altitud, latitud, orientación y declinación de la Tierra, proporción tierra-agua, topografía, etcétera y además las nubes, humos y gases disminuyen la cantidad de radiación; a partir de estos últimos factores la radiación que llega a la Tierra se puede clasificar como: Radiación directa: La radiación solar viaja en línea recta dentro de una sustancia de composición uniforme, mientras no haya nada que cambie su dirección y mientras no cambie el medio a través del cual se está propagando. La radiación directa es aquella que llega a la tierra proveniente directamente del sol, sin cambiar de dirección, atravesando la atmosfera, parte de la radiación es absorbida y parte atraviesa como radiación directa. Radiación difusa: es la radiación solar que cambio de dirección por reflexión y dispersión, esto por causa de su paso a través de la atmosfera, humo y nubes. En días nublados toda la radiación es difusa. Radiación global: Es la radiación directa más la radiación difusa. Rg = RD + Rd

(3.1)

Rg: Radiación global RD: Radiación directa Rd: Radiación difusa La radiación total sobre la tierra es la radiación global mas los datos climáticos y los datos geográficos. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

La energía solar radiante se manifiesta visualmente a través de la luz natural, que siempre viene acompañada de radiación térmica, o sea calor. La radiación solar que incide en la tierra, además de entregar calor se puede utilizar para producir calor. Lo importante es que la energía producida por la radiación solar es renovable, es decir se caracteriza porque en sus procesos de transformación y aprovechamiento en energía útil generalmente no contamina, no se consume ni se agota en una escala humana. 3.2.2Definiciones Geométricas Referidas a la Estrella Solar. Declinación de la Tierra. La esfera celeste es una esfera imaginaria que rodea la Tierra y que se divide en paralelos de declinación. El 21 de Junio la declinación de la tierra respecto al sol es de +23°27´ y el 21 de Diciembre -23°27´. La declinación se puede calcular a través de la figura 3.4 o la ecuación (3.2)

Figura 3.4. Gráfico, obtención de la declinación (eje de las ordenadas), según mes del año (eje abscisas). D = 23,45 sen(360*(284+n))

(3.2)

365 D: declinación (°) n : número secuencial del día del año Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Línea y Ángulo Zenit. Línea zenit es la línea imaginaria perpendicular a un plano horizontal de un punto sobre la superficie terrestre, cuya prolongación intercepta a la esfera celeste. Ángulo zenit es aquel formado por el rayo solar y la línea zenit. α + Z = 90°

(3.3)

α: altitud Z: Ángulo zenit

Figura 3.4: Altitud, azimut y ángulo zenit.

Azimut. Geométricamente es el ángulo formado por la proyección en el plano horizontal del rayo solar y una línea norte-sur; es una condición de asoleamiento que colabora con el diseño solar. El azimut recorrido por el sol es mayor a 180° en el solsticio de verano e inferior a 180° en el solsticio de invierno. Se ángulo azimut se observa en la figura 3.4 y se puede calcular con la ecuación (3.4)

sen Az = (cosD*senH) cos α

(3.4)

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Az: Azimut. H: ángulo de hora solar Ángulo de incidencia solar. El ángulo de incidencia solar (i) es con el cual los rayos solares llegan a un plano, formado entre la superficie colectora y la perpendicular al plano. A mayor (i), los rayos caen más oblicuamente, repartiéndose sobre mayor superficie, por lo cual la radiación es menor. Cos i = senD sen L cosB - senD cosL sen B cosAz + cosD cosL cosB cosH + cosD senL senB cosAz cosH + cosD senB senAz senH

(3.5)

i: ángulo de incidencia(°). D: declinación (°). B: ángulo de inclinación de la superficie respecto al horizonte(+),(°) Az: azimut de la superficie de interés (°). H: ángulo de hora solar, (+)AM, (-)PM, (°) A modo de ejemplo, se calculó en ángulo de incidencia solar para diferentes ángulos de inclinación de la superficie, los resultados se presentan en la tabla 3.2 y en la figura 3.5.

Tabla 3.2. Cálculo del ángulo de incidencia solar. Ángulo de inclinación de la superficie captadora

Ángulo de incidencia solar (i)

Radiación solar

-22,5°

77°

Mínima

0°

54°

Media

45°

9,56°

Máxima

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Figura 3.5. Ángulo de incidencia solar para diferentes inclinaciones de terreno. En conclusión, para captar mayor radiación, la superficie captadora debe tener un ángulo de inclinación cercano a los 45°, aunque eso depende de todos los factores involucrados por lo cual se considera como regla general: Ángulo de inclinación de la superficie captadora = Latitud + 10°

(3.6)

3.2.3Incidencia del Sol en la Tierra durante el Año. El movimiento de traslación de la tierra en torno al sol da origen a las variaciones en la incidencia de la radiación solar durante el año. Se presenta la figura 3.6.

Figura 3.6. Variaciones en la incidencia de la radiación solar. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

La incidencia del sol en la superficie de la Tierra es en cuatro posiciones notables a lo largo de su orbita durante el año. En la figura 3.6 se observan las posiciones A,B,C y D, corresponden a la posiciones de la tierra en el solsticio de invierno, equinoccio de primavera, solsticio de verano y equinoccio de otoño respectivamente para el hemisferio sur. El rayo de sol incide en la superficie terrestre en posiciones opuestas A y C, A en el hemisferio norte y C en el sur. B y D son puntos intermedios simétricos, acá el rayo solar incide en el punto medio de ellos, esto es sobre el ecuador. En un año el sol ha incidido normalmente sobre la superficie de la tierra en el área entre A y C, formando en estos puntos dos círculos llamados trópicos de Capricornio en el hemisferio sur y de Cáncer en el hemisferio norte. Por sobre los trópicos el sol nunca estará en el zenit, siempre culminara por debajo y mientras mas alejado se esta del ecuador mas abajo culminará el sol. Zona Tropical: es el área entre ambos trópicos, entre las latitudes -23°27´ y +23°27´. Zona Templada: existen dos zonas templadas, una en el norte y la otra en el sur, están entre la zona tropical y el círculo polar que tiene latitud 66°5´ . Zona Fría: desde la latitud 66°5´norte y sur hasta cada polo, allí seis meses del año el sol permanece sobre el horizonte y seis meses bajo el. En la se representa el recorrido del sol de un trópico a otro y un rayo de sol. Cuando el sol viaja de A hacia C los rayos solares van incidiendo normalmente sobre la superficie de la tierra de A´ a C´, en la zona tropical. Al estar el sol en el punto A, el rayo realiza el camino mas corto para cruzar la atmósfera. Para que los rayos de sol lleguen a C´ el recorrido es mucho mayor que para llegar al punto A, al ir atravesando la atmosfera el rayo se va enfriando porque la atmosfera refleja y absorbe radiación, además el rayo incide oblicuamente por lo cual se reparte sobre una superficie mucho mayor; esto hace que una misma radiación en el verano se concentre, en el invierno se disperse y la acción calorífica del sol sea mayor en verano que en invierno. De acuerdo a la incidencia de radiación solar recibida por la Tierra, ésta se puede dividir en tres zonas térmicas: tropical, templada y fría. Zona Térmica Tropical: no hay diferencia apreciable entre verano e invierno, primavera y otoño, prácticamente no existen y generalmente hay gran nubosidad, las temperaturas son muy elevadas y la nubosidad colabora en su disminución. Zona Térmica Templada: las estaciones del año son bien definidas, los amaneceres y atardeceres son largos y coloridos y las temperaturas no son tan frías como en los polos ni tan cálidas como en la zona tropical. Zona Térmica Fría: las temperaturas son muy frías ya que los rayos solares llegan muy inclinados.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

3.2.4Incidencia del Sol en la Tierra durante el Día. Hora Solar La hora solar es aquella en que efectivamente el sol estará en la cumbre máxima del cielo, pero la hora solar no necesariamente coincide con la hora convencional o reloj que se usa en un lugar, debido a diferentes motivos. En Chile existe un cambio de hora para aprovechar la luz solar, en Octubre se adelanta 1hora y en Marzo se vuelve a la hora establecida que tiene como referencia el Meridiano de Greenwich. El meridiano tomado como referencia no corresponde al meridiano del lugar en estudio. Además la Tierra esta sometida a perturbaciones en su recorrido por el sol. Se presenta la ecuación 3.7 para la hora solar (Hs): (3.7) Hs= Hl -1(x) + E + 4(Mcon – Mloc) Hl: hora local (hr) X: 1 si hay cambio de hora en verano(hr). Mcon: meridiano convencional medido al oeste de Greenwich, en Chile 60°Oeste(°) Mloc: meridiano local medido al oeste de Greenwich, en Temuco +72°36´(°) E: ecuación de tiempo, se obtiene a través de fórmula 3.8 o gráficamente por figura 8 . (minutos). E= 9,87sen2M – 7,53cosM – 15senM

M: 0,989(n-81)

(3.8)

(3.9)

La obtención de la hora solar nos permite orientar un sistema solar con un azimut exactamente al norte. Salida del Sol, Duración del Día y Puesta del Sol. Para el cálculo de salida del sol se considera una superficie horizontal, a partir de lo cual se tiene la ecuación 3.10.

Hs= arccos (-tgD * tgL)

(3.10)

Hs: hora de salida del sol (°). Como se ha mencionado anteriormente, la duración del día depende de la declinación, la latitud del lugar, la altitud solar y la topografía. La duración del día afecta la radiación recibida sobre la Tierra, a mayor duración más radiación solar. El cálculo de la duración del día se realiza con la ecuación 3.11, considerando que el sol recorre 15°en una hora. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Duración día Hdía =2Hs/15

(3.11)

Como es evidente la hora de puesta de sol resulta de la suma de la hora de salida más la duración del día. Día Solar. El día solar es un reloj de sol por el cual se puede obtener la hora solar. Permite proyectar la sombra de un indicador vertical sobre el reloj, el cual indica la hora y el periodo del año correspondiente, pero su aporte en el diseño solar es que con el se pueden obtener las características de soleamiento y sombreamiento de un edificio, por ejemplo el adecuado diseño de un alero y la relación de sombras entre edificios.

Figura 3.7. Uso del día solar para diseñar alero. El día solar se utiliza para diseñar un alero de manera experimental, aunque también se puede diseñar de forma numérica según se detalla en el capítulo 5. En la figura 3.8 se muestra el Día Solar para la cuidad de Concepción el cual se puede tomar como referencia para Temuco, ya que los resultados con esta aproximación son despreciables.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Figura 3.8: Día solar para Concepción, aplicable a Temuco.

A continuación se describe el funcionamiento del Día solar: Encabezado: Nos indica el lugar para el cual el dial nos entregará la posición del sol por analizar. Curvas de fechas: La línea curva del extremo superior corresponde a la sombra proyectada en su recorrido diario por el indicador, para el solsticio de verano (21 de Diciembre) y la curva del extremo inferior a la sombra proyectada en su recorrido diario para el solsticio de invierno (21 de Junio) La línea continua a la superior corresponde al inicio y término del verano (5 de noviembre y 5 de febrero). La línea contigua a la del extremo inferior corresponde a la del inicio y termino de invierno (5 de mayo y 5 de agosto). Téngase presente que desde el punto de vista real o astronómico, la culminación del verano e invierno corresponden a los respectivos solsticios. Vale decir el día más largo corresponderá al 21 de Diciembre y el día mas corto al 21 de Junio, para nuestro país. Así entonces, si consideramos las estaciones de 90 días cada una, cada estación de verano e invierno se iniciaría y finalizaría 45 días antes y 45 días después de los respectivos solsticios. De ahí las fechas de 5 de noviembre y 5 de febrero para el inicio y termino del verano y las fechas de 5 de mayo y 5 de agosto para el inicio y término del invierno. La línea recta interior corresponde a la sombra proyectada en su recorrido diario por los días de equinoccios de Otoño y Primavera (21 de Marzo y 21 de Septiembre) para nuestro hemisferio Sur. Rectas de horas: Indican la hora simular con el día solar. Están acompañadas por un número, correspondiente a la hora solar, de 7 a 17 horas. Punto de posicionamiento del indicador Gnomon: Corresponde al lugar en que se encuentra en indicador de 2 (cm) de altura que proyectará la sombra a leer. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Flechas Indicadora de orientación Norte: Corresponde a la orientación norte. Líneas verificadoras de escala: Indican la escala correcta en las dos direcciones. Si algunas de ellas no tiene 2cm, el uso del dial será incorrecto. Utilización del día solar: En primer lugar deberá seleccionarse el día correspondiente al lugar donde la obra se ubica en el país o al dial mas cercano a su latitud y fijarlo a la maqueta en estudio, la posición norte de esta última debe coincidir con la posición norte del dial. 3.3Fundamentos de Climatología. 3.3.1Atmósfera. Capa de gases y vapor de agua que envuelve el planeta Tierra. Los gases son capaces de retener energía solar en forma de calor lo que permite regular la temperatura del globo y hace posible la existencia de vida humana.La atmosfera puede dividirse en varias capas horizontales, delimitadas principalmente según la temperatura. La capa inferior de la atmósfera es la Tropósfera, la vida humana se desarrolla en esta capa que intercepta inferiormente a la superficie terrestre. En la Tropósfera se producen en mayor cantidad los fenómenos meteorológicos y turbulencias atmosféricas que afectan directamente a la corteza terrestre modelando su relieve, contiene prácticamente todo el vapor de agua y representa el 75% de la masa gaseosa de la atmosfera. La segunda capa mas importante es la Estratósfera, en donde se ubica la “capa de ozono”, encargada de absorber la mayor parte de las radiaciones ultravioletas que llegan a la Tierra, alrededor de un 18% en conjunto con el vapor de agua, por lo que es una importante reserva de calor. 3.3.2Clima. El tiempo es la condición atmosférica en un momento y lugar determinado. Los cambios que ocurren en los estados del tiempo se deben a la sucesión del día y la noche con las correspondientes variaciones diarias de temperatura, sucesión de las estaciones del año y otras perturbaciones. Para el estudio del clima se considera el promedio de una sucesión de estados de tiempo de aproximadamente 30 años, por lo cual el clima es el estado medio de la atmosfera sobre un lugar determinado. El clima es el contexto alrededor del cual se mueven los sistemas solares. Una vivienda ubicada en el norte de Chile tiene necesidades térmicas muy diferentes a una vivienda ubicada en el sur, una debe tener características de calefacción y otra de refrigeración. Para viviendas que se van a construir en una misma zona climática se deben considerar factores como la cantidad de radiación solar útil, días nublados, características del Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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viento, características de temperatura, y la humedad relativa media, para un adecuado diseño solar. 3.3.3Elementos del Clima. Los elementos del clima de un lugar que debemos considerar para el diseño de viviendas son: temperatura, humedad relativa, radiación solar, nubosidad y viento. Temperatura. La temperatura es el principal elemento utilizado para determinar los climas. Es responsable de la mayor parte de los fenómenos climáticos de evaporación y condensación que se producen en la atmósfera siendo el fenómeno mas significativo de este tipo la nubosidad. La temperatura del aire es la mayor o menor cantidad de calor que hay en la atmósfera. La principal fuente de calor de la atmósfera es el sol, la atmosfera atrapa la energía solar, deja pasar ciertas radiaciones solares y otras no, anula las radiaciones mortíferas y las transforma en rayos caloríficos beneficiosos para la vida. Del total de radiación solar de onda corta que entra en la superficie de la atmósfera, un 30% es reflejada al espacio por la misma atmosfera, las nubes y la tierra; el 70% restante calienta la atmósfera y la tierra. La tierra refleja como radiación de onda larga parte de la radiación que la calienta, parte de la radiación reflejada es retenida por la atmosfera al igual que la energía de la radiación solar que la calienta. Pero el calor que adquiere la atmósfera no solo es por radiación, también por convección mediante la elevación de corrientes de aire caliente a capas superiores de la atmósfera y por el descenso de capas frías hacia superficies calientes, y por conducción a través del contacto directo con las superficies calientes de la tierra. Es por eso que la temperatura del suelo tiene relación indirecta con la temperatura del aire, ya que puede traspasar calor al aire. La temperatura del suelo depende de la radiación solar que llegue a ella y otros factores involucrados en su calentamiento, como su capacidad calorífica y la conductividad térmica de los materiales que componen los distintos tipos de suelo. Humedad Relativa. Humedad atmosférica es la cantidad de agua o vapor por unidad de volumen de aire contenido en la atmósfera. La capacidad del aire de contener agua o vapor, sin producirse condensación, es limitada, por lo cual cuando el volumen de aire contiene el máximo valor posible, se dice que el aire esta saturado. La humedad relativa es el porcentaje de humedad que contiene una masa de aire, en relación con la capacidad máxima humedad que podría admitir. La temperatura del aire determina su capacidad para contener el vapor y para cada temperatura existe una capacidad máxima. Si la humedad relativa es de 100% y la temperatura desciende, se producirá rocío o lluvia; si la humedad relativa es baja las posibilidades de lluvia son menores.

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Nubosidad. La nubosidad es la presencia de nubes en el cielo. Las nubes son meteoros acuosos suspendidos por corrientes de aire, que se forman por el enfriamiento del aire, esto provoca condensación del vapor de agua presente en la atmósfera, transformándolo en partículas de hielo cuando su formación se produce a temperaturas inferiores a la de congelación, o en gotas visibles cuando la temperatura del aire es más cálida. Si la capa de nubes es suficientemente gruesa y densa, es una barrera importante para la penetración de la radiación, pudiendo reflejar aproximadamente un 20% (Sellers 1965), o sea, la cantidad de radiación reflejada depende de la cantidad de nubes, su grosor, su densidad y el tipo de nube, ya que el tipo de nube afecta la proporción de radiación incidente lo cual se denomina albedo. Además de reflejar radiación proveniente del espacio, las nubes retienen parte del calor emitido por la tierra como radiación de onda larga; su presencia hace disminuir la variación de temperatura diaria, evitando máximas de temperatura en el día y mínimas durante la noche y por lo cual las noches nubladas son mas calientes que las noches despejadas bajo condiciones similares. Viento. El viento es el movimiento atmosférico horizontal del aire en la tropósfera. El viento aporta a distribuir la temperatura y la humedad. El viento contribuye a distribuir la humedad, ya que cuando pasa sobre océanos y mares recoge humedad que pierde al pasar por la tierra. Favorece al desplazamiento de las temperaturas, ya que parte del calor de las zonas ecuatoriales de la tierra son distribuidas por el viento hacia las regiones frías o polares y parte del frío a las zonas ecuatoriales. Esto se produce por la tendencia de la atmósfera a distribuir por igual el calor que recibe desde la superficie terrestre o del océano y mar. Cuando una zona de la tierra se calienta, el aire que la cubre también, su volumen aumenta, su peso disminuye y genera un área de baja presión, el aire sube por su menor peso y por efecto de equilibrio el aire frío de las capas superiores de la troposfera baja transformándose en vientos cerca de la superficie terrestre. La dirección de los vientos es siempre de las altas a las bajas presiones, y en general de oeste a este, debido a la rotación de la Tierra. Los principales tipos de vientos son los vientos planetarios, continentales, ciclónicos y locales. Los vientos locales son generados por brisas térmicas que se deben a la existencia de dos zonas colindantes, pero con temperaturas notablemente contrastadas, como la tierra y el mar o las cumbres de las montañas y los valles. Las brisas marinas se caracterizan porque la tierra, durante el día se comporta como zona cálida y el aire sube dejando lugar al aire más frío del mar, por lo cual el aire circula del mar a la tierra. Por la noche la zona más cálida es el mar y por lo tanto cerca de la superficie terrestre el aire circula de la tierra al mar. La cima de las montañas durante el día se comporta como zona cálida y el aire sube dejando lugar al aire más frío del valle Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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y cerca de la superficie terrestre el aire circula del valle a la cima. Por la noche la zona más cálida es el valle, y el aire circula de la cima al valle. 3.3.4Factores Modificadores del Clima. Latitud. Paralelos de Latitud es el perímetro formado por la intersección de la esfera terrestre con un plano imaginario perpendicular al eje de rotación de la Tierra. El paralelo 0° se le llama al ecuador terrestre. Latitud es la distancia angular entre un punto de la superficie de la Tierra y el ecuador. Al sur del ecuador se considera latitud (L) negativa, de 0° a -90°, y al norte positiva, de 0° a +90°. La importancia de la latitud como factor del clima es que determina la incidencia de los rayos solares sobre la tierra, los cuales influyen en la temperatura en conjunto con otros factores térmicos y las condiciones del cielo. Cuanto más directamente incide la radiación solar a la tierra, más calor aporta, pero la incidencia se va modificando por la curvatura de la Tierra, al irse alejando del ecuador la distancia entre los rayos solares va aumentando hasta ser tangenciales en el punto norte y sur de los polos. Eso provoca que en los lugares que se encuentran a elevadas latitudes (lejos del ecuador) reciban menos luz solar que los lugares en bajas latitudes (cerca del ecuador) dando origen a climas fríos. La mayoría de la luz solar la recibe el ecuador, los rayos inciden a una distancia menor uno del otro y son perpendiculares al plano, esto hace que esta sea un área muy caliente. Altitud solar. En astronomía la altitud solar es el ángulo que forma el rayo solar con el plano horizontal, medido en un plano perpendicular a este último. Los factores que determinan esta altitud son la latitud del lugar, el momento del día y la estación del año. A mayor altitud solar, mayor concentración de radiación solar por unidad de superficie terrestre y más corto es el camino que recorre el rayo para atravesar la atmosfera, lo cual aumenta la absorción de radiación solar de la tierra. El sol alcanza mayor altitud a mediodía en el solsticio de verano y la menor altitud el solsticio de invierno. Para calcular la altitud en grados, se puede usar la ecuación (3.12): Sen α= sen L*sen D+cos L*cos D*cos H

(3.12)

α= altitud (°) L=latitud (°) D=declinación (°) H=ángulo de hora solar

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Altitud. En geografía y meteorología la altitud es la distancia vertical a un origen determinado (nivel cero), que generalmente es el nivel medio del mar. La altitud afecta en gran medida el clima de un lugar, porque al aumentar este factor disminuye la temperatura de la atmosfera, por eso los lugares más altos tiene temperatura menor que otros lugares en igual latitud, pero con menor altura. Se estima que la temperatura disminuye aproximadamente 1 ºC cada 180 m. Relieve. El relieve es la forma superficial de la tierra, es un factor influyente en el clima de un lugar, determina las corrientes de aire, la radiación solar, la vegetación, humedad, etcétera. La orientación del relieve es la dirección de las superficies con pendiente, lo cual determina a escala local la cantidad de radiación recibida, por ejemplo, al sur del Trópico de Capricornio las laderas orientadas al norte recibirán mayor radiación que las orientadas al sur. La orientación del relieve con respecto a la incidencia de los vientos dominantes también determina la existencia de dos tipos de laderas: barlovento, que son aquellas laderas con la misma orientación que los vientos dominantes, y de sotavento, con orientación contraria al barlovento. Los lugares a grandes alturas tienen una masa de aire menor, por lo cual reciben mayor radiación solar directa en días despejados que lugares más cercanos al nivel del mar. Pero además se producen mayores pérdidas de radiación reflejada por la tierra, ya que esta pasa más fácilmente por la masa de aire que es de menor densidad. Es por eso que la temperatura y las masas de aire son mas frías, este fenómeno en que a mayor altura menor temperatura se la llama variación del gradiente térmico vertical. Los valles o superficies planas tienen máxima exposición a los vientos, en cambio las montañas son una barrera a los vientos y a la humedad que podría llegar con ellos, por ejemplo desde el mar. A este fenómeno se le puede llamar efecto barrera, por causa del relieve el aire frío asciende en altura, lo que produce pérdida de temperatura y aumento de la humedad relativa hasta saturarse y hacer que llueva. Las montañas también son responsables del efecto contrario, una vez que el aire se ha secado, pasa la cima de la montaña y desciende por la ladera contraria provocando vientos fuertes, secos y cálidos.Es común que las montañas tengan un lado yermo y el otro cubierto de vegetación, esto porque las montañas generan dos zonas de exposición a la radiación, dependiendo de la orientación y de la conformación de sus elevaciones, originando dos zonas o microclimas, una en barlovento y otra en sotavento, de diferente temperatura, duración de la luz solar directa y con diferencias de presión de aire; asimismo la vegetación también será afectada por la luz solar recibida, la humedad y el viento. En resumen, lo ideal para obtener mayor radiación solar es que el relieve del terreno tenga orientación norte y en una ladera con ángulo de inclinación cercana a los 45°. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Proporción tierra agua. La proporción tierra y agua es la relación entre los cuerpos de agua y la tierra firme de un lugar. Grandes masas de agua como océanos, golfos, lagos y lagunas producen una serie de fenómenos climáticos como la brisa y la disminución de oscilación térmica, además el agua incrementa la humedad del aire. El agua almacena gran parte del calor que recibe, la tierra, en cambio lo devuelve rápidamente a la atmósfera. Una gran proporción de la radiación que llega a la tierra se refleja sin calentarla, eso depende principalmente del tipo del suelo y la superficie. La transmisión de calor por el suelo se produce casi en su totalidad por conducción y el grado de conductividad depende del contenido de humedad y la porosidad de cada suelo. La arena, turba y arcilla absorben más a menos calor respectivamente. La superficie marina refleja muy poco, excepto si el ángulo de incidencia de los rayos solares es grande, el mar puede absorber más de un 90% de la radiación incidente lo cual también depende de su transparencia ya que el 20% de la radiación penetra hasta nueve metros de profundidad en el agua marina. Se presenta tabla 3.3 con el tipo de superficie y el respectivo albedo (% de radiación reflejada por una superficie).

Tabla 3.3. Tipo de superficie y respectivo albedo. Tipo de superficie Aguas calmadas, con altitud angular del sol superior a 60° Aguas calmadas, con altitud angular del sol de 15° Superficie de tierra Bosque Hierba Ciudades Desierto de arena Nieve Nieve sobre superficies con vegetación

Albedo (%) 2a3% + de 50% 8 a 40% 9 a 18% 25% 14 a 18% 30% Hasta 90% 30 a 50%

Las características de calentamiento de la tierra y el agua también dependen de sus calores específicos. El calor específico del agua es mucho mayor que el de la mayoría de las sustancias, por lo que el agua debe absorber cinco veces mas energía calórica para subir su temperatura en al misma medida que una masa de suelo seco. La situación es inversa cuando se enfría el agua, ya que entonces se libera una gran cantidad de calor. Por los motivos expuestos los océanos almacenan gran cantidad del calor mundial y la evaporación de su agua implica un gran gasto de calor, ya que se requiere mucha energía para evaporar. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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La diferencia en los calores específicos provoca que la capa térmica de la tierra se caliente y enfríe mucho más rápido que los océanos, los cuales tienen tres capas térmicas. El desfase entre los periodos de temperaturas superficiales máximas y mínimas en la tierra es de un mes y del océano es de dos meses. Las oscilaciones anuales y diurnas de temperatura son menores en localidades cercanas a los océanos que en localidades lejanas a las grandes masas, además la lejanía dificulta que llegue aire húmedo hasta esas localidades e implica un descenso de las precipitaciones provocadas por evaporación de agua. 3.3.5Tipos de Clima. Clasificación de las escalas climáticas. Las escalas climáticas son el orden en cuanto a extensión superficial que se da al clima, según Arlery, pueden ser agrupados en: a) Macroclimatología: para superficies mayores a 2.000km².La provincia de Cautín, región de la Araucanía tiene una superficie de 13.433,3km², por lo cual se encontraría dentro de esta clasificación. b) Mesoclimas: Se encuentran entre los 200 y 2.000km².Temuco tiene una superficie de 464 km², por lo cual se encontraría se podría clasificar como un mesoclima. c) Climas locales: conjunto de áreas más pequeñas que presentan rasgos climáticos similares, pero con diferencias importantes producto de la altitud, orientación, tipo de cubierta vegetal y proximidad y lejanía del mar. d) Microclimatología: espacios más reducidos cuyos rasgos están determinados por factores del entorno próximo, cuyo clima puede ser modificado por factores específicos Para el diseño de sistemas solares es necesario conocer las condiciones climáticas en al menos dos escalas climáticas. La macroclimatológica y la microclimatológica. El diseño se debe enfocar en ambos niveles, pudiendo modificar factores microclimatológicos y adaptarse a las condiciones macroclimatológicas. Clima Urbano. La ciudad es una zona urbana que puede cambiar las condiciones climáticas y ambientales del entorno. El clima urbano es aquel que se genera en una ciudad, pero comparándolo con el clima próximo o regional. Se puede decir que el clima urbano tiene como base el clima regional (macroclima o mesoclima), pero ese clima es modificado por factores urbanos.

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Figura 3.9.Capa límite y Dosel urbano.

a) La capa límite es una capa de aire turbulento y generalmente contaminado generada por el calentamiento del aire en contacto con el suelo y la altura de los edificios. b) Dosel urbano es el espacio entre el suelo y la cubierta de los edificios. En este sector se entrelazan diferenciados microclimas producidos en espacios reducidos en los cuales los principales elementos modificados son las temperaturas y el viento. Las características de las modificaciones difieren en función de la ciudad y los distintos elementos que la componen como el tipo de red vial, densidad y tipo y materialidad de edificaciones. Las variables afectadas por el clima urbano son: a) Temperatura: se ve aumentada entre 0,5°C y 1°C, tiene una distribución espacial según la densidad de las edificaciones y el uso de suelo, la distribución térmica es de tipo concéntrica disminuyendo generalmente del centro hacia la periferia. b) Radiación solar directa: disminuye debido a la polución y a las sombras creadas por los edificios, como estos factores son muy diferentes en cada ciudad no se tienen valores representativos. c) Iluminación disminuye por la altura de los edificios y anchura de calles, el descenso también es muy variable entre un 50% a un 92%. d) Humedad, precipitaciones y viento: por lo general el viento disminuye entre un 20% y 30%, la humedad disminuye aproximadamente un 6% y las precipitaciones aumentan entre 5% y 10%.Los porcentajes indicados fueron determinados comparando con áreas rurales próximas y según Landsberg.

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3.3.6Clasificación Climática de Temuco. Macroclima. Según la Dirección Meteorológica de chile, el clima de la región desde los 38°S se clasifica como “Clima templado lluvioso con influencia mediterránea”, por la influencia oceánica, las amplitudes térmicas y precipitaciones durante todo el año, siendo estas dos ultimas las principales características de Temuco. Según la clasificación de Köppen el clima se puede describir como “Clima Templado Lluvioso, con corta estación de sequía”. Se presenta la descripción de los elementos que determinan el clima según las mediciones realizadas en la Estación Meteorológica de la Universidad Católica de Temuco, desde 1981 a la fecha. Elementos climáticos de Temuco. Temperatura del aire. Temuco presenta marcadas oscilaciones de temperatura con diferencias de unos 9°C entre Enero y Julio, para la temperatura media. Oscilación de las máximas medias de13°C y de 6°C para las mínimas medias. Las extremas absolutas (1981 a 1998) varían entre -5 °C (junio) y 37 °C (febrero). En resumen: el clima de Temuco presenta marcadas variaciones estacionales definiéndose meses fríos, templados y cálidos.

Figura 3.10. Temperaturas máximas, mínimas y medias para Temuco desde el año 1981.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Se presenta tabla 3.4, con los valores de las temperaturas medias mensuales año 2007, medidas con termómetro electrónico, para Temuco. Según anuario climatológico preparado por la Universidad Católica de Temuco.

Tabla 3.4. Temperaturas medias mensuales, año 2007 y promedio del periodo 19812006.

Humedad Relativa. La humedad del aire también presenta una variación anual. Todos los meses del año tienen humedad media mensual mayor al 50%. La tabla 3.5 incluye los porcentajes de humedad relativa para el año 2007 y el promedio (vr) del año 1981 al 2006, medida con Higrómetro Electrónico.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Tabla 3.5. Humedad relativa media mensual, año 2007 y promedio del periodo 19812006.

v.r. : promedio del período 1981-2006. UCT. vn: promedio del periodo 1966-1977. Radiación Solar. En la figura 3.10 se presenta la radiación global media diaria mensual, para el período 1992 a 1998. Se observa una marcada oscilación anual entre unos 700 MJ/m2 , en Diciembre y Enero, y unos 100 MJ/m2 en junio.

Figura 3.11. Radiación integrada media mensual, periodo 1992-1998.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

La irradianza muestra marcadas variaciones durante el año. En efecto, mientras en Enero la irradianza media alcanza a unos 800 W/m2 al mediodía, en Junio a la misma hora, alcanza sólo a unos 200 W/m2.

Figura 3.12. Irradianza media mensual, año 2007.

En la tabla 3.6 se presenta la radiación global integrada mensual e irradianza media diaria para el año 2007, medidas con piranómetro de celda. (rango: 400 a 1100nm).

Tabla 3.6. Radiación global integrada mensual e irradianza media diaria para el año 2007

Nubosidad. Tabla 3.7. Valores mensuales de duración (hrs) de insolación.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Viento. En Temuco se destaca el predominio de las direcciones con componente Oeste.

Factores climáticos de Temuco. a) Latitud: La latitud de la ciudad de Temuco es de 38°44´. b) Altitud solar: Como se ha mencionado en el capítulo 3.3.4, la altitud solar depende de muchos factores por lo cual no es posible determinarla como un valor único. c) Altitud: la altitud sobre el nivel del mar es de 110 metros. d) Relieve: La ciudad se encuentra en la depresión intermedia y esta rodeada por los cerros Ñielol y Conun – Huenu. e) Proporción tierra agua: Temuco se encuentra en la depresión intermedia por lo cual su clima no es afectado directamente por la presencia oceánica. Microclima. Dentro de la ciudad de Temuco existen muchos microclimas, dependiendo de la ubicación en la que nos encontremos. Si estamos en el centro de la ciudad, existen 2 zonas con mayor densidad de edificios de altura, en esas zonas estamos en presencia de un clima urbano, las edificaciones disminuyen por sombreamiento la recepción de radiación solar directa, pero la temperatura puede aumentar por la disminución en la velocidad del viento y la radiación emitida por pavimentos y edificios. En sectores altos como Pedro De Valdivia y dependiendo de la orientación se pueden generar microclimas con radiación y velocidades del viento mayor o menor que la media para Temuco. En zonas planas y menos densas la principal ventaja para la aplicación de un sistema solar es que la radiación solar directa tiene menores posibilidades de ser obstaculizada por sombreamiento tanto de edificios como de cerros, además los sitios pueden ser mas amplios lo que facilita un adecuado emplazamiento de la vivienda y la posibilidad de generar pequeños microclimas en el sitio, lo cual también puede colaborar al bienestar térmico de la vivienda. 3.4Fundamentos de Transferencia de Calor. 3.4.1Temperatura y Calor. La temperatura es la medida de la energía cinética o de movimiento de las moléculas, es una propiedad de la materia, a mayor movimiento de las moléculas de un cuerpo, mayor temperatura. Si un cuerpo tiene mayor temperatura se dice que esta caliente y si posee menor temperatura se dice que esta frío. La diferencia de temperatura entre cuerpos produce intercambio de energía entre ellos, esa energía en transición se denomina calor. El calor se mueve del cuerpo mas caliente al más frío.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Si a un cuerpo se le aporta o quita calor, su temperatura aumenta o disminuye, la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para cambiar su temperatura se le llama capacidad calorífica, a mayor capacidad calorífica de un cuerpo, mayor dificultad para calentarlo. A la capacidad de los materiales de absorber y entregar calor se le llama inercia térmica. Viviendas con escasa inercia térmica tendrán variaciones bruscas de temperatura en el interior, ya que reaccionan rápidamente a la radiación solar, calentándose, pero en ausencia de radiación solar se enfrían más rápido. En viviendas con gran inercia térmica, la radiación solar no provocará una subida rápida de la temperatura, el calor se está almacenando y se libera lentamente durante la noche cuando las temperaturas son inferiores; además, las variaciones de temperatura se amortiguan, no alcanzando valores tan extremos. En este proceso se producen dos fenómenos: el retardo en el paso de las temperaturas y la amortiguación en la variación interior de la temperatura en comparación con el exterior. El calor específico es la capacidad de un cuerpo para almacenar calor y más específicamente, la cantidad de calor que se debe suministrar a 1kg de material para que su temperatura se eleve en 1°C.

Tabla 3.8. Materiales de construcción y sus características físico térmicas.

Material Agua Madera de Roble Madera de Pino Ladrillo Hormigón Poliestireno expandido Fibra de vidrio Aire

Calor específico Kcal/Kg°C

Capacidad calorífica Kcal/m³°C

Densidad Conductividad Kg/ m³ k (W/m°C)

1 0,57 0,6 0,2 0,16 0,4

1000 430 384 400 350 10

1000 750 640 2000 2300 25

0,640 0,157 0,104 0,645 0,500 0,0395

0,19 0,24

2,8 0,29

15 1,2

0,558 0,0275

Mecanismos de transferencia de calor. La transferencia de calor se realiza a través de tres mecanismos, las cuales generalmente se producen simultáneamente siendo difícil determinar el aporte de cada mecanismo a la transmisión de calor entre un muro y el ambiente. Conducción: paso de calor por contacto físico directo entre dos sistemas o cuerpos, la conducción tiende a igualar la temperatura de los cuerpos en contacto, traspasando el flujo de calor desde la región más cálida a la más fría. En un muro se produce cuando Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

el calor viaja de una capa de temperatura más alta del muro a una capa de temperatura inferior, producto del contacto directo entre las moléculas del material. qk= ∆T/Rk

(3.13)

qk: flujo de calor por conducción(W) Rk: resistencia térmica por conducción=∆x/(k*A) A : área perpendicular al flujo de calor(m²) k : conductividad térmica(W/m°C) En la tabla 3.8 se presentan algunos valores de k. Los materiales con alta conductividad térmica, son aquellos que facilitan el flujo de calor por conducción, por lo que son buenos conductores y malos aisladores térmicos. En construcción de viviendas los aislantes apropiados mas usados son el aire estático, el poliestireno expandido y la lana mineral. Para impedir el flujo de calor a través de un muro se debe aumentar su resistencia térmica por conducción, lo cual se puede lograr aumentando su espesor y agregando material aislante. Convección: paso de calor por desplazamiento de fluido, sea agua o aire. La convección natural es cuando el fluido se calienta, aumenta su volumen y como consecuencia su densidad varia, esta diferencia de densidad produce el desplazamiento. La convección forzada es cuando el desplazamiento se produce por la impulsión de una bomba o ventilador. Convección mixta es cuando se superponen las fuerzas que producen la convección natural y la forzada. Por ejemplo, se produce convección cuando el aire de un ambiente está en contacto con un muro el cual tiene distinta temperatura que el aire. Si el muro esta más frío que el aire al interior de una habitación, se producirá paso de calor del aire al muro por lo que el aire próximo al muro se enfriará, aumentará su densidad y peso, y descenderá; el muro contrario recibe mayor radiación solar por lo que esta más caliente, traspasando ese calor al aire, el cual se hace mas liviano y asciende.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Figura 3.13. Convección en muros de una habitación.

qc = (Ts –Tf) Rc

(3.13)

qc: flujo de calor por convección(W) Ts: temperatura de la superficie (°C) Tf: temperatura del fluido (°C) Rc: resistencia térmica por convección (°C/W)=1/(hc*A) hc: coeficiente de transferencia de calor por convección(W/m²°C) En la ecuación 3.13, se aprecia el uso indirecto del coeficiente de transferencia de calor para el cálculo de convección, este coeficiente es el parámetro que relaciona el flujo del calor entre una superficie y el ambiente como función lineal de la diferencia de temperatura superficie aire. Para el cálculo simplificado del coeficiente h, se utiliza la dirección del flujo del calor y la velocidad del aire, el último referido a ambientes interiores con aire casi en reposo y ambientes exteriores con viento a velocidad en torno a los 8km/h. No se consideran otros factores que influyen en el proceso físico de transmisión de calor, por tratarse de un cálculo aproximado. En la práctica se utiliza como coeficiente de resistencia térmica superficial el recíproco del coeficiente de transferencia de calor por convección. En superficies exteriores Rse = 1/he y para interiores Rsi = 1/hi.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Tabla 3.9. Resistencias Térmicas Superficiales. Resistencias Térmicas Superficiales (m2°C/W)) Inclinación Sentido del Elementos exteriores Elementos interiores de flujo del 1/hi + 1/hi + elementos calor 1/hi 1/he 1/he 1/hi=1/he 1/he 0,17 0,12 0,24 Horizontal 0,12 0,05 0,12 0,05 0,17 0,12 0,24 Verticales 0,12 0,05 0,17 0,12 0,24 0,12 0,05 0,17 0,12 0,24 0,14 0,1 0,34 Ascendente 0,09 0,05 Horizontales 0,09 0,05 0,14 0,1 0,34 o ligeramente 0,09 0,05 0,14 0,1 0,34 inclinados 0,09 0,05 0,14 0,1 0,34 Descendente 0,17 0,05 0,22 0,17 0,34 0,17 0,05 0,22 0,17 0,34 Horizontales 0,17 0,05 0,22 0,17 0,34 0,17 0,05 0,22 0,17 0,34

Radiación: paso del calor a través de ondas electromagnéticas, sin necesidad de medio para transmitirse. Se denomina emisividad a la cantidad de calor emitida por unidad de superficie y por unidad de tiempo, en una dirección dada. El coeficiente de emisividad es la relación entre el poder emisivo de un cuerpo cualquiera y un cuerpo negro, este valor va del cero al uno. Se considera que un “cuerpo negro“ es un emisor de energía ideal por que su coeficiente de emisividad es uno. La cantidad de energía que emite depende de su temperatura. La energía radiante emitida por un “cuerpo negro” se determina a través de la ecuación 3.14.

qr negro=σ * (T)˄4

(3.14)

qr negro: Energía radiante emitida por un cuerpo negro (W/m²) σ: constante = 5,6699 * (10)˄-8 T: temperatura absoluta de la superficie (°C).

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Un cuerpo real emite menos energía que uno ideal, por lo cual de presenta la ecuación (3.15) para calcular la emisividad. De la cual se obtiene que la emisividad de un cuerpo es el cociente entre la energía radiante emitida por un cuerpo real y la energía radiante emitida por un cuerpo negro.

ε = qr real / qr negro

(3.15)

De la ecuación anterior se despeja el valor de la energía radiante emitida por un cuerpo real, obteniendo la ecuación 3.16.

qr real = ε * σ * (T)٨4

(3.16)

La energía radiante que llega a un cuerpo puede ser absorbida, reflejada o transmitida, de lo cual nace la primera ley de termodinámica: energía absorbida, más energía transmitida más energía reflejada es igual a la unidad. En un muro se produce transmisión de calor por radiación cuando intercambia calor con el entorno mediante absorción y emisión (emisividad) de energía por ondas electromagnéticas. En una vivienda puede haber intercambio de calor radiante entre una persona y los muros de la habitación, o por ejemplo, entre la vivienda y las nubes, aunque el intercambio de calor generalmente es mínimo. El vidrio, policarbonato, acrílico y poliéster son materiales de construcción que también reaccionan a la radiación. El vidrio permite pasar gran porcentaje de energía radiante solar de onda corta e impide el paso de la radiación de onda larga emitida por los cuerpos. Los plásticos mencionados permiten el paso de la radiación ultravioleta e infrarrojo. Coeficiente de Transferencia de Calor.

U=

1 (Rt *1)

(3.17)

U: Coeficiente de transferencia de calor (W/m²°C). Rt: resistencia térmica total, correspondiente a la suma de las resistencias parciales por conducción y convección (m²°C/W). En un muro, el aire le entrega calor por convección, lo atraviesa por conducción y posteriormente el muro trasmitirá el calor por convección, en cada una de estas etapas existirá una resistencia al traspaso de calor, esa resistencia se observa en la figura 3.14. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Figura 3.14. Resistencia térmica a través de un muro.

Tabla 3.10. Resistencia de materiales por m² de área de intercambio. MATERIAL R(m2°C/W) OBSERVACIÓN Madera 0,07 Para 1cm de longitud Ladrillo 0,014 Para 1cm de longitud Hormigón normal 0,0061 Para 1cm de longitud Yeso Cartón 0,038 Para 1cm de longitud Fibro cemento 0,00016 Para 1cm de longitud Poliuretano 0,243 Para 1cm de longitud Poliestireno 0,243 Para 1cm de longitud Poliestireno 0,243 Para 1cm de longitud Poliestireno 0,243 Para 1cm de longitud Vidrio de ventana simple 0,15380 1 hoja Vidrio de ventana simple 0,15380 1 hoja Vidrio de ventana simple 0,15380 1 hoja Vidrio de ventana simple 0,15630 1 hoja Vidrio de ventana simple 0,15630 1 hoja Vidrio de ventana simple 0,15630 1 hoja Vidrio de ventana simple 0,15870 1 hoja Vidrio de ventana simple 0,15870 1 hoja Doble vidriado hermético(DVH) 0,32200 3mm,10mm,3mm Doble vidriado hermético(DVH) 0,32200 5mm,10mm,5mm Doble vidriado hermético(DVH) 0,32200 6mm,10mm,6mm Doble vidriado hermético(DVH) 0,33000 3mm,12mm,3mm Doble vidriado hermético(DVH) 0,33000 4mm,12mm,4mm Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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MATERIAL Doble vidriado hermético(DVH) Doble vidriado hermético(DVH) DVH, baja emisividad

R(m2°C/W) OBSERVACIÓN 0,33000 5mm,12mm,5mm 0,33000 6mm,12mm,6mm 0,6670 Con gas, no disponible 1,0000 en chile 0,0001 Para 1cm de longitud 0,096 Para 1cm de longitud 0,00437 0,000066 0,000066 Para 1cm de longitud

DVH, baja emisividad+ gas Enlucido de yeso Terciado Marco ventana de pvc Marco ventana de aluminio Estuco

Resistencia térmica de cámaras de aire. La transmisión de calor a través de una cámara de aire es similar a la suma de las resistencias superficiales de las dos superficies interiores enfrentadas, siendo prácticamente proporcional a la diferencia de sus temperaturas, aunque a los procesos de convección natural y radiación se le suma la conducción a través del aire y el efecto de la convección confinada en un espacio cerrado. Para cámaras de aire continuas de materiales constructivos comunes (emisividad alta) se presentan los valores de resistencia térmica en la cámara de aire. Los valores de resistencia térmica se incorporan como una resistencia en serie mas para el cálculo de resistencia térmica total.

Tabla 3.11. Resistencia térmica en la cámara de aire en m2h°C/Kcal (m2°C/W). Situación de la cámara y dirección del flujo del calor Cámara de aire vertical y flujo horizontal Cámara de aire horizontal y flujo ascendente Cámara de aire horizontal y flujo descendente

Espesor de la cámara (mm) 10 20 50 0,16 0,19 0,21

100 100 0,2 0,19

(0,14) (0,16) (0,18) (0,17) (0,16) 0,16 0,17 0,19 0,19 0,19 (0,14) (0,15) (0,16) (0,16) (0,16) 0,17 0,21 0,24 0,24 0,24 (0,15) (0,18) (0,21) (0,21) (0,21)

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3.5Requerimiento de Calefacción. Para calcular el aporte suficiente de un sistema solar es necesario calcular los requerimientos de calefacción que debe suplir el sistema. Para eso se deben determinar las pérdidas de calor de la vivienda o de la habitación al medio ambiente, las que pueden ser a través de muros, techos, ventanas, infiltraciones y piso. La calefacción es necesaria para temperaturas inferiores a 18,3°C la cual se toma como temperatura de referencia. El grado promedio diario bajo esa temperatura es llamado grado día (GD), el cual se usa para cálculos de calefacción. La calefacción requerida es toda la pérdida de temperatura en función del GD. El cálculo de requerimiento de calefacción se desarrolla en el capítulo 7.

Tabla 3.12. GD de Temuco MES GDM(18,3°C) ENERO 89 FEBRERO 85 MARZO 131 ABRIL 196 MAYO 263 JUNIO 313 JULIO 330 AGOSTO 317 SEPTIEMBRE 261 OCTUBRE 217 NOVIEMBRE 162 DICIEMBRE 118

3.6Fundamentos de Bienestar Térmico. 3.6.1Bienestar Térmico en el Ser Humano. Según ASHRAE, el bienestar es definido como aquellas condiciones en que la mente expresa satisfacción del ambiente térmico. Esta afirmación trae implicito que el bienestar térmico viene del equilibrio energético entre el cuerpo humano y su entorno. Al equilibrio se le debe sumar un adecuado funcionamiento del mecanismo de autorregulación térmica del organismo humano, que se encarga de mantener una temperatura interior entre 36,5°C y 37°C. Los tres factores que controlan la producción de energía en el cuerpo humano y su intercambio con el exterior son: el metabolismo, la evaporación del agua de los pulmones o de la piel y el intercambio térmico entre el cuerpo y el ambiente que lo Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

rodea. Este último se produce por diferencias de calor con el entorno. El cuerpo intercambia calor por conducción a través de los pies o partes del cuerpo en contacto con superficies de apoyo; por convección al aire ambiente y por evaporación; por radiación ya que el cuerpo irradia calor a las superficies que lo rodean y además recibe de las superficies calor por radiación. En conclusión, la temperatura que el cuerpo humano siente (temperatura efectiva) depende de la temperatura ambiente y de la temperatura de las superficies que lo rodean. Lo mencionado se observa en la figura 3.15.

Figura 3.15. Intercambios térmicos del ser humano con el exterior.

Te = (Ta + Ts)/2

(3.18)

Te: temperatura efectiva (°C). Ta: temperatura del aire ambiente (°C). Ts: temperatura de la superficie que rodea al cuerpo (°C). Para distintas temperaturas efectivas las sensaciones y respuestas físicas son diferentes. Se considera que a los 25°C la sensación térmica es neutral, la sensación de bienestar es cómoda y físicamente existe regulación vascular, por lo cual se puede tomar esa temperatura como efectiva y de la ecuación 3.18 se puede obtener la temperatura necesaria del aire ambiente para lograr el bienestar.

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Se debe considerar que la humedad relativa también influye en la sensación de bienestar térmico, por ejemplo, si la humedad relativa es baja se soportan temperaturas mayores manteniendo sensación de bienestar térmico, pero para mantener el bienestar si la humedad relativa es muy alta, la temperatura debe ser baja. 3.6.2Bienestar Térmico en Edificación. Para conseguir el bienestar térmico el hombre se ha adaptado a las condiciones climáticas impuestas y a las sensaciones de su organismo, para su adaptación ha debido modificar las condiciones del entorno a través de la vestimenta y principalmente de la vivienda. La temperatura de la vivienda se debe mantener en el rango de 17 y 24°C para ofrecer condiciones de bienestar térmico al cuerpo humano. La envolvente de la vivienda tiene un papel importante en el bienestar térmico que pueda producir dicha edificación. Una envolvente sin aislación térmica requiere una alta temperatura de calefacción, consecuentemente el habitante tendrá sensaciones de bochorno, resfríos por cambios de temperatura y alto costo en calefacción. El uso adecuado de aislante térmico en la envolvente implica mayor temperatura de la superficie interior, por lo que se requerirá menor temperatura del aire y como consecuencia menor necesidad de calefacción. 3.6.3Factores determinantes del Bienestar Térmico. La sensación de bienestar térmico depende de una serie de factores, la variación de cada factor determina como se percibe el ambiente. Los factores son: a) Factores físicos como la temperatura del aire, la humedad, la velocidad del aire y el entorno radiante. b) Factores circunstanciales como la actividad, la vestimenta y el tiempo de permanencia en el ambiente. c) Factores fisiológicos como la edad, el sexo y otras características de las personas. d) Factores psicológicos y sociológicos como las expectativas, la condición social y la nacionalidad.

A continuación se explicarán con más detalles los factores físicos, ya que estos son los de mayor relevancia para el presente estudio. Temperatura del aire. Es el factor que influye más directamente sobre el bienestar térmico, pero es insuficiente para explicar la sensación térmica en un lugar determinado.Cuando la temperatura del aire esta bajo de la temperatura de la piel (promedio 33ºC) se produce transferencia de calor por convección desde la piel hacia el aire. En caso contrario el Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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aire transfiere calor hacia la piel, lo cual ocurriría si la temperatura del aire fuera mayor a la de la piel, o sea, muy elevado lo que produciría malestar térmico. Humedad. La humedad regula la eficacia de la evaporación del sudor, tanto en la piel como en los pulmones y vías respiratorias, condicionando la disipación del calor del cuerpo. Es por ello que desempeña un importante papel a altas temperaturas en donde la sudoración es el mecanismo más importante de enfriamiento. La humedad que se considera necesaria para obtener bienestar térmico se encuentra aproximadamente entre 30% y 60%, sobre ese valor y especialmente sobre el 80% de humedad relativa (HR) el malestar se acrecienta ya que se produce sudoración, pero no evaporación. Se presenta tabla de sensación térmica en función de humedad relativa del aire. Tabla 3.13. Sensación térmica en función de humedad relativa del aire. Temperatura °C 20 25 30 35 40

30 20 25 30 35 40

50 21,1 26,7 32,2 38,8 45,0

Humedad relativa en % 70 80 90 22,2 22,8 23,4 27,8 28,9 30,0 35,0 37,2 37,8 42,2 44,4 46,7 50,0

100 23,9 31,1 39,4 48,9

Velocidad del Aire. La velocidad del aire aumenta la disipación de energía acelerando la evaporación o por convección si la temperatura de la piel es inferior a la del aire, pero a temperaturas mayores a 40°C el aire aumenta la sensación de calor. Al construir una vivienda se debe considerar que el viento entra por las zonas de alta presión y sale por las de baja presión. Las zonas de alta presión son aquellas donde pega el viento y las de baja presión las caras laterales y posteriores al choque del viento. Además la velocidad del viento al interior de la vivienda aumenta cuando la abertura de entrada es más pequeña que la de salida. En climas regularmente húmedos (HR entre 50 y 80%) la capa límite, que es la capa de aire próxima a la piel, se puede saturar por la evaporación del sudor, requiriéndose su sustitución por aire no saturado para mantener la eficacia de la evaporación, la sustitución se logra con el roce del aire a velocidades suficientes. En ambientes muy secos (HR80%) la velocidad del aire presenta poca incidencia en el proceso evaporativo. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Entorno Radiante. Los objetos fríos o calientes que rodean al ser humano, afectan la sensación térmica. Porque absorben o emiten radiación electromagnética que al llegar a la piel se convierte en calor, activando la sensación térmica. En ambientes protegidos del sol la temperatura radiante tiende a parecerse a la del aire pues las superficies de los objetos tienden a igualar su temperatura con la del aire. Contrariamente, en un entorno de objetos calentados por el sol la temperatura radiante media puede alcanzar valores muy superiores a la temperatura del aire, lo que puede traer como consecuencia malestar térmico. 3.7Clasificación del Muro Trombe como Sistema Solar. 3.7.1Arquitectura Bioclimática. Es aquella que incorpora como pautas de diseño la climatización e iluminación de los espacios a habitar por el ser humano, aprovechando energías no convencionales en la actualidad, como la solar, eólica, biomasa, etcétera, incorporando para el diseño el viento, el agua, la tierra, la vegetación, otros elementos constructivos tradicionales como la madera y el hormigón, y además el sol. Se le llama arquitectura solar a aquella que incorpora de manera primordial el sol en los diseños. La arquitectura bioclimática se divide en tres sistemas que mediante diferentes técnicas constructivas permiten acondicionar los ambientes: a) Sistema Pasivo: según la International Solar Energy Society, son aquellos sistemas diferentes a los activos. Solo este sistema se especificará para el presente estudio. b) Sistema Activo: sistemas formados por colectores planos o concentradores que necesitan otros componentes (mecánicos) para funcionar. c) Sistemas Mixtos: aquellos que incorporan ambos sistemas. De la relación de los fenómenos naturales terrestres y extraterrestres se pueden clasificar los sistemas de aprovechamiento solar en: a) Sistema indirecto: se utilizan los hidrocarburos, minerales e hidroelectricidad. b) Sistema directo: se utiliza la energía fotoquímica, fotovoltaica y fototérmica. Para el presente estudio solo se caracterizará el sistema directo con energía fototérmica. La energía fototérmica es la que transforma la luz en calor. Se puede clasificar en energía de baja, media y alta temperatura. La baja temperatura es hasta 90°C y se utiliza en sistemas solares activos y pasivos. Los sistemas solares están compuestos por cinco elementos, el colector, absorbedor, acumulador, control y distribución, los cuales se detallarán en el capítulo 4. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

3.7.2Sistema Solar Pasivo. Los sistemas pasivos forman parte del edificio, o sea, se deben considerar en el diseño arquitectónico, se construyen con materiales y elementos clásicos de la construcción, no utilizan fuentes de energía externas para aprovechar la energía solar, no producen residuos, no requieren redes de distribución a larga distancia, y por lo mencionado son mas sencillos y económicos que otros sistemas. El objetivo de la construcción de una vivienda solar pasiva es satisfacer por si misma las necesidades de calefacción y refrigeración, idealmente sin medios mecánicos, pero en ocasiones cuando los climas son muy extremos es necesario apoyar los sistemas pasivos con elementos automatizados. En invierno se capta y almacena el calor del sol con distintos elementos. En verano el diseño debe reducir la entrada del calor del sol y favorecer la ventilación. En Chile se han usado sistemas pasivos en forma empírica, como en el norte del país donde se construyo con paredes gruesas de adobe que atenúan las diferencias de temperatura, lo que aporta al bienestar térmico; y las galerías de las casas coloniales que también son una forma de captación solar pasiva. La captación de energía solar pasiva se puede clasificar como aquella de ganancia directa e indirecta. Cuando la captación es a través de la ganancia directa la luz del sol entra directamente en los espacios habitables por lo cual los ocupantes deben estar en contacto con los elementos que componen el sistema. En los sistemas de ganancia indirecta al igual que en los sistemas directos se usan grandes superficies vidriadas orientadas al norte (en el hemisferio sur), pero la radiación es absorbida, puede ser almacenada y no está en contacto directo con la habitación, por lo que no es necesario que el colector esté en contacto con los ocupantes y estos sistemas además permiten mayor control del paso del calor, según los requerimientos del usuario, el momento del día o la estación del año.

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Capítulo 3 FUNDAMENTACIÓN PARA DISEÑO Y USO

Figura 3.16. Muro Trombe con sistema de ganancia solar indirecta (izquierda) y Ventana como sistema de ganancia solar directa (derecha).

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CAPÍTULO 4 FUNCIONAMIENTO

Capítulo 4 FUNCIONAMIENTO

4.1Dispositivos para el Funcionamiento del Muro Trombe. El Muro Trombe es un sistema solar pasivo de ganancia indirecta formado básicamente por un vidrio o captador, un muro absorbedor y almacenador, y una cámara de aire entre el vidrio y el muro, este conjunto que forma el llamado Muro Trombe trabaja absorbiendo radiación solar que pasa a través del vidrio u otro material captador y llega a la cara exterior del muro absorbedor y almacenador, el aire de la cámara es calentado por la radiación solar. El muro transfiere ese calor por conducción, puede tener compuertas de ventilación que permiten la distribución del calor por convección dentro de la habitación contigua al muro. El aire caliente se almacena en la cámara de aire, sube por diferencia de densidad, entrando por las compuertas superiores del muro, por lo cual el muro debe estar ubicado a un nivel igual o inferior al de la habitación, si está a nivel superior se tendrían que usar medios mecánicos para bajar el aire caliente y hacer utilizable el sistema.

Distribución y control

Captador Distribución y control Almacenador

Figura 4.1.Dispositivos para el funcionamiento del Muro Trombe, vista posterior.

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Capítulo 4 FUNCIONAMIENTO

Absorbedor

Captador

Cámara de aire

Figura 4.2.Dispositivos para el funcionamiento del Muro Trombe, vista frontal.

Los dispositivos que permiten su funcionamiento son los siguientes: Captador. Es la superficie a través de la cual la radiación solar es captada. La superficie puede ser transparente o translucida. a) Transparente: medio que deja pasar la luz fácilmente sin deformarla. La radiación solar en forma de luz entra desde el aire en un medio transparente, por ejemplo un cristal o un vidrio, continua su trayectoria recta sin ninguna desviación, o sea la luz pasa como radiación directa. b) Translúcida: deja pasar la luz con cierto grado de deformación. Si el cristal o vidrio es translúcido la luz lo atravesará para dispersarse a continuación en todas direcciones, como radiación difusa. Si el cristal o vidrio es coloreado (un filtro) la transmisión será selectiva y solo pasarán aquellas longitudes de onda que correspondan con el matiz del cual está coloreado el cristal o vidrio.

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Capítulo 4 FUNCIONAMIENTO

Las características fisicoópticas de la superficie varían en función del material empleado. La transmitancia (fracción de luz incidente, a una longitud de onda especificada, que pasa a través de un medio) varía según su composición y espesor. Mientras más transmitancia es posible obtener temperaturas más elevadas. La transparencia a la luz de los vidrios comunes (de silicato sódico) en la zona del espectro visible (0,40 µ a 0,70 µ) depende de su contenido en elementos de transición (Ni y Fe). Sin embargo, tanto en el ultravioleta como en el infrarrojo el vidrio se comporta prácticamente como un medio casi opaco (no deja pasar apreciablemente la luz), independientemente de la composición. La superficie del captador determina la radiación solar directa que será eficaz para la vivienda. Generalmente se usa vidrio común de diferentes espesores y composición de sus cristales. También se usan plásticos, pero estos se deforman a altas temperaturas, se envejecen con la radiación ultravioleta disminuyendo su transmitancia y propiedades mecánicas, y además generalmente transmiten la radiación como difusa. En resumen, el rendimiento de la captación depende de la transmitancia del captador y de la radiación incidente. La temperatura sube si aumenta la radiación, lo cual es posible si se dirige a través de superficies reflectantes. Es importante que se considere en la construcción del muro que el capador debe ir montado, con sellado hermético al aire y al agua, además debe ser desmontable para reparación y limpieza (el polvo disminuye el paso de la radiación). Absorbedor. Para el caso de un muro trombe, es la superficie de muro que absorbe radiación solar, situándose en su trayectoria, interceptándola y degradándola en forma de calor. Cuando la radiación solar calienta el muro cambia su longitud de onda corta a una longitud de onda larga, que no puede atravesar la superficie captadora, por lo cual, parte de la radiación es absorbida y parte de la energía queda atrapada calentando el espacio que hay entre el captador y el absorbedor. Almacenador. Materiales usados en la construcción del muro, con el objetivo específico de mantener el calor producido por la radiación solar, constituyen la masa térmica. Aunque generalmente el absorbedor y almacenador son el mismo muro, el absorbedor es la superficie expuesta y el almacenador es el material interior o posterior a esta superficie. Distribución. Método por el cual el calor circula desde la captación a la habitación contigua al muro. Durante el día, se realiza a través de compuertas ubicadas generalmente en la parte inferior y superior del muro, para permitir la circulación del aire calentado en el espacio entre el captador y el absorbedor, espacio al cual se le llamará cámara de aire. Las compuertas permiten la distribución de aire de la cámara a la habitación. Durante la noche el muro es el distribuidor (emite calor a la habitación contigua), por lo que se deben evitar estanterías, cuadros y cualquier elemento que tape la cara interior del muro, ya que disminuye el paso del calor. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 4 FUNCIONAMIENTO

Control. Son mecanismos de regulación del calor, impiden el sobrecalentamiento, el sobrenfriamiento y la pérdida de calor. El mecanismo más usado para control en el muro trombe son las compuertas, se mantienen abiertas en invierno para que el calor entre en la habitación, cerradas en verano para que la habitación no se sobrecaliente o cerradas durante la noche para que el calor no se escape de la habitación, el funcionamiento de las compuertas como mecanismos de control dependen del objetivo del muro. También se usan otros mecanismos de aislamiento térmico y protección que se detallarán en el capítulo 5. 4.2Usos del Muro Trombe. 4.2.1Muro Trombe para Calefacción Diurna. Es aquel muro para calefaccionar la habitación contigua durante el día, por lo cual el objetivo es que el calor producido por la radiación no quede almacenado, sino que llegue inmediatamente a los habitantes. Eso se logra permitiendo que el aire suba, atraviese las compuertas y entre a la habitación contigua al Muro Trombe. Características del vidrio: El vidrio puede ser un punto importante de pérdidas caloríficas del sistema, por diferencias de temperatura entre el ambiente exterior y el interior del muro, y por los pequeños espesores del vidrio (en milímetros). Bajo esas condiciones generalmente se propone colocación doble del vidrio, considerando que más capas disminuyen su transmitancia, pero también disminuyen las pérdidas de calor. Características del muro: Para que el calor absorbido por la superficie exterior del muro circule a la habitación durante el día, el muro debe tener la menor inercia térmica posible. La superficie exterior del muro debe ser aislada hacia el interior para que el muro no pase el calor absorbido a la habitación, por que este paso de calor sería retardado, la idea es que el muro caliente el aire de la cámara, el cual por estar más caliente asciende por convección natural, pasa por las compuestas superiores y llega a la habitación durante el día. El aire caliente circula en la habitación empujando al aire frío, el cual desciende, pasando por las compuertas inferiores y es calentado en la cámara de aire. De esa forma se produce la circulación de aire, mientras la radiación impacta el muro.

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Capítulo 4 FUNCIONAMIENTO

Figura 4.3. Corte de un Muro Trombe para calefacción diurna y circulación del flujo de aire.

Radiación solar

Aire caliente

Aire frío

Exterior

Interior

Figura 4.4. Isométrico de un Muro Trombe para calefacción diurna. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 4 FUNCIONAMIENTO

4.2.2Muro Trombe para Calefacción Nocturna. Es el muro que recibe la radiación y la acumula durante el día , pero su objetivo es entregar calor a la habitación durante la noche, o sea en forma desfasada. Al igual que el muro para calefacción diurna, a mayor radiación, mayor aporte de energía al muro y generalmente mayor rendimiento, ya que el rendimiento puede disminuir con las pérdidas de calor por la menor temperatura exterior. Características del vidrio: Las características del vidrio para calefacción nocturna pueden ser las mismas que para calefacción diurna, aunque se pueden agregar mecanismos aislantes para que el calor no se escape en las noches cuando las temperaturas son menores, esto se detalla en el capitulo 5. Características del muro: El muro debe tener características de materialidad y espesor adecuado para que se cargue de calor durante el día y ceda el calor durante la noche o luego que el sol se haya puesto, momento en el cual comienza más a disminuir la temperatura. En cuanto a la materialidad, no debe tener revestimientos y menos aislantes por que impedirían el paso del calor. El espesor del muro debe ser elegido de acuerdo a los requerimientos de la zona térmica en la cual se encuentre, pero cercana a los 0,4m, esto se detalla en el capítulo 5.3.2. El efecto de retardo se produce porque el calor debe atravesar todo el grueso muro, lo cual retrasa la sensación de calor al momento que es más necesario.

Figura 4.5. Corte de un Muro Trombe para calefacción Nocturna y circulación del flujo de aire. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 4 FUNCIONAMIENTO

Flujo de aire caliente Radiación solar

Figura 4.6. Isométrico de un Muro Trombe para calefacción nocturna.

4.2.3Muro Trombe para Enfriamiento. Este muro se construye con el objetivo de enfriar la habitación contigua durante el día y es necesario en climas donde las temperaturas son muy altas en verano, aire seco y bajas humedades relativas; por lo cual no tendría mayor uso en climas como el de Temuco por ser primordialmente templado, aunque podría aplicarse si se usa el sistema en conjunto con el de Muro Trombe para calefacción. La principal diferencia es que el muro tiene chimeneas superiores hacia el exterior, para el escape del aire caliente. Características del muro. El muro debe tener aislante interior, las compuertas superiores cerradas y estar conectado con chimeneas de descarga. Luego de atravesar el vidrio, la radiación impacta la superficie exterior del muro, y la convección natural permite que el aire caliente ascienda a la compuerta superior, pero estas deben estar cerradas, por lo que el aire sigue ascendiendo y se descarga por las chimeneas al exterior. Por convección natural el aire de la pieza es aspirado a las compuertas inferiores el cual es renovado por el aire que entra por las compuertas superiores que tiene la habitación en el muro contrario ubicado hacia el sur, esta circulación de aire permite renovar, ventilar, humedecer y enfriar el aire de la habitación. Las compuertas superiores que tiene el muro sur son las que permiten la circulación de aire húmedo, a este proceso se le llama enfriamiento por humidificación y las compuertas que se usan tienen las características Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 4 FUNCIONAMIENTO

de tener mechas de género poroso sumergido en agua, pero no se tiene mayor información respecto al funcionamiento de estas compuertas.

Figura 4.7. Muro Trombe con compuertas humidificadoras.

Figura 4.8. Corte de un Muro Trombe para enfriamiento.

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Aire caliente que sale de la habitación

Chimeneas superiores

Compuertas humidificadoras

Compuertas cerradas

Radiación solar

Compuertas de ventilación

Figura 4.9. Isométrico de un Muro Trombe para enfriamiento.

Según el estudio realizado por el autor Pedro Sarmiento, en una habitación donde se utiliza el sistema de muro Trombe para enfriamiento con compuertas humidificadoras, durante el verano la humedad relativa aumenta un 10% aproximadamente y la temperatura disminuye entre 5°C y 10°C.

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Capítulo 4 FUNCIONAMIENTO

4.2.4 Sistema Muro Trombe usado como Cubierta Colectora Acumuladora. Es una cubierta que funciona como un Muro Trombe. Es de gran versatilidad y adaptabilidad al diseño, pero los costos son muy elevados por lo cual prácticamente no se utiliza. Se recomienda que el acumulador sea de materiales de cambio de fase ya que son más livianos que un acumulador tradicional de hormigón armado.

Figura 4.10. Muro Trombe usado como Cubierta Colectora Acumuladora. 4.3Ventajas y Desventajas de su Funcionamiento. 4.3.1Ventajas. • No requiere combustible para su funcionamiento, ya que utiliza la captación solar pasiva. Esto lleva a la reducción del consumo de energías no renovables. • Su construcción es sencilla y con materiales tradicionales, por lo cual su no requiere de mano de obra especializada. • Baja mantención. • Posibilidad de utilización mixta.

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4.3.2Desventajas. • Impide la iluminación natural. • Requiere radiación solar de forma indispensable y en cantidades suficientes según el clima de su ubicación. Si la radiación solar y por consiguiente el aporte del muro es insuficiente se debe recurrir a otros sistemas de calefacción convencionales. • Mayor costo de construcción, por doble muro, la masa acumuladora y el captador. • Posibilidad de formación de condensaciones en el vidrio o captador.

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CAPÍTULO 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

5.1Ubicación. La ubicación del terreno en donde se pretende emplazar la vivienda determina el hemisferio, la latitud, la altitud y el clima para el cual se diseñará. La ubicación a gran escala no se busca, es el diseño de la vivienda el que se debe adaptar a las condiciones que le entrega esa ubicación, una ubicación a gran escala es por ejemplo la ciudad de Temuco. La ubicación a pequeña escala es el terreno en la ciudad, para lo cual si es posible se debe elegir uno que evite sombras indeseadas en invierno y/o asoleamientos excesivos en verano, por la presencia o inexistencia de edificios cercanos, árboles, montañas, etcétera. Para los sistemas de captación solar como el Muro Trombe se debe tener especial cuidado en que se asegure captación solar entre las 9:00 y las 15:00hrs 5.2Emplazamiento. El aspecto más importante en cuanto al emplazamiento de una vivienda con Muro Trombe es que la superficie del muro sea orientada al norte, aunque el ángulo de orientación depende también de la latitud del lugar. Para el hemisferio norte, a 5° del verdadero sur y hasta 30° aunque va disminuyendo la efectividad. Para el hemisferio sur, con latitud entre 35° y 64° la orientación recomendada es a 60° del norte. El objetivo es captar mayor radiación en invierno que es cuando más se requiere, y en esa estación el sol sale al Noreste y se pone al Noroeste (figura 3.2). Además si la vivienda se ubica en una pendiente al norte recibe mayor radiación solar (figura 2.1 y 3.5). 5.3Materialidad y Dimensionamiento. 5.3.1Materialidad del entorno inmediato. El muro trombe es un sistema que colabora al bienestar térmico de una vivienda, pero no es determinante, ya que como se ha mencionado son muchos los factores que intervienen. El objetivo del muro es calefaccionar o enfriar la habitación de la cual el muro forme parte, por lo cual es importante para el cálculo de necesidades de calefacción y refrigeración, la materialidad y dimensionamiento de los muros, cubierta, puertas y ventanas de la habitación. 5.3.2Materialidad y Dimensionamiento del Muro Trombe. Captador. La distancia mínima recomendada (figura 5.1) entre el captador y la superficie exterior del muro es de 2,5cm para calefacción nocturna y 10cm para calefacción diurna, pudiendo llegar a 150cm, a distancias mayores el elemento se consideraría como un invernadero adosado. La convección es determinante en la transferencia de calor entre las caras del colector y el aire.

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Figura 5.1. Distancia recomendada del captador al Muro Trombe. También indica grosor del muro y la variación de temperatura a través de él durante el día.

Tipos de captadores. a) Vidrio: la mayor parte del calor que entra a través de los vidrios lo hace por radiación directamente, la radiación que llega al vidrio será: reflejada, absorbida y transmitida, cuya proporción dependerá de las características del vidrio, en porcentajes aproximados de 8%,6% y 86% respectivamente. Del 6% de radiación absorbida un 40% pasa hacia dentro, es decir un 2,4%. Entonces un vidrio común permite pasar un 88,4% del calor radiante recibido en forma directa (86% por radiación y 2,4% por convección). Los vidrios más usados masivamente son los vidrios simples y de doble vidriado hermético termopanel, también esta comenzando el uso de los vidrios de baja emisividad. Los valores de espesores y resistencia térmica del vidrio simple, doble vidriado hermético y vidrios de baja emisividad se encuentran en la tabla 3.11. La superficie de vidrio es la misma que la del muro y su espesor dependerá de las necesidades de aislación, transparencia y costos. b) Aislante térmico transparente (TWD): es un material de fachada, usado principalmente en Alemania. Funciona como aislante térmico transparente bajo el concepto de aire estático, contiene un gran porcentaje de volumen de aire repartido en pequeñas capas, por lo cual posee bajos coeficientes de transmitancia térmica (U) pero, al ser translúcido, posee a la vez un alto grado de transparencia a la luz solar, permitiendo ganancias de calor. Existen variedades en policarbonato, acrílico, vidrio y aerogel. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Figura 5.2. De izquierda a derecha, placa de policarbonato simple con celdas verticales, placa de policarbonato doble, placa con celdas de acrílico y placa de aerogel. TWD de policarbonato esta compuesto por celdas que constituyen una placa de entre 50 y 150 mm de espesor, según fabricación. TWD de acrílico, al igual que el TWD de policarbonato esta compuesto por celdas. TWD de vidrio se emplea en forma de tubitos de vidrio con un diámetro exterior de 7 a 10 mm. Una placa formada por dos hojas de vidrio con tubitos de vidrio al interior de 7 mm de diámetro y 80 mm de largo. TWD de aerogel, aunque este material también está hecho de vidrio, se clasifica aparte por tratarse de pequeñas burbujas de vidrio en base a estructuras microporosas con un 10% de material y 90% de aire. Debido a que el movimiento de las moléculas de aire es casi nulo, este material presenta un valor de conductividad térmica muy reducido.

Tabla 5.1. TWD y su respectivo coeficiente de transferencia de calor (U). TWD policarbonato acrílico vidrio aerogel

Transmisividad U(w/m2°k) de radiación solar 0,7 0,65 1,4-2,3 0,6-0,7 1,1 0,82 0,9 0,5

Temperatura de trabajo máxima admisible (°C) 140 90 265

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Todo material para TWD requiere de una estructura de marcos para la sustentación, y para los de policarbonato y acrílico, se requiere un vidrio que los proteja de agentes externos, especialmente la radiación ultravioleta. Además, debido a las grandes variaciones que presenta la radiación solar disponible durante el año, es necesario contar con un sistema para su control. Para ello, se emplean elementos de sombra tales como celosías y rollos desplegables, alojados en el espacio de aire entre la cubierta de vidrio y el TWD. Durante la noche en invierno, una protección desplegada que posea una alta reflexión a la radiación infrarroja en su cara interior, puede contribuir, además, a aumentar la aislación térmica de un muro. El TWD es un buen material para su uso como captador y aislante en un muro trombe, ya que la radiación llega en gran cantidad a la superficie de absorción del muro, donde se transforma en calor. La buena aislación térmica del muro, gracias al TWD, impide que el calor se pierda al exterior por convección. En cuanto al balance térmico, la experiencia alemana ha demostrado que las ganancias térmicas de un muro con TWD orientado al norte, varía entre 100 a 200 kWh/m2 durante el período de calefacción. c) Plásticos: para acristalamiento se usan plásticos como placas de policarbonato alveolar plano, con transmisividad de la luz solar de hasta un 86%, pero este material tiene desventajas en cuanto a la resistencia a agentes externos y además reduce el efecto invernadero lo cual se contradice con el funcionamiento del Muro Trombe. Absorbedor. El objetivo es que se absorba la mayor cantidad de radiación posible, esto depende del material y del color del elemento. Lo ideal es que la superficie absorbedora se pinte de color negro, ya que el negro absorbe prácticamente todo el espectro electromagnético (95%), o sea absorberá más calor; al contrario, el blanco refleja el espectro electromagnético por lo cual prácticamente no absorberá calor; El azul oscuro también es una opción ya que absorbe un 85% del espectro. En resumen, el absorbedor debe ser de color oscuro y capaz de soportar 65°C Tabla 5.2. Absorbencia de radiación solar para algunos materiales de construcción. Material Asfalto Ladrillo Ladrillo Ladrillo Carbón Hormigón Hormigón Hormigón Grava

Característica Libre de polvo Barnizado blanco Arcilla, barnizado color crema Rojo Descolorido Marrón Sucio, oscuro

Absorbencia 0,93 0,26 0,36 0,7 0,95 0,65 0,85 0,71 0,29

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Acumulador. Para construir un muro Trombe para calefacción nocturna, el acumulador debe ser de materiales con buena capacidad para acumular calor, los más comunes son el hormigón, la piedra y la albañilería de ladrillo macizo y agua. Los materiales que son buenos acumuladores son también los que tienen mejor inercia térmica. Si se va a construir un muro para calefacción diurna debe ser de un material con menor inercia térmica posible o menor espesor, para que el calor pase rápidamente. Se presenta tabla 5.3 con superficie de muro necesario por unidad de superficie útil, considerando como superficie útil la correspondiente a la habitación a calefaccionar. Para latitudes bajas se usa el valor menor del margen y para latitudes altas el valor mayor.

Tabla5.3. Superficie de Muro Trombe necesario por unidad de superficie útil. Temperatura media exterior de invierno(°C) 1 4 7 10 12 15 17

Superficie de muro necesario por unidad de superficie útil 0,43-0,78 0,51-0,93 0,6-1 0,72-1 0,35-0,6 0,28-0,46 0,22-0,35

Para Temuco la temperatura promedio de los meses de invierno (Junio a Septiembre) es 8,725°C. Luego: Superficie muro= Superficie de habitación x 0,67

(5.1)

El espesor recomendado para el muro, se presenta en la tabla 5.4.

Tabla5.4. Espesor de Muro Trombe recomendado según material. Material Adobe Albañilería de ladrillo Hormigón (calefacción nocturna) Hormigón (calefacción diurna)

Espesor recomendado (cm) 20-30 25-35 30-45 20-30

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

El hormigón, adobe y albañilería de ladrillo son los materiales mas usados para la construcción de un muro Trombe por sus valores similares de conductividad y capacidad calorífica. El agua también se puede usar como elemento acumulador, pero su construcción es más complicada ya que además se debe pensar en un contenedor adecuado. También se han probado materiales con cambio de fase para utilizar como acumulador, por sus características físicas ya que dependiendo de la temperatura cambian su estado físico, comportándose como un gran captador en invierno y un eficaz aislante en verano. El funcionamiento de un Muro Trombe con acumulador de agua puede ser básicamente de dos maneras, la primera es con el funcionamiento convencional del Muro Trombe con compuertas, el agua puede ser contenida en un envase único o en bidones. Por cada m3 de muro de agua, se almacenan 1000 kcal/°C de elevación de temperatura, contra 400 kcal/°C de un muro de obra (hormigón, albañilería). Un muro de agua se calienta y enfría mas rápido y homogéneamente por efecto de la convección, como así también transfiere el calor al ambiente en bajo tiempo. Por cada m2 de Muro Trombe se necesita un volumen de agua entre 200lt y 300lt.

Figura 5.3 a. Muro Trombe con bidones de agua como acumulador.

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

La segunda forma de funcionamiento es como sigue (figura 5.3): La radiación atraviesa el vidrio, luego es absorbida por una superficie negra, el agua adyacente (contenedor que funciona como muro) se calienta y asciende hacia un contenedor superior que cubre el cielo de la habitación, por convección el agua caliente transmite calor a la habitación, a medida que el agua se va enfriando desciende por el lado interior del muro y asciende por el lado exterior, se debe considerar que la superficie interior del muro debe ser cubierta por un aislante que impida el intercambio de calor entre el agua fría y la habitación.

Figura 5.3b. Muro Trombe con almacenador de agua.

En Toledo, fue desarrollada una caseta experimental en la cual se han incorporado acumuladores térmicos de cambio de fase, para captación de calor en Muros Trombe translúcido. La caseta se construyó con una pieza cerámica experimental (figuras 5.4), formada por tres zonas diferenciadas. De exterior a interior, esta formada por: aislamiento de poliestireno expandido de densidad 15 Kg/m3 con espesor 5 cm, cámara de aire de espesor 5 cm y acumuladores también de espesor 5 cm.

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Figura 5.4.Pieza de cerámica con cambio de fase. El otro material utilizado como acumulador de cambio de fase es similar a la parafina. Se construyó un Muro Trombe realizado con dos paredes de bloques de cristal, rellenos los de la parte interior, con el acumulador de cambio de fase (figura 5.5).

Figura 5.5. Paredes de bloques de cristal, rellenos con un acumulador de cambio de fase.

Las conclusiones de la investigación realizada por M. Domínguez y R. Díaz, Velasco del Instituto del Frío (uno de los Centros del Consejo Superior de Investigaciones Científicas), consideran que: Los Muros Trombe realizados con dos paredes de bloques de cristal, rellenos los de la parte interior, con un acumulador de cambio de fase, es muy adecuado para la calefacción en climas continentales extremos. En el muro Trombe desarrollado sube mucho la temperatura cuando está totalmente fundido el acumulador, lo que puede corregirse disminuyendo el área. Las piezas especiales cerámicas, conteniendo aislante, cámara de aire y acumulador, se comportan bien.

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Otra técnica de introducir parafina en un muro son las micro cápsulas, que encierran la parafina dentro y se introducen en el interior del muro. También existen materiales porosos que se pueden impregnar. En resumen los materiales con cambio de fase no son productos económicos y su potencial no está plenamente estudiado y de lo estudiado se ha concluido que su aporte no es significativamente mayor que el aporte con materiales tradicionales por lo cual no se justifica su utilización. Distribución. La distribución se realiza a través del muro o a través de las compuertas por convección. Las compuertas van ubicadas en la parte superior e inferior del muro, pero el área de compuertas superior, debe ser siempre igual o mayor que el área de compuertas inferiores, ya que el objetivo es que sea mayor la cantidad de calor que se traspase a la habitación que la ventilación. El área suficiente total de compuertas esta entre un 2% y un 4% del área del captador, y se obtiene de la ecuación 5.2.

A1 + A2 = (L x H)/100

(5.2)

Figura 5.6. Dimensionamiento de compuertas para el paso de aire en un Muro Trombe.

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Se presenta figura 5.7 que muestra la influencia del área de las compuertas en relación a la energía entregada.

Figura 5.7. Influencia del área de las compuertas de un Muro Trombe y la energía entregada.

Control. Para la regulación del calor y para mejorar el funcionamiento del Muro Trombe se utilizan principalmente las compuertas (figura 5.6) y otros elementos como aislamiento térmico, que permiten disminuir pérdidas térmicas en invierno e impedir ganancias térmicas indeseadas en verano. Se describen algunos elementos de control. a) Reflectores móviles: Son reflectores que modifican la dirección de la radiación solar. Para aumentar la temperatura los reflectores dirigen la radiación hacia el muro, como se observa en la figura 3.8. Los reflectores también se pueden usar cerrados para aislar el muro durante la noche.

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Figura 5.8. Dimensionamiento de reflector móvil.

L= 1 a 2H

(5.3)

b) Aleros: Existen muchos sistemas de protección que esencialmente son variaciones de los aleros, como los pórticos, repisas, persianas, pantallas pérgola, techos aleros, toldos, marcos, celosías, etcétera, pero el sistema más usado y simple es el alero que permite controlar la radiación solar que puede llegar al muro, además de la lluvia. Lo importante es un adecuado diseño, de manera que en invierno el alero no obstaculice el paso del sol y que en verano produzca sombra suficiente. Ejemplo de cálculo de alero: Se desarrollará un método de diseño para alero de un muro Trombe en Temuco, para lo cual se realizará un ejemplo con las siguientes condiciones de cálculo: Muro orientado a 165°de azimut norte; 3,0m de largo y altura de 2,3m; como las mañanas en Temuco son frías se diseñará para que en invierno este completamente expuesto al sol y en verano esté a la sombra desde las 11:00hrs de la mañana. Para los cálculos se toma como fecha de inicio de inverno el 5 de mayo e inicio de verano el 5 de noviembre ya que en esas fechas las condiciones climáticas ya tienen todas las características de la estación correspondiente.

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Cálculo 1: Declinación. De la ecuación (3.2) se obtiene: Verano, n= 309 días al 5 de noviembre. D = 23,45 sen (360 x (284+309)) =-16,45° 365

(5.4)

Invierno, n=125 días al 5 de mayo. D = 23,45 sen (360 x (284+125))=16,1° 365

(5.5)

Cálculo 2: Altitud para las 12:00hrs. Se trabaja con la ecuación 3.12 y con los siguientes datos: L: latitud Temuco=-38,44° D: declinación en verano =-16,5°; declinación en invierno=16,1° H: Ángulo de hora solar para las 12:00hrs, medio día=0° Luego: Verano α =68,06° Invierno α =35,46° Cálculo 3: Dimensiones del alero.

Figura 5.7: Alero para Muro Trombe diseñado. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Tabla 5.5. Valores obtenidos de la figura 5.7 para el cálculo del alero. Símbolo α α´ β β´ y a

Valor 32,46° 35,46° 21,94° 54,54° 125,46° 2,3m

a = b = c sen α sen β sen y

(5.6)

Luego, por trigonometría se obtienen los valores de ancho=0,9m y alto =1,3m. Cálculo 4: Altitud para las 11:00hrs. H: Ángulo de hora solar para las 11:00hrs, medio día=15° D: declinación en verano=-16,5° De la ecuación (5.6) α = 64,4° Cálculo 5: Azimut. De la ecuación 3.4, Az= 35,05°. Luego se calcula la prolongación de x con la ecuación (5.7), de la cual se obtiene x=0,63m (figura 5.7) tg Az =

x ancho alero

(5.7)

c) Cortinas, persianas: El sistema consiste en cortinas y persianas de enrollar que se colocan sobre el vidrio con el objetivo de mejorar su capacidad aislante durante la noche y durante el día la cortina se enrolla para que los rayos solares pasen. Existen de pvc, aluminio y madera, además existen cortinas con alma de poliuretano expandido para mayor aislación. Se pueden instalar por el interior o exterior del vidrio y almacenarse en un elemento portarrollo utilizable como alero si se le da el dimensionamiento necesario como alero, también se puede usar como superficie reflectante superior.

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Figura 5.8. Cortina exterior enrollable. La figura 5.8 muestra una cortina exterior de tela enrollable traslucida, esto quiere decir que permite el paso de la luz en proporciones adaptables, evitando el sobrecalentamiento. En días de calor las compuertas del muro se pueden mantener abiertas para ventilar, a la vez la cortina traslucida permite algo de iluminación a través de las compuertas y evita el sobrecalentamiento del Muro Trombe.

Figura 5.9. Comportamiento de la tela con respecto a la radiación solar.

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Capítulo 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Tabla 5.6. Características de algunas telas para cortinas enrollables, utilizables como elemento de protección para Muro Trombe. Descripción Color Espesor (mm) Apertura (%) Transmisión solar (%) Reflectancia solar (%) Absorción solar (%) Transmisión de luz (%) Composición

Tela 1 Tela 2 Tela 3 Blanco Beige Platinado 0,83 0,58 4 8 12 12 14 11 56 48 61 31 38 28 9 13 42% fibra 42% fibra 22% de vidrio de vidrio poliéster 58% PVC 58% PVC 78% PVC

Como elemento de protección térmica durante la noche y reducción de la radiación solar durante el día se pueden usar persianas, las que también pueden ser enrollables. Generalmente estas persianas son de PVC y en el interior están compuestas por un aislante como el poliuretano.

Figura 5.10. Persiana de pvc enrollable.

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CAPÍTULO 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

En el presente capítulo se desarrollan los métodos de cálculos de rendimiento térmico del Muro Trombe. El rendimiento del Muro Trombe puede ser calculado de dos formas: En la primera se considera el muro como un componente más de la estructura y la envolvente de la habitación, que aporta al bienestar térmico, pero también induce en pérdidas, por lo cual el rendimiento se calcula en función de la demanda de calefacción de toda la habitación. En la segunda se considera el muro como un componente independiente de la habitación. Para ambos casos es necesario conocer las características del muro y del entorno. 6.1Cálculo de Radiación Recibida. Es fundamental para el diseño de un muro Trombe tener los datos de radiación solar del lugar en donde se instalará el muro. Los datos se encuentran en el capítulo 3.3.6. Cálculo 1: Radiación promedio diaria. Con la radiación global horizontal mensual se calcula la radiación promedio diaria para cada mes. Cálculo 2: Radiación sobre plano inclinado. La radiación de trabajo es la que efectivamente cae sobre el plano del muro, por lo cual hay que calcular la radiación para la inclinación del plano, generalmente 90°. Actualmente existen tablas con los cálculos de radiación a diferentes inclinaciones del plano y para muchas localidades de Chile, pero aún no existen los cálculos para Temuco, por lo cual se optó por usar el programa computacional Geosol del que se obtienen los datos de radiación global mensual para un plano de 90°, 45° o la inclinación que se requiera. Geosol es un programa de cálculo y graficado que permite obtener, para cualquier lugar y día del año, diversos valores numéricos, entre ellos la radiación solar directa, difusa y total en MJ/m2, sobre cualquier superficie especificada por el usuario. El programa fue diseñado por el doctor en Energías Renovables, don Alejandro Hernández. Los datos necesarios para usar el programa son los siguientes: • Latitud: Se usa latitud, ya que influye directamente en la incidencia de la radiación solar. La latitud de Temuco es -38,44°. • Longitud: Se usa la longitud del lugar donde se instalará el muro. Longitud de Temuco 72,36°. • Uso horario: El uso horario del lugar donde nos encontramos, medido en GMT (Greenwich Mean Time). Es medido según la longitud del lugar, para Temuco corresponde a -4hrs y por el cambio de horario se considera -4hrs en invierno y 3hrs en verano. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

• Altitud: Altitud sobre el nivel del mar. • Albedo: Es el grado de radiación reflejada por el lugar en donde se encuentra el muro, según tabla 3.3. • Pendiente del plano: La pendiente del plano (en grados), depende de la inclinación de la superficie captadora. En el caso de un muro en un plano vertical se consideran 90°. • Azimut: Es una condición de asoleamiento, si se esta ubicado en una posición más cercana al norte la radiación será mayor. Un punto ubicado exactamente al norte esta en un azimut de 180°. Para la latitud de Temuco se trabaja con orientación del muro de 60° del norte, por lo cual el azimut sería de 120°. • Día de cálculo: Si se calcula la radiación mensual se debe considerar un día de cálculo N°15. • Método: El programa trabaja con 3 métodos dependiendo de las necesidades del usuario. El método elegido es el llamado “Método de Liu-Jordan” ya que permite estimar la radiación sobre cualquier plano. • Modelo de cielo: El programa permite calcular para un cielo anisotrópico o isotrópico, se usará el modelo para cielo anisotrópico. Luego de completar los datos se ingresa la radiación promedio diaria horizontal y el programa calcula la radiación para las condiciones dadas por los datos.

Figura 6.1. Gráfico de los noveles de radiación directa y difusa calculados por el programa Geosol.

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

Figura 6.2. Desglose de radiación según hora del día y radiación total diaria sobre el plano. Se presenta tabla 6.1 con los resultados del cálculo de insolación en plano inclinado a 90° y a 45° para la ciudad de Temuco.

Tabla 6.1. Cálculo de insolación en plano inclinado (MJ/m2).

MES ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE TOTAL

RADIACIÓN GLOBAL HORIZONTAL MEDIA MENSUAL(MJ/m2) 725 600 475 275 170 130 175 250 380 500 590 700 4970

RAD.MENSUAL RAD.MENSUAL EN PLANO A EN PLANO A 90° 45° 409,5 627,1 342,7 517,4 278,7 412,0 166,2 244,5 96,1 141,7 74,4 109,8 96,1 141,7 152,5 225,4 236,1 348,0 295,7 438,0 335,4 501,6 395,6 600,2 2879,04 4307,36

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

6.2Rendimiento del Muro Trombe como Componente de la Habitación. A través de los procedimientos que se detallan a continuación es posible calcular el rendimiento del Muro Trombe como un componente de la habitación para calefacción diurna y nocturna. La figura 6.3 es un mapa conceptual para guiar el procedimiento de cálculo. Rendimiento del Muro Trombe como Componente de la Habitación Pérdida Térmica

Aporte del Muro Trombe

R total = R1 + R2+MRn

AE=ITP x Re x AM

U= 1/R total

Captador o vidrio simple qa= V x C x d

qp = A x U

PE1=0,608 x AM x GDM qr= qp + qa

Doble vidriado hermético PE2=0,294 x AM x GDM

Aporte neto= AE – PE Qm= 86,4 x qr x GDM

q=qr x (Ti–Te)

Factor solar anual = Σ Aporte neto / Qm

Figura 6.3.Mapa conceptual, Rendimiento del Muro Trombe como componente de la habitación. 6.2.1Cálculo de Pérdidas de Calor de la Habitación. Para lograr el bienestar térmico de los habitantes de una vivienda es necesario determinar la calefacción requerida para llegar a la temperatura de bienestar térmico, para esto se considera lograr un promedio de 18,3°C. Para calcular la calefacción requerida, se determinan primeramente las pérdidas de calor de la edificación, en el caso del muro Trombe las pérdidas de calor de la habitación contigua. Las pérdidas se producen a través de las paredes, techos, ventanas, infiltraciones y piso de la habitación, incluyendo el propio muro Trombe. Todas las pérdidas de calor de Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

la habitación deben ser suplidas, esto es el requerimiento de calefacción, pero considerando que la temperatura debe bordear los 18,3°C. Cálculo 1: Resistencia al paso de calor. La resistencia al paso de calor del conjunto de los materiales que conforman una estructura puede ser calculando como la suma de la resistencia de cada uno de los materiales.

R total = R1 + R2+MMMM..Rn

(6.1)

R: Resistencia al paso del calor (°C/W) Cálculo 2: Calor perdido por la estructura. Con la resistencia total de cada paquete estructural se determina para cada uno el coeficiente total de transferencia de calor.

U=

1 R total

(6.2)

U: Coeficiente total de transferencia de calor (W/m²°C) Luego se calcula el calor perdido por diferencia de temperatura, en cada uno de los paquetes estructurales que conforman ventanas, muros, techo, puertas y piso.

qp = A x U

(6.3)

qp: calor perdido (W/°C) A: área de cada estructura (m²). Cálculo 3: Calor perdido por infiltración. Se determina el calor entregado al aire, introducido por infiltración o ventilación a la habitación.

qa= V x C x d

(6.4)

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

qa: calor perdido por infiltración o ventilación (W/°C). V: aire introducido por infiltración o ventilación (m³/s). C: calor específico del aire, 1003 (J/Kg °C). d:densidad del aire, 1,29 (Kg m³)

Tabla 6.2. Aire introducido por infiltración o ventilación. V verano V invierno

(1 a 1,5)x Volumen de la habitación (1,5 a 2)x Volumen de la habitación

De la ecuación (6.2), se obtiene la ecuación (6.5)

qa= 0,358 x V

(6.5)

Cálculo 4: Calor requerido para calefacción.

qr= qp + qa qr: calor total requerido para calefacción (W°C)

(6.6) .

Cálculo 5: Demanda de calefacción. La demanda de calefacción se calcula mensualmente e incorpora los valores de Grados días mes (promedio bajo 18,3°C) para la ciudad de Temuco.

Qm= 86,4 x qr x GDM

(6.7)

Qm: demanda de energía mensual requerida para calefacción (Kj/mes). GDM: grados días mes. Cálculo 6: Potencia de calefacción.

q = qr x (Ti – Te)

(6.8)

q: potencia de calefacción (W). Ti: temperatura interior=18,3°C Te: temperatura exterior promedio mensual (°C).

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

6.2.2Cálculo de Aporte de Energía por Muro Trombe. Se presenta el método de cálculo de la energía aportada por el muro, en relación a la demanda de energía que también incluye al muro como elemento constituyente de la envolvente de la habitación y que implica pérdidas y aportes térmicos. Cálculo 1: Aporte del Muro Trombe. Con la ecuación (6.1) se determina el aporte del muro Trombe. Se considera que el rendimiento o energía que pasa el vidrio es aproximadamente un 88,4%, pero por margen de error y la variación que existe en los diversos tipos de vidrios, para los cálculos se toma un rendimiento de 0,8 para muros con un vidrio y 0,7 para muros con 2 vidrios. AE=ITP x Re x AM

(6.9)

AE: aporte del elemento (MJ). ITP: insolación total en el plano (MJ/m²). Re: Rendimiento del vidrio. AM: área del muro (m2). Cálculo 2: Pérdida del Muro Trombe. Se calcula la energía perdida a través del muro, para lo cual debemos tener el área del muro y los Grados días mes de Temuco usados en el cálculo de calefacción requerida.

PE1=0,608 x AM x GDM PE2=0,294 x AM x GDM

(6.10) (6.11)

PE1: pérdida del elemento con 1 vidrio (MJ). PE2: pérdida del elemento con 2 vidrios (MJ). Cálculo 3: Aporte neto del Muro Trombe.

Aporte neto= AE – PE (MJ)

(6.12)

Cálculo 4: Aporte total anual y factor solar. El aporte total es la suma de todos los aportes que realizan los sistemas de calefacción solares que se utilizarán en la habitación, en este caso el muro Trombe.

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

Generalmente en una habitación también están presentes las ventanas como sistema solar pasivo directo común en todas las viviendas, si se incluyeron las pérdidas de las ventanas en el cálculo de demanda de calefacción, también se debe incluir el aporte térmico que realizan. En las planillas de cálculo se adjunta tabla para el cálculo de aporte solar de las ventanas. El aporte total anual es la suma de los aportes mensuales. El factor solar es el porcentaje de demanda de energía de calefacción satisfecha por el aporte del o los sistemas solares pasivos en uso. El factor solar resulta de la siguiente ecuación: Factor solar anual = (Aporte total anual) / Qm

(6.13)

6.3Rendimiento del Muro Trombe como Componente Independiente. Los procedimientos que se detallan a continuación permiten calcular el rendimiento del Muro Trombe como un componente independiente, para calefacción diurna y nocturna.

Rendimiento del Muro Trombe como Componente Independiente Pérdida Térmica

AE = S1 * ITP * P

R1= 1/ U total del vidrio R2= 1/U total del muro

C = AE / S útil

Qh día= (Ti – Te) * S1 * (1/R1) * Hdía Qh noche = (Ti – Te) * S2 * (1/R1) * Hnoche Ph = Qh día + Qh noche

F = Ph / S útil

Figura 6.4.Mapa conceptual, Rendimiento del Muro Trombe como componente independiente.

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

6.3.1Cálculo de Pérdidas de Calor de la habitación. Para este cálculo se determinan las pérdidas de calor durante las horas de luz y las pérdidas en la noche, llamadas pérdidas horarias. Cálculo 1: Resistencia al paso de calor. Según el mismo procedimiento que el capítulo 6.1.1 se calcula la resistencia al paso del calor del vidrio (R1) y del muro (R2).

R1=

1 U total del vidrio

(6.14)

R2=

1 U total del muro

(6.15)

Cálculo 2: Pérdidas horarias del día.

Qh día= (Ti – Te) * S1 * ( 1 ) * H día R1

(6.16)

Qh día: pérdida horaria del día (Wh/día) Ti: temperatura interior = 18,3°C Te: temperatura media diaria al exterior de la habitación durante el día (°C). S1: superficie del vidrio (m²) H día: horas del día (ecuación (3.11) ) Cálculo 3: Pérdidas horarias de la noche.

Qh noche = (Ti – Te) * S2 * ( 1 ) * H noche R1

(6.17)

Qh noche: pérdida horaria en la noche (Wh/día) Ti: temperatura interior = 18,3°C Te: temperatura media diaria al exterior de la habitación durante la noche (°C). S2: superficie del muro (m²) H noche: horas de la noche (ecuación (3.11))

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

Cálculo 4: Pérdidas horarias totales.

Ph = Qh día + Qh noche

(6.18)

Ph: pérdidas horarias totales (Wh/día).

Cálculo 5: Coeficiente global por pérdidas locales.

F = Ph S útil

(6.19)

F: coeficiente global por pérdidas locales (Wh/día*m²). S útil: superficie útil de la habitación (m²).

6.3.2Cálculo de Aporte de Energía por Muro Trombe. Se calcula considerando la superficie del vidrio, el aporte solar del día y el porcentaje de calor que transfiere el muro de la radiación incidente. Cálculo 6: Aporte del elemento.

AE = S1 * ITP * P

(6.20)

AE: aporte del elemento (Wh/día) ITP: insolación total en el plano (Wh/m² *día) P: porcentaje de energía transmitida por el muro (%). El porcentaje de energía transmitida por el muro se puede determinar por medio de la figura 6.5. Sobre el eje horizontal se encuentra la relación de superficie captadora dividida por la superficie útil y con el coeficiente de pérfidas locales se entra al eje vertical para obtener el porcentaje de energía transmitida por el muro.

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

Figura 6.5. Gráfico para determinar el porcentaje de energía transmitida por el Muro Trombe.

Cálculo 7: Coeficiente de aporte térmico. Es el aporte del elemento en relación a la superficie útil de la habitación.

C = AE / Sutil

(6.21)

C: Coeficiente de aporte térmico (Wh/m²*día). 6.4Rendimiento del Muro Trombe para Enfriamiento. El Muro Trombe para enfriamiento funciona básicamente de dos maneras, aumentando la humedad relativa del aire al interior de la habitación o mediante ventilación. Se ha comprobado experimentalmente que el aumento en la humedad relativa del aire que atraviesa las compuertas humidificadoras rodea el 10% y de esa manera se genera más enfriamiento cuando es más requerido. Como se explica en el capítulo 3.6.3, la humedad relativa del aire influye en la sensación térmica del ser humano, al igual que la ventilación que se produce entre la compuerta humidificadora y las compuertas inferiores del Muro Trombe. El criterio de aumentar la humedad del aire, es útil cuando en las horas de mayor calor la humedad relativa es muy baja (menor a 30%), en estos Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 6 CÁLCULO DE RENDIMIENTO

casos la humedad del aire se aumenta para estar dentro del rango de 30% a 60% que permite el bienestar térmico. Para Temuco, en la mañana, al mediodía y en la tarde, el porcentaje de humedad relativa promedio mensual esta ente 50% y 80%, zona de bienestar térmico, por lo cual aumentar la humedad solo empeoraría la sensación térmica el las horas de mayor calor. Es posible utilizar el criterio en casos particulares con altas temperaturas. Supongamos la situación que se describe en la tabla 6.3.

Tabla 6.3. Temperaturas obtenidas con el uso del Muro Trombe para enfriamiento.

Temperatura exterior (°C) Humedad exterior (%) Humedad interior (%) Temperatura interior (°C) Sensación térmica (°C)

10:00 AM 20 52 62 15 20

15:00 PM 32 20 30 22 22

17:00 PM 22 45 55 16 20

Para disminución de la humedad relativa de un 10%, la temperatura disminuye en alrededor de 5°C a las 10:00AM, alrededor de 10°C a las 15:00PM y 6°C a las 17:00PM (Sarmiento, 2007), de lo cual se obtienen las temperaturas interiores en la habitación para las horas de mayor temperatura durante el día. Aunque algunas temperaturas son inferiores a las necesarias para lograr el bienestar térmico, se observa que la sensación térmica aumenta para humedades relativas superiores al 30%, según tabla 3.15. Para las condiciones dadas, el Muro Trombe con compuertas humidificadoras permite mantener durante el día temperaturas dentro de los límites de bienestar térmico. Se concluye que este tipo de uso para el Muro Trombe con compuertas humidificadoras es utilizable especialmente en días de altas temperaturas y bajas humedades relativas. La construcción de este muro sería optimizada si se le diera un uso mixto, por ejemplo como muro para calefacción diurno en los meses o periodos de frío y como muro para enfriamiento en los días de calor. La ventilación a través del Muro Trombe también colabora al enfriamiento ya que bajo el 80% de humedad relativa, disipa la energía del cuerpo humano y cambia el aire caliente al interior de la habitación. El desplazamiento del aire es igual al de la figura 4.6, con compuertas humidificadores, pero para ventilar solo se requieren las compuestas tradicionales en el muro contrario al Muro Trombe, lo ideal es que este localizado en barlovento y al centro del muro, ya que de este modo la presión es igual y el viento entrará de frente a la habitación. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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CAPÍTULO 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

7.1Ejemplo de Diseño en Viviendas Ubicadas en la Ciudad de Temuco. Para el cálculo del aporte de un Muro Trombe en una vivienda ubicada en la ciudad de Temuco se utilizaron los datos de resistencia de materiales de la tabla 3.11. Para la simulación de diseño se trabajará teóricamente con una habitación con Muro Trombe adosado y características que cumplen con lo especificado en el artículo 4.1.10 de Reglamentación Térmica de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones. De la Reglamentación Térmica se eligió un muro tipo exterior y un techo tipo para el diseño y según la clasificación climática de Temuco que corresponde a zona 5 (GD mayores a1250 y menores o igual a 1500).

Figura 7.1.Muro de hormigón armado con aislante térmico adosado a cara interior, usado en muros exteriores de habitación con Muro Trombe diurno.

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Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Figura 7.2. Solución de techumbre con aislante térmico rígido. Tabla 7.1. Características de la habitación elegida para diseño de Muro Trombe. Elemento

Material

Ventanas

Vidrio simple DVH Hormigón armado Poliestireno Yeso -cartón Estuco Hormigón armado Poliestireno Vidrio DVH Hormigón armado Enlucido de yeso Hormigón armado Enlucido de yeso Yeso -cartón Poliestireno Terciado Radier hormigón Poliestireno

Muro perimetral

Muro Trombe

Muro interior Muro interior Techo(cielo) Puerta Piso

Espesor(m) Muro Trombe diurno 0,005 6-10-6mm 0,15 0,02 0,01 0,01 0,20 0,02 0,005 6-10-6mm 0,15 0,01 0,15 0,01 0,01 0,12 0,045 0,08 0,05

Espesor(m) Muro Trombe nocturno 0,005 6-10-6mm 0,15 0,02 0,01 0,01 0,4 0,0 0,005 6-10-6mm 0,15 0,01 0,15 0,01 0,01 0,12 0,045 0,08 0,05

Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

m2

1,68 1,68 5,82 5,82 5,82 5,82 10,0 10,0 7,82 7,82 6,90 13,8 7,8 15,6 12,0 1,40 12,0

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Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Tabla 7.2. Resistencia al paso del calor para una habitación con las características señaladas en tabla 7.1, Muro Trombe diurno. CÁLCULO DE RESISTENCIA TOTAL AL PASO DE CALOR(R total), PARA COMPROBAR EL CUMPLIMIENTO DE LA OGUC N° R R total ELEMENTO ELEMENTO COMPONENTES (m2°k/W) (m2°K/W) Ventanas v1 vidrio simple 0,1720 1,373 Rsi+Rse 0,0009 marco pvc 1,2000 Muros Perimetrales m1 Masa estructural 0,0885 Aislante 0,5080 Revestimiento 0,0617 Rsi+Rse 0,0001 0,658 MT m2 Masa estructural 0,1180 Aislante 0,5080 Revestimiento 0,0000 Rsi+Rse 0,0001 0,626 Interiores m3 Masa estructural 0,0885 Otros materiales 0,0286 Rsi+Rse 0,0001 0,117 m4 Masa estructural 0,0885 Otros materiales 0,0286 Rsi+Rse 0,0001 0,117 Techo T1 Revestimiento 0,0001 Aislante 3,0480 Rsi+Rse 0,0001 3,048 Puertas Puerta 1 Terciado 0,0001 Cámara de aire 0,0002 Terciado 0,0001 Rsi+Rse 0,0005 0,001 Piso P1 Masa estructural 0,0472 Aislante 1,2700 Rsi+Rse 0,0000 1,317

Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

La tabla 7.2 demuestra que los muros cumplen con la resistencia requerida que para la zona 5 es de 0,63 m2°k/W, y cumple con la resistencia para techo que es de 3,03 m2°k/W.

Tabla 7.3. Resistencia al paso del calor para una habitación con las características señaladas en tabla 7.1, Muro Trombe nocturno. CÁLCULO DE RESISTENCIA TOTAL AL PASO DE CALOR(R total), PARA COMPROBAR EL CUMPLIMIENTO DE LA OGUC N° R R total ELEMENTO ELEMENTO COMPONENTES (m2°K/W) (m2°C/W) Ventanas v1 vidrio simple 0,1720 1,373 Rsi+Rse 0,0009 marco pvc 1,2000 Muros Perimetrales m1 Masa estructural 0,0885 Aislante 0,5080 Revestimiento 0,0617 Rsi+Rse 0,00003 0,6582 MT m2 Masa estructural 0,2360 Aislante 0,0000 Revestimiento 0,0000 Rsi+Rse 0,0001 0,2361 Interiores m3 Masa estructural 0,0885 Otros materiales 0,0572 Rsi+Rse 0,00004 0,1457 m4 Masa estructural 0,0885 Otros materiales 0,0572 Rsi+Rse 0,00004 0,1457 Techo T1 Revestimiento 0,0001 Aislante 3,0480 Rsi+Rse 0,0000 3,048 Puertas Puerta 1 Terciado 0,0001 Cámara de aire 0,0002 Terciado 0,0001 Rsi+Rse 0,0765 0,077

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Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

ELEMENTO N°ELEMENTO COMPONENTES R(m2°C/W) Rtotal(m2°C/W) Piso P1 Masa estructural 1,2700 Aislante 0,0045 Rsi+Rse 0,00001 1,275 La tabla 7.3 demuestra que el techo cumple con la resistencia requerida, además el muro exterior cumple con la resistencia que para la zona 5 es de 0,63 m2°k/W, pero el muro 2, correspondiente al Muro Trombe no logra la resistencia necesaria, considerando que el espesor del muro es de 0,4m, para lograr la resistencia manteniendo el uso del muro para calefacción nocturna seria necesario aumentara mucho el espesor o modificar los materiales componentes del muro, lo cual no es factible económicamente ni para el uso del sistema pasivo, por estos motivos lo referente a los cálculos de rendimiento del Muro Trombe nocturno se desarrollan en el anexo B.

7.2Rendimiento del Muro Trombe para uso diurno. 7.2.1Rendimiento como Componente de la Habitación. Cálculo de pérdida de calor de la habitación. Cálculo 1: Resistencia al paso de calor. Tabla 7.4. Cálculo de resistencia total al paso del calor para Muro Trombe diurno. ELEMENTO N°ELEMENTO COMPONENTES Ventanas v1 vidrio simple Rsi+Rse marco pvc Muros Perimetrales m1 Masa estructural Aislante Revestimiento Rsi+Rse MT m2 Masa estructural Aislante Rsi+Rse Interiores m3 Masa estructural Otros materiales Rsi+Rse m4 Masa estructural

R(m2°C/W) Rtotal(m2°C/W) 0,1587 0,00085 0,00437 0,09150 0,48600 0,00023 0,02550 0,12200 0,48600 0,03400 0,09150 0,00020 0,03600 0,09150

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0,164

0,603

0,642

0,128 0,128 91

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

T1

Puerta 1

P1

Rsi+Rse Techo Revestimiento Aislante Rsi+Rse Puertas Terciado Camara de aire Terciado Rsi+Rse Piso Masa estructural Aislante Rsi+Rse

0,03600 0,038 2,916 0,021

2,975

0,0001 0,0700 0,0001 0,0077

0,078

0,0480 1,2150 0,0176

1,281

Cálculo 2: Calor perdido por la estructura.

Tabla 7.5. Calor perdido por la estructura, para Muro Trombe diurno.

ELEMENTO N°ELEMENTO v1 Perimetrales m1 m2 Interiores m3 m4 T1 Puerta 1 P1

ÁREA R total U (m) (W/m2°C) (W/M2°C) Ventanas 1,68 0,16392 6,10 Muros 5,82 0,603226 1,66 10 0,642 1,56 7,8 0,1277 7,83 6,9 0,1277 7,83 Techo 12 2,975 0,34 Puertas 1,4 0,07786 12,84 Piso 12 1,2806 0,78

TOTAL qp

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qp (W/°C) 10,25 9,65 15,58 61,08 54,03 4,03 17,98 9,37 181,97

92

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Cálculo 3: Calor perdido por infiltración o ventilación.

Tabla 7.6. Calor perdido por infiltración o ventilación, para Muro Trombe diurno. Aire introducido Volumen por Habitación(m3) infiltración(V) 1,5 27,60

V Total (m3) 41,4

qa (W/°C) 14,835

Cálculo 4: Calor requerido para calefacción.

Tabla 7.7. Calor total requerido para calefacción, Muro Trombe diurno. Elemento Al aire Al suelo Total

qp 172,60 9,37 181,97

qa 14,84 14,84

qr(W/°C) 187,44 9,37 196,81

Cálculo 5: Demanda de calefacción.

Tabla 7.8. Demanda de calefacción. Mes ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE TOTAL

GDM 89 85 131 196 263 313 330 317 261 217 162 118

Qm(Kj/mes) 1.513.368 1.445.351 2.227.542 3.332.810 4.472.087 5.322.294 5.611.364 5.390.311 4.438.079 3.689.897 2.754.670 2.006.488 42.204.262

Cálculo de Aporte de Energía por Muro Trombe Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

93

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Cálculo 1: Aporte neto del Muro Trombe. De las tablas de cálculo 7.9 y 7.10, se desprende que el aporte neto del Muro Trombe con doble vidriado hermético y ventanas del mismo tipo, es mayor que el muro con un vidrio. Sin embargo el aporte neto del Muro Trombe con doble vidriado hermético es mayor por que la resistencia térmica del DVH es mayor, pero si comparamos el aporte independiente de las pérdidas térmicas, el aporte del muro con DVH es menor por que el paso de la radiación también disminuye con ese tipo de vidriado. Tabla 7.9. Aporte de energía por uso de Muro Trombe diurno con 1 vidrio. APORTE PÉRDIDA DEL NETO APORTE DEL (MJ) MES ELEMENTO(MJ) ELEMENTO(MJ) ENERO 2.561,9 423,2 2.138,7 FEBRERO 2.144,1 404,1 1.739,9 MARZO 1.743,5 622,8 1.120,6 ABRIL 1.039,7 931,9 107,9 MAYO 601,2 1.250,4 -649,2 JUNIO 465,4 1.488,2 -1.022,7 JULIO 601,2 1.569,0 -967,8 AGOSTO 954,2 1.507,2 -553,0 SEPTIEMBRE 1.477,0 1.240,9 236,1 OCTUBRE 1.850,1 1.031,7 818,4 NOVIEMBRE 2.098,3 770,2 1.328,0 DICIEMBRE 2.474,6 561,0 1.913,6 TOTAL 18.011,3 6.210,5

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94

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Tabla 7.10. Aporte de energía por uso de Muro Trombe diurno con doble vidriado hermético.

MES ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE TOTAL

PÉRDIDA DEL APORTE DEL ELEMENTO(MJ) ELEMENTO(MJ) 2.241,7 1.876,0 1.525,5 909,8 526,1 407,3 526,1 834,9 1.292,4 1.618,9 1.836,0 2.165,3 15.759,9

204,6 195,4 301,2 450,6 604,7 719,6 758,7 728,8 600,1 498,9 372,5 271,3

APORTE NETO (MJ) 2.037,0 1.680,6 1.224,4 459,2 -78,6 -312,3 -232,6 106,1 692,4 1.120,0 1.463,5 1.894,0 10.053,5

Figura 7.3. Energía neta aportada por Muro Trombe.

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95

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

De la figura 7.3 se obtiene que la energía aportada por un Muro Trombe con doble vidriado hermético en la mayoría de los meses es mayor que un muro con vidriado simple, especialmente en los meses de invierno en los cuales se requiere más calefacción. Aunque la energía aportada en invierno no es suficiente para suplir las pérdidas generadas por el muro. Cálculo 4: Aporte total anual y factor solar.

Tabla 7.11. Aporte de sistemas pasivos y factor solar anual de sistemas pasivos.

USO Diurno, 1 vidrio Diurno, DVH

DEMANDA DE CALEFACCIÓN(MJ)

APORTE DE SISTEMAS PASIVOS MURO VENTANAS TROMBE

TOTAL APORTE MJ

FACTOR SOLAR ANUAL

42.204

6.210

1.564

7.774

18,42%

33.848

10.054

2.269

12.322

36,41%

El aporte térmico de los sistemas pasivos, Muro Trombe diurno y ventana, es claramente mayor en sistemas pasivos con doble vidriado hermético (DVH), que los diseñados con un vidrio. Lo mismo ocurre con el factor solar anual.

Tabla 7.12. Factor solar anual del Muro Trombe. USO Diurno, 1 vidrio Diurno, DVH

FACTOR SOLAR ANUAL MURO TROMBE 14,72% 29,70%

El factor solar anual relaciona el aporte del muro con la demanda de calefacción, o sea es el porcentaje de la demanda de calefacción que es cubierto por el uso del muro. Para las condiciones dadas, el Muro Trombe para uso diurno con DVH aporta anualmente un 29,7% de los requerimientos de calefacción de la habitación, o sea, un 14,98% más que un Muro Trombe con vidrio simple.

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96

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Figura 7.4. Factor de aporte solar de Muro Trombe con vidriado simple.

Figura 7.5. Factor de aporte solar de Muro Trombe con doble vidriado. Se mencionó anteriormente que el aporte neto del muro es negativo en los meses de invierno, esto se ratifica con las figuras 7.4 y 7.5 se observa que el factor solar o aporte a la calefacción no es suficiente en los meses de invierno, pero claramente el aporte es mayor en el muro con vidriado doble que en el muro con vidriado simple. Las temperaturas de la ciudad de Temuco son variables durante el día, especialmente en verano, las temperaturas durante la noche y la mañana son muy inferiores a las temperaturas registradas durante el medio día, y además inferiores a los 18,3ºC que se consideran necesarios para el bienestar térmico. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

97

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Esas características de temperatura podrían permitir el uso del Muro Trombe para calefaccionar en las mañanas y en las noches, especialmente entre los meses entre Septiembre y Abril ya que el aporte solar es considerable. En los meses de calor, al medio día el muro puede ser configurado para la eliminación del calor recibido, utilizar elementos que impidan el paso de la radiación o puede ser usado como sistema de enfriamiento, por medio de ventilación, como se indica en el capítulo 4.

7.2.2 Rendimiento como Componente Independiente. Se calculará el rendimiento del Muro Trombe para las características especificadas en la tabla 7.1. Cálculo de Pérdidas de Calor de la habitación. Cálculo 1: Resistencia al paso de calor.

Tabla 7.13. Resistencia al paso del calor del vidrio y del muro. Muro Trombe 1 vidrio DVH

diurno diurno

R1 R2 (m2°C/W) (m2°C/W) 0,642 0,164 0,642 1,146

Cálculo 2: Pérdidas horarias del día (Wh/día). Primero se deben calcular las horas del día, a partir de las ecuaciones (3.10) y (3.11). El ejemplo se calculará para el 5 de Enero, 5 de Junio y el 5 de Octubre. Enero: D= -22,65° L= -38,44 Hs= arccos (-tgD * tgL) = 109,3° Hdía =2Hs/15 = 14 hrs Junio: D= 22,54° L= -38,44 Hs= arccos (-tgD * tgL) = 70,8° Hdía =2Hs/15 = 10 hrs Octubre: D= -5,79° L= -38,44 Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

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Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Hs= arccos (-tgD * tgL) = 94,6° Hdía = 2Hs = 13 hrs 15 Luego, para los siguientes datos: Temperatura interior, Ti = 18,3°C Se promedia la temperatura exterior para las horas del día (tabla 7.14) y según la tabla del anexo C.1, de lo cual: Tabla 7.14. Temperaturas medias.

Enero Junio Octubre

T media día 19,5 8,6 13,4

T media noche 11,4 6,6 9,4

Finalmente se calculan las pérdidas horarias según ecuación (6.16).

Tabla 7.15. Pérdidas horarias del día. Muro Trombe 1 vidrio diurno DVH diurno

R1 (m2°C/W) 0,164 1,146

Q día Q día Enero Junio -825,87 4.601,88 -118,19 658,56

Q día Octubre 3.013,08 431,19

Cálculo 3: Pérdidas horarias de la noche (Wh/día). Se obtiene de igual manera que para el cálculo de las pérdidas horarias del día, pero con la temperatura exterior existente durante la noche, según ecuación (6.17). Tabla 7.16. Pérdidas horarias de la noche. Muro Trombe 1 vidrio diurno DVH diurno

R2 (m2°C/W) 0,642 0,642

Q noche Enero 834,60 834,60

Q noche Junio 2.001,90 1.193,83

Q noche Octubre 1.193,83 2.001,90

Cálculo 4: Pérdidas horarias totales (Ph), los resultados se presentan en la tabla 7.17.

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Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Cálculo 5: Coeficiente global por pérdidas locales (F). Se obtuvieron las pérdidas locales del ejemplo del Muro Trombe para una superficie útil de la habitación de 12 m².

Tabla 7.17. Coeficiente global por pérdidas locales. Muro Trombe 1 vidrio diurno DVH diurno

Total Ph Enero 8,73 716,41

F 0,73 59,7

Total Ph Junio 6603,77 2231,48

F 550,31 185,96

Total Ph Octubre 4.267 1.951

F 351 163

Cálculo de Aporte de Energía por Muro Trombe. Se calcula considerando la superficie del vidrio, el aporte solar del día y el porcentaje de calor que transfiere el muro de la radiación incidente. Cálculo 1: Aporte del elemento. El porcentaje de energía transmitida se obtiene de la figura 6.3, por el eje horizontal se entra con un valor de la relación entre superficie del muro captador y la superficie útil de la habitación 0,65. El aporte del elemento se obtiene de la ecuación (6.20). Tabla 7.18. Aporte del Muro Trombe (Wh/ día). APORTE ENERO P (%) AE Enero Enero (Wh/día)

Muro Trombe 1 vidrio diurno 16,0% DVH diurno 18,5%

4.590 5.307

APORTE JUNIO P (%) AE Jun. Junio (Wh/día) 37,0% 26,0%

1.993 1.400

APORTE OCTUBRE P (%) AE Oct. Octubre (Wh/día) 32,5% 24,0%

6.733 4.972

En la tabla 7.18 se observa que las pérdidas térmicas en el muro con doble vidriado hermético (DVH) son menores que en el vidrio simple, al igual que su aporte, por lo cual para este caso no se justificaría su utilización, ya que los costos de construcción son mayores. En la figura 7.6 se grafica la energía mensual aportada por el muro en relación a la energía de entrada, correspondiente a la radiación solar. En general, a mayor energía solar de entrada, mayor es el aporte térmico del Muro Trombe, excepto en Octubre, donde el aporte del muro con vidrio simple es mayor que en Enero. La energía neta aportada por el muro no solo depende de la energía solar de Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

100

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

entrada, también de la diferencia de temperatura entre el exterior e interior de la habitación; en Octubre esta diferencia de temperatura es mayor que en Enero y como el vidrio es simple transmite en un mayor porcentaje la energía solar, aumentando el aporte térmico. Se observa que el aporte de un Muro Trombe construido con vidrio simple es mayor que un muro con doble vidriado hermético (DVH), en los meses de mayores requerimientos térmicos.

Octubre Enero

Junio

Figura 7.6. Energía neta aportada por el Muro Trombe.

Cálculo 2: Coeficiente de aporte térmico (Wh/ m²día).

Tabla 7.19. Coeficiente de aporte térmico del Muro Trombe. C (Wh/m²día) C (Wh/m²día) C (Wh/m²día) Enero Junio Octubre 1 vidrio diurno 382 166 561 DVH diurno 442 117 414 Muro Trombe

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101

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

7.3 Costos Asociados. 7.3.1Costos de Construcción. Se presentan los costos de construcción de un Muro Trombe de 7,82m² de superficie vertical captadora, adosado a una habitación de 12m² que se describe en la tabla 7.1. Los costos se calcularon para Muro Trombe de uso diurno y nocturno, y para los materiales más comunes y duraderos en la construcción de la estructura que soporta el vidrio del Muro Trombe, el aluminio y el policloruro de vinilo (PVC). Costos de Construcción para Muro Trombe de uso Diurno.

Tabla 7.20.Costo de construcción, vidrio simple, estructura de aluminio. Descripción

Unidad Cantidad Precio unitario Total UF

Muro hormigón armado H-25 e=0,2m m3

1,564

11,19

17,49

Aislante y revestimiento

m2

7,82

0,29

2,25

Vidrio e=5mm, estructura aluminio TOTAL

m2

10,1

1,57

15,87 35,61

Tabla 7.21.Costo de construcción, DVH, estructura de aluminio. Descripción Muro hormigón armado H-25 e=0,2m Aislante y revestimiento DVH, 6mm-10mm-6mm, estructura aluminio TOTAL

Unidad Cantidad Precio unitario Total UF m3 m2

1,564 7,82

11,19 0,29

17,49 2,25

m2

10,1

2,77

28,00 47,75

Tabla 7.22.Costo de construcción, vidrio simple, estructura de PVC. Descripción

Unidad Cantidad Precio unitario Total UF

Muro hormigón armado H-25 e=0,2m m3 Aislante y revestimiento m2 Vidrio e=5mm, estructura PVC m2 TOTAL

1,564 7,82 10,1

11,19 0,29 1,06

Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco

17,49 2,25 10,73 30,48

102

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Tabla 7.23.Costo de construcción, DVH, estructura de PVC. Descripción Muro hormigón armado H-25 e=0,2m Aislante y revestimiento DVH, 6mm-10mm-6mm, estructura pvc TOTAL

Unidad Cantidad Precio unitario Total UF m3 1,564 11,19 17,49 m2 7,82 0,29 2,25 m2

2,64

10,1

26,67 46,42

De los valores obtenidos se observa que el costo de un muro con estructura del vidriado en aluminio es más costoso que el muro con estructura del vidriado de pvc. De los dos materiales el pvc es mejor para la construcción del vidriado del Muro Trombe por que con su uso disminuyen las posibilidades de pérdidas térmicas. El pvc tiene menor coeficiente de transferencia de calor, por lo cual su comportamiento como puente térmico es inferior al del aluminio. La construcción del captador con doble vidriado hermético es alrededor de un 30% más cara que si se usara vidrio simple, pero su aporte a la resistencia térmica del muro es aproximadamente 50% mayor que el vidrio simple. Se debe mencionar que los costos incluyen instalación y construcción del muro completo. Costos de Construcción para Muro Trombe de uso Nocturno.

Tabla 7.24.Costo de construcción, vidrio simple, estructura de aluminio.

Descripción

Unidad

Muro hormigón armado H-25 e=0,4m m3 Vidrio e=5mm, estructura aluminio

m2

Precio Cantidad unitario

Total UF

3,128

11,19

34,99

10,1

1,57

15,87

TOTAL

50,86 Tabla 7.25.Costo de construcción, DVH, estructura de aluminio. Precio Total UF Unidad Cantidad unitario m3 3,128 11,19 34,99

Descripción Muro hormigón armado H-25 e=0,4m DVH, 6mm-10mm-6mm, estructura aluminio m2 TOTAL

10,1

2,77 28,00 62,99

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103

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Tabla 7.26.Costo de construcción, vidrio simple, estructura de PVC.

Descripción Muro hormigón armado H-25 e=0,4m

Precio Total Unidad Cantidad unitario UF m3 3,128 11,19 34,99

Vidrio e=5mm, estructura PVC

m2

10,1

1,06

TOTAL

10,73 45,72

Tabla 7.27.Costo de construcción, DVH, estructura de PVC. Precio Descripción Unidad Cantidad unitario Muro hormigón armado H-25 e=0,4m m3 3,128 11,19 DVH, 6mm-10mm-6mm, estructura pvc m2 10,1 2,64 TOTAL

Total UF 34,99 26,67 61,66

La diferencia en los costos de construcción entre el muro de uso diurno y nocturno, es que el último tiene un espesor mayor y no posee aislante ni revestimiento. En cuanto a las características del vidrio y su estructura, se concluye que es económica y térmicamente más conveniente en la construcción del muro el uso de doble vidriado hermético con estructura de pvc. Un muro de ladrillo tiene un costo inferior a uno de hormigón armado y sus resistencias térmicas son similares, pero un muro de albañilería solo se podría usar para un muro de uso diurno que contempla aislación, ya que para la zona térmica 5 según la reglamentación térmica Chilena, no es posible usar albañilería de ladrillo sin aislante. 7.3.1Costos de Calefacción. Se presenta el gasto de combustible para calefaccionar una habitación de 12m² que se describe en la tabla 7.1. Los costos se calcularon para Muro Trombe de uso diurno y nocturno, para el mes de Junio, por ser un mes frío característico de invierno. Los gastos de calefacción dependen de la cantidad de tiempo que los habitantes usen calefacción o estén habitando el lugar. La tabla 7.28 indica la demanda de calefacción del Muro Trombe como componente independiente y como componente de la habitación, para los cálculos se utilizará la demanda de muro como componente independiente ya que este es más representativo para el estudio del Muro Trombe.

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104

Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Tabla 7.28.Demanda de calefacción (Qm).

Vidrio Simple DVH

Muro Trombe como componente independiente Qm (KWh) 0,143 0,013

Muro Trombe como componente de la habitación Qm (KWh) 0,244 0,177

Tabla 7.29.Costo de calefacción, para Muro Trombe con vidriado simple. Fuente calorífica Diesel Kerosene Gas licuado Leña Electricidad Fuente calorífica Diesel Kerosene Gas licuado Leña Electricidad

Qm Usando Muro Trombe (Kcal/hr) (Kwh) 142,9 142,9 142,9 142,9

Costo Total UF/hr 0,0004 0,0004 0,0005 0,0001

0,166

0,0010

Qm Sin Muro Trombe (Kcal/hr) (Kwh) 214,4 214,4 214,4 214,4 0,250

Costo Total UF/hr 0,0006 0,0006 0,0008 0,0001 0,0015

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Capítulo 7 RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE EN TEMUCO

Tabla 7.30.Costo de calefacción, para Muro Trombe con doble vidriado hermético. Fuenta calorífica Diesel Kerosene Gas licuado Leña Electricidad Fuenta calorífica Diesel Kerosene Gas licuado Leña Electricidad

Qm Usando Muro Trombe (Kcal/hr) (Kwh) 13,0 13,0 13,0 13,0 0,015

Costo Total UF/hr 0,00003 0,00004 0,00005 0,00001 0,00009

Qm Sin Muro Trombe (Kcal/hr) (Kwh) 63,2 63,2 63,2 63,2 0,074

Costo Total UF/hr 0,00017 0,00017 0,00023 0,00003 0,00043

Los costos de electricidad para calefacción son claramente mayores que los costos de calefacción si se usan combustibles. Los costos de calefacción usando un Muro Trombe con doble vidriado hermético son aproximadamente un 8% menores que si se usa un muro con vidriado simple. Con el uso de un Muro Trombe con vidriado simple el costo de calefacción disminuye aproximadamente un 33%. Lo mismo ocurre si se utiliza un muro con doble vidriado hermético, aunque el costo de calefacción disminuye aproximadamente un 78%. Se debe considerar que los costos de calefacción fueron calculados considerando el muro como un elemento independiente, por lo cual no esta considerada la demanda de calefacción de la habitación en conjunto, sólo la generada por el mismo muro.

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106

CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES

Capítulo 8 CONCLUSIONES

8.1. Conclusiones. • Según los cálculos realizados en el presente trabajo de título, se concluye que las pérdidas térmicas a través del Muro Trombe se pueden disminuir aumentando la resistencia térmica de los materiales que componen el elemento y considerando el tipo de uso que se dará al muro. Esto no es aplicable al captador, ya que para las condiciones dadas, el uso de doble vidriado hermético en la construcción del muro, disminuye las pérdidas térmicas, pero a la vez la energía calórica neta aportada por el muro es menor que usando vidrio simple. • La radiación solar es determinante en el aporte del Muro Trombe. En Temuco la radiación es pequeña comparada con la radiación solar recibida en el norte de Chile, la mínima radiación solar recibida en Temuco es aproximadamente un 50% menor que la mínima recibida en el norte de Chile y la máxima radiación es un 20% menor. La temperatura también es un elemento importante ya que determina los requerimientos de calefacción de la habitación que incorpora el muro. Las temperaturas en Temuco son altas en verano y también la radiación por lo que el aporte del muro para calefacción es considerable, pero justamente en los meses de calor no se requiere calefaccionar. En el caso de utilizar un muro para enfriamiento por compuertas humidificadoras, se debe considerar que este método funciona cuando la humedad relativa es muy baja, pero en Temuco las humedades relativas están siempre sobre el 50%, por lo que se podría usar sólo en días puntuales. Si se quiere enfriar la habitación de una vivienda en Temuco usando un Muro Trombe es más factible usarlo para ventilar la habitación. • El aporte térmico de un Muro Trombe ubicado en la ciudad de Temuco en la mayoría de los meses bordea el 2% mensual, pero en los meses de invierno el muro solo genera pérdidas de calefacción al ser considerado como un componente de la habitación. Si se considera como un elemento independiente existe un aporte durante todo el año, pero en invierno sólo llega a un 25% de la demanda de calefacción. En resumen, si se usa el muro, es necesario usar otros sistemas de calefacción. Es posible mejorar el rendimiento del muro por medio de la reducción de pérdidas térmicas, pero esto implica mayores costos de construcción. • El costo de construcción de un Muro Trombe en la ciudad de Temuco es aproximadamente un 50% mayor que si sólo se construyera un muro perimetral tradicional de Hormigón armado y aun mayor si se compara con otros muros colectores como la albañilería de ladrillo. Los costos de construcción del muro para una habitación de 12m² bordean las 50UF y los costos de calefacción anual las 0,25Uf por m² por lo cual la construcción del muro se amortiza en aproximadamente 17 años. El costo de la construcción del muro es accesible, para la población de ingresos medios, pero es más conveniente económicamente usar otros sistemas de calefacción solar como un colector solar térmico.

Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco.

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Capítulo 8 CONCLUSIONES

• El Muro Trombe es un sistema solar económicamente sostenible ya que su uso no implica costos de mantención, por ser un sistema pasivo. • El Muro Trombe proporciona una propuesta de colaboración a la calefacción de la vivienda ambientalmente limpia, ya que no genera residuos en su funcionamiento. Comentarios. • Actualmente en Chile no existen viviendas conocidas que hayan incorporado en su construcción el Muro Trombe, pero existen algunos proyectos para una obras de edificación futuras, además actualmente está en construcción una vivienda, que incorpora el Muro Trombe y por una inmobiliaria, justamente para probar el aporte de diversos sistemas solares al bienestar térmico que proporciona la vivienda al ser humano. Se debe mencionar además que en Chile muchas edificaciones incorporan sistemas similares al Muro Trombe como invernaderos adosados y muros ventilados. • Se mencionará además que el Muro Trombe se ha construido en otros países como Francia, Alemania, Portugal y en países más cercanos como Argentina y en Perú, donde se usaron materiales de la zona como el adobe. • Existen diversos materiales posibles de utilizar en la construcción de un Muro Trombe, lo ideal es utilizar aquellos con mayor aporte a la resistencia térmica del elemento, pero se debe considerar que el costo también es relevante ya que un costo excesivamente alto no justifica la construcción del muro. A través del uso de un buen material se disminuyen las pérdidas térmicas, pero no es posible aumentar el aporte real del muro, porque también depende de la radiación solar recibida. • En el presente trabajo de título se ha concluido que no es rentable la utilización de un Muro Trombe en Temuco, sin embargo el futuro aeropuerto de la ciudad incluye en el proyecto este sistema. Se debe considerar que uno de los principales objetivos del proyecto aeronáutico es realizar una metodología de construcción sustentable que privilegia la utilización de energías renovables, pero las etapas de pre diseño y diseño pronostican un funcionamiento óptimo de los sistemas pasivos, pero no los certifican. Producto de la connotación mapuche del lugar de construcción, el proyecto arquitectónico debió contemplar una amplia relación con la orientación solar. Según estos objetivos el Muro Trombe es un sistema que cumple con los requerimientos del proyecto y creo que esos son algunos de los motivos por los cuales e proyecto incluye el sistema. Además, el edificio esta compuesto por un grupo de materiales térmicos (como termo panel, aislante térmico, aislante por reflexión) y sistemas constructivos que disminuyen las pérdidas térmicas, por lo tanto la demanda de calefacción debe ser menor que la demanda calculada en el trabajo de título, esto implicaría que el aporte del Muro Trombe del aeropuerto puede ser mayor que el muro calculado, aunque el costo de construcción también debe ser mayor. Estudio del Muro Trombe y factibilidad técnica de su uso en Temuco.

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Capítulo 8 CONCLUSIONES

• Este trabajo de investigación generó un gran aporte en la formación profesional, ya que durante su desarrollo se aplicaron muchos conocimientos de la construcción y de la ingeniería, especialmente en el diseño y cálculo de rendimiento del Muro Trombe, ya que se debió seleccionar la forma mas adecuada para desarrollar estas etapas adaptándose a las condiciones presentes en la ciudad de Temuco y según los conocimientos obtenidos durante los años de estudio y las primeras etapas del desarrollo del trabajo de título. Además fomentó el aprendizaje de diversas áreas relacionadas con el diseño y construcción del Muro Trombe, como la astronomía, meteorología, conceptos de transferencia de calor y arquitectura, en el trabajo se observa como estas áreas se pueden usar para construir optimizando los recursos naturales y los materiales presentes en la construcción. En resumen, el desarrollo del trabajo permitió aplicar conocimientos y entregó herramientas para una mejor construcción.

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ANEXO A PROCEDIMIENTOS PARA EL CÁLCULO DE RADIACIÓN SOLAR PARA DIFERENTES PLANOS, MEDIANTE EL PROGRAMA COMPUTACIONAL GEOSOL.

Anexo A PROCEDIMIENTOS PARA EL CÁLCULO DE RADIACIÓN SOLAR PARA DIFERENTES PLANOS, MEDIANTE EL PROGRAMA COMPUTACIONAL GEOSOL.

Datos. Antes de trabajar con el programa se deben tener los siguientes datos del lugar de instalación del captador solar (Muro Trombe) y del plano para el cual se quiere calcular la radiación. • • • • • • • • •

Radiación solar global horizontal media. Latitud. Longitud. Uso horario. Altitud. Albedo. Pendiente del plano a calcular. Azimut. Día de cálculo.

Procedimiento 1: Ingresar datos del lugar y del plano.

Figura A.1. Imagen del programa previo al ingreso de datos.

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Anexo A PROCEDIMIENTOS PARA EL CÁLCULO DE RADIACIÓN SOLAR PARA DIFERENTES PLANOS, MEDIANTE EL PROGRAMA COMPUTACIONAL GEOSOL.

Figura A.2. Cuadro en el cual se deben ingresar los datos. Procedimiento 2: Elegir un método de cálculo adecuado, según los criterios que se presentan a continuación.

Figura A.3. Cuadro en el cual se debe ingresar el método de calculo seleccionado.

Método de día claro de Page: aplicable solamente a los días sin nubosidad, fue desarrollado por el grupo del Prof. J. K. Page de la Universidad de Sheffield en la década del ´70. Para su uso es necesario dar el contenido de humedad del aire (como presión parcial de vapor) y un parámetro que depende del lugar, la turbidez atmosférica, la cual toma en cuenta la atenuación de la radiación solar debida al polvo y demás aerosoles presentes en la atmósfera. En cuanto al modelo de cielo considera una distribución anisotrópica de la radiación difusa dividiéndola en dos componentes: isótropa de fondo y circumsolar la que, desde el punto de vista geométrico, se trata como directa. Dado que la presión parcial de vapor puede calcularse a partir de la temperatura de bulbo seco y de la humedad relativa del aire, se escogieron estas variables como entradas al programa.

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Anexo A PROCEDIMIENTOS PARA EL CÁLCULO DE RADIACIÓN SOLAR PARA DIFERENTES PLANOS, MEDIANTE EL PROGRAMA COMPUTACIONAL GEOSOL.

Método de día claro de Hottel: utiliza para la estimación de la irradiancia solar directa sobre una superficie normal al haz la ecuación empírica de Hottel, válida hasta los 2.500 m de altura con una visibilidad de 23 Km. Para la estimación de la radiación difusa, GEOSOL emplea el modelo de cielo anisotrópico de Page. La ecuación de Hottel incluye tres coeficientes cuyos valores dependen de la altitud del lugar y de cuatro posibles tipos de clima. En aquellas regiones en que no existe una marcada diferencia entre inviernos y veranos (latitudes entre el Ecuador y los Trópicos) puede seleccionarse el tipo de clima "Tropical". Entre los trópicos y los polos la diferenciación entre invierno y verano aumenta sustancialmente y deben emplearse las opciones "Verano de Latitud media" e "Invierno de Latitud media" según la época del año. Para latitudes próximas a los círculos polares puede emplearse el tipo de clima "Verano Subártico>". Método de Liu-Jordan para día medio mensual: permite estimar las irradiaciones horarias directa y difusa sobre cualquier superficie a partir de la irradiación solar global diaria media mensual sobre superficie horizontal. Dado que deriva de un promedio entre días que pueden ser claros, seminublados o nublados, su valor es más conservativo que el correspondiente a los dos métodos anteriores. En este caso GEOSOL permite seleccionar entre dos modelos de cielo para el tratamiento de la radiación difusa: anisotrópico e isotrópico. Procedimiento 3: Depende del método elegido. Para el Método de día claro de Page se deben ingresar los datos atmosféricos. Para el Método de día claro de Hottel se debe ingresar el tipo de clima. Para el Método de Liu-Jordan se elige un modelo de cielo. Procedimiento 4: Clickeando sobre el botón "Calcular" correspondiente se actualizan los otros cuatro campos de la pantalla principal y se generan tres archivos en código ASCII: resultados.dat con los valores de las irradianciones horarias, angulos.dat con las coordenadas solares y plano_incli.dat con datos para planos inclinados. En el sector superior izquierdo de la pantalla figuran los valores de las irradiaciones horarias directa, difusa y total, hora por hora, desde la salida hasta la puesta del sol. Presenta, además, el valor de irradiación total diaria sobre la superficie escogida. En el sector superior central se grafica la evolución temporal de los valores horarios donde, con color rojo, se representa a la componente directa y con turquesa a la difusa. El máximo valor de irradiación solar disponible corresponde a su valor normal al haz fuera de la atmósfera (Radiación Extraterrestre) y ha sido representado en color azul para su comparación con los valores obtenidos a nivel del suelo. El sector inferior izquierdo presenta los valores de las horas solares de salida y puesta del sol, la duración del día, la declinación solar y los ángulos horario (ws), altitud y azimut solares, hora por hora. En el sector inferior derecho se encuentra una ventana con la diferencia entre la hora solar y la oficial para ese día. Finalmente, en el sector inferior central se representa, mediante un gráfico 3D en perspectiva isométrica, la trayectoria seguida por el sol a lo largo del día.

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ANEXO B RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE PARA USO NOCTURNO.

Anexo B RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE PARA USO NOCTURNO

Rendimiento del Muro Trombe como Componente de la Habitación. Se presentan los resultados de los cálculos para una habitación con Muro Trombe adosado para calefacción nocturna.

Cálculo de pérdida de calor de la habitación Cálculo 1: Resistencia al paso de calor. Tabla B.1. Cálculo de resistencia total al paso del calor para Muro Trombe nocturno.

ELEMENTO

N° ELEMENTO v1

Perimetrales m1

MT

m2

Interiores

m3

m4

T1

Puerta 1

COMPONENTES Ventanas vidrio simple Rsi+Rse marco pvc Muros Masa estructural Aislante Revestimiento Rsi+Rse Masa estructural Aislante Revestimiento Rsi+Rse Masa estructural Otros materiales Rsi+Rse Masa estructural Otros materiales Rsi+Rse Techo Revestimiento Aislante Rsi+Rse Puertas Terciado Camara de aire Terciado Rsi+Rse

R(m2°C/W) 0,1587 0,00085 0,00437 0,0915 0,4860 0,0002 0,0255 0,2360 0,0000 0,0000 0,0680 0,0915 0,0002 0,0360 0,0915 0,0002 0,0360

R total (m2°C/W)

0,16392

0,603226

0,304

0,1277

0,1277

0,038 2,916 0,021

2,975

0,0001 0,0700 0,0001 0,0077

0,07786

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Anexo B RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE PARA USO NOCTURNO

P1

Piso Masa estructural Aislante Rsi+Rse

0,0480 1,2150 0,0176

1,2806

Cálculo 2: Calor perdido por la estructura.

Tabla B.2. Calor perdido por la estructura, para Muro Trombe nocturno.

ELEMENTO N°ELEMENTO v1 Perimetrales m1 m2 Interiores m3 m4 T1 Puerta 1 P1 TOTAL qp

ÁREA R total U qp (m) (W/m2°C) (W/M2°C) (W/°C) Ventanas 1,68 0,16 6,30 10,59 Muros 5,82 0,60 1,66 9,65 10 0,30 3,29 32,89 7,8 0,13 7,83 61,08 6,9 0,13 7,83 54,03 Techo 12 2,98 0,34 4,03 Puertas 1,4 0,08 12,84 17,98 Piso 12,00 1,28 0,78 9,37 199,63

Cálculo 3: Calor perdido por infiltración o ventilación.

Tabla B.3. Calor perdido por infiltración o ventilación, para Muro Trombe diurno y nocturno. Aire introducido Volumen por Habitación(m3) infiltración(V) 1,5 27,60

V Total (m3) 41,4

qa (W/°C) 14,835

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Anexo B RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE PARA USO NOCTURNO

Cálculo 4: Calor requerido para calefacción.

Tabla B.4. Calor total requerido para calefacción, Muro Trombe diurno.

Elemento Al aire Al suelo Total

qp 172,60 9,37 181,97

qa qr(W/°C) 14,84 187,44 9,37 14,84 196,81

Tabla B.5. Calor total requerido para calefacción, Muro Trombe nocturno. Elemento Al aire Al suelo Total

qp 190,26 9,37 199,63

qa qr(W/°C) 14,84 205,09 9,37 14,84 214,46

El calor requerido para calefacción es mayor en una habitación con uso del Muro Trombe nocturno que diurno, ya que este último posee aislación lo cual disminuye las pérdidas de calor por conducción a través de la estructura, el muro diurno, a pesar de ser de mayor espesor no logra contrarrestar el aporte a la resistencia térmica del aislante.

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Anexo B RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE PARA USO NOCTURNO

Cálculo 5: Demanda de calefacción.

Tabla B.6. Demanda de calefacción.

MES ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE TOTAL

GDM(18,3°C) 89 85 131 196 263 313 330 317 261 217 162 118

Muro nocturno Qm(Kj/mes) 1.649.132 1.575.014 2.427.374 3.631.796 4.873.277 5.799.756 6.114.759 5.873.874 4.836.218 4.020.917 3.001.791 2.186.489 45.990.397

Cálculo de Aporte de Energía por Muro Trombe. El aporte del Muro Trombe con doble vidriado hermético y ventanas del mismo tipo, es mayor en un 92,4% que el muro con un vidrio. Además el aporte de energía del Muro Trombe (considerando una temperatura media) es igual tanto para uso diurno como nocturno, ya que la diferencia radica en la manera y desfase de tiempo en que la energía es entregada a la habitación. Se presentan las tablas B.7 y B.8.

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Anexo B RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE PARA USO NOCTURNO

Cálculo 1: Aporte neto del Muro Trombe. Tabla B.7. Aporte de energía por uso de Muro Trombe nocturno con 1 vidrio.

PÉRDIDA DEL APORTE DEL MES ELEMENTO(MJ) ELEMENTO(MJ) ENERO 2.086,8 423,2 FEBRERO 1.818,2 404,1 MARZO 1.627,1 622,8 ABRIL 1.009,7 931,9 MAYO 636,1 1.250,4 JUNIO 482,3 1.488,2 JULIO 647,7 1.569,0 AGOSTO 927,0 1.507,2 SEPTIEMBRE 1.349,4 1.240,9 OCTUBRE 1.691,1 1.031,7 NOVIEMBRE 1.869,3 770,2 DICIEMBRE 2.059,6 561,0 TOTAL

APORTE NETO (MJ) 1.663,6 1.414,1 1.004,3 77,8 -614,3 -1.005,8 -921,3 -580,2 108,5 659,4 1.099,1 1.498,6 4.403,7

Tabla B.8. Aporte de energía por uso de Muro Trombe nocturno con doble vidriado hermético.

MES ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE TOTAL

PÉRDIDA DEL APORTE DEL ELEMENTO(MJ) ELEMENTO(MJ) 1.825,9 1.591,0 1.423,7 883,5 556,6 422,0 566,8 811,1 1.180,7 1.479,7 1.635,6 1.802,2

204,6 195,4 301,2 450,6 604,7 719,6 758,7 728,8 600,1 498,9 372,5 271,3

APORTE NETO (MJ) 1.621,3 1.395,5 1.122,6 432,9 -48,1 -297,6 -191,9 82,3 580,7 980,8 1.263,2 1.530,9 8.472,6

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Anexo B RENDIMIENTO DEL MURO TROMBE PARA USO NOCTURNO

Cálculo 4: Factor solar.

Tabla B.9. Factor solar anual del Muro Trombe. USO

FACTOR SOLAR ANUAL MURO TROMBE

Nocturno, 1 vidrio Nocturno, 2 vidrios

9,58% 18,90%

No se profundizará en los cálculos, ya se comprobó que el Muro Trombe para uso nocturno no es factible ni económicamente ni térmicamente.

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ANEXO C TEMPERATURAS HORARIAS DE LA CIUDAD DE TEMUCO PARA ALGUNOS MESES.

Anexo C TEMPERATURAS HORARIAS DE LA CIUDAD DE TEMUCO PARA ALGUNOS MESES

Tabla C.1.Temperaturas horarias de Temuco. Tabla C.1, TEMPERATURAS HORARIAS PARA TEMUCO Hora Enero Mayo Junio Octubre Noviembre 0 12,88 7,34 6,33 8,33 9,83 1 12,28 7,02 6,05 7,9 3,35 2 11,73 6,71 5,8 7,5 8,9 3 11,23 6,43 5,57 7,14 8,5 4 10,76 6,18 5,35 6,81 8,12 5 10,33 5,94 5,15 6,51 7,78 6 11,52 5,71 4,97 6,85 8,91 7 13,09 5,51 4,79 8,2 10,43 8 14,7 6,43 5,4 9,56 11,92 9 16,37 6,92 5,5 10,92 13,38 10 18,09 7,78 6,03 12,29 14,8 11 19,86 9 6,99 13,66 16,18 12 21,69 10,58 8,39 15,03 17,53 13 23,57 12,53 10,23 16,41 18,84 14 25,5 14,84 12,5 17,79 20,11 15 23,93 13,32 11,24 16,6 18,93 16 22,13 12,35 10,45 15,21 17,42 17 20,56 11,51 9,76 14,01 16,12 18 19,18 10,77 9,15 12,97 14,98 19 17,97 10,11 8,61 12,06 13,98 20 16,88 9,52 8,13 11,25 13,09 21 15,91 9 7,7 10,54 12,29 22 15,04 8,52 7,3 9,89 11,58 23 14,25 8,09 6,95 9,32 10,94 24 12,88 7,34 6,33 8,33 9,83

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BIBLIOGRAFÍA

BIBLIOGRAFÍA. Literatura. ASHRAE,1997-2000,Handbook of fundamentals, American Society of Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Nueva York

Heating,

Barry Roger G., Chorley Richard J., 1999, “Atmósfera, tiempo y clima”, Vol.1, 7ªEd, Omega, Barcelona. Fernández García Felipe, 1995, “Manual de climatología aplicada: Clima, medio ambiente y planificación”, Vol.1, 4ªEd, Síntesis, Madrid. Mac Phillips Martin, 1985, “Viviendas con energía Solar Pasiva”. Vol.1, 1ªEd., Gustavo Gili, México. Mazria, Edward, 1983, “ El Libro de la energía solar pasiva.” Vol.1, 1ªEd., Gustavo Gili, México. Rodríguez Viqueira Manuel, Figueroa Castrejón Aníbal, 2002,“Introducción a la Arquitectura Bioclimática”, Vol.1, 1ªEd, Limusa, México. Sacriste Eduardo, “Charlas a Principiantes”, Vol.1, 6ªEd, Eudeba, Buenos Aires. Sarmiento Pedro, 2007, “Energía solar en Arquitectura y Construcción” Vol.1, 1ªEd.,Ril editores. Víctor Olgyay, 1998, “Arquitectura y clima: manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas”. Normativa. MINVU,2006,” Manual de Aplicación de la Reglamentación Térmica”, Vol.1, 1ªEd. NCh853of.2007, Acondicionamiento térmico - Envolvente térmica de edificios - Cálculo de resistencias y transmitancias térmicas. NCh1079.Of1977Arquitectura y construcción - Zonificación climático habitacional para Chile y recomendaciones para el diseño arquitectónico. Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (Actualización 2007) OTRAS FUENTES DE INFORMACIÓN. www.programapaiseficienciaenergetica.cl www.uct.cl www.censolar.es www.ingein-construcciones.cl www.wikipedia.org www.scielo.cl

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