ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN EVAPORATIVA PARA EL ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE EN RECINTOS HABITACIONALES AL SUR

DE CALI

SALOMÓN VARGAS ESCOBAR 2126377

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2018

ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN EVAPORATIVA PARA EL ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE EN RECINTOS HABITACIONALES AL SUR

DE CALI

SALOMÓN VARGAS ESCOBAR

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director JUAN RICARDO VIDAL MEDINA

Ingeniero mecánico – Dr. Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2018

Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico

CARLOS CASTANG MONTIEL Jurado

CARLOS HERNAN APONTE Jurado

Santiago de Cali, 27 de noviembre de 2018

4

Con este escrito culmina un proceso de mucho esfuerzo, que con dedicación se ha sacado adelante a pesar de todas las adversidades, siendo un fruto valioso de lo que se ha sembrado a lo largo de estos años, hoy con casi 23 años me doy cuenta de todo lo que hay detrás de este logro, y estoy seguro de que salgo como ingeniero mecánico, con mucho orgullo a dejar el nombre de la Universidad Autónoma de Occidente en alto.

Este tan preciado logro personal es especialmente dedicado a mis padres, que, con mucho esfuerzo, han sacado adelante a su hijo, con un inmensurable apoyo han estado ahí día tras día, año tras año, alentándome y brindándome sus vastos conocimientos cuando han sido pertinentes, me siento muy orgulloso de ser su hijo y sé que este logro llenará de gozo sus vidas, pues cierra un ciclo dentro de mi vida como lo es mi profesionalización.

Igualmente, extiendo mis dedicaciones a todos mis familiares que de una manera directa o indirecta han aportado su granito de arena para hacer de este sueño una realidad.

Finalmente, este éxito también va dedicado a todas las personas que estuvieron pendientes de mi proceso, alentándome y ayudándome cuando ha sido necesario.

Salomon Vargas Escobar.

5

Quiero extender mis más sinceros agradecimientos al director de tesis Juan Ricardo Vidal, por su paciencia y esfuerzo durante todo el proceso conllevado, y con él a los profesores que de una u otra manera aportaron a la realización del documento, como son, Carlos Castang y Yuri Ulianov.

A mis familiares que siempre estuvieron pendientes del proceso y realización del proyecto, mis amigos y novia que aportaron un granito de arena a lo que hoy se gesta, por su apoyo e interés, muchas gracias.

Y sin más falta a Dios, pues sin sus tiempos esta entrega y proyecto no serían posibles.

6

CONTENIDO

pág.

RESUMEN 13

INTRODUCCION 14

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15

PREGUNTA PROBLEMA 17

2. JUSTIFICACIÓN 18

3. ANTECEDENTES 21

4. OBJETIVOS 26

OBJETIVO GENERAL 26

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 26

5. MARCO TEÓRICO 27

ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO 27

5.1.1 Temperatura del bulbo seco (TBS) 27

5.1.2 Temperatura del bulbo húmedo (TBH) 27

5.1.3 Humedad Relativa (HR) 28

TIPOS DE ENFRIADORES 28

5.2.1 Enfriamiento Directo 28

5.2.2 Enfriamiento Indirecto 29

5.2.3 Sistemas 30

7

TERMODINÁMICA 31

TRANSFERENCIA DE CALOR 31

5.4.1 Conducción 32

5.4.2 Conducción 32

5.4.3 Convección 32

5.4.4 Radiación 32

REFRIGERACIÓN 33

5.5.1 Condiciones de confort 33

5.5.2 Cálculo de la carga térmica 33

5.5.3 Carga térmica por remover 34

6. METODOLOGÍA 35

MODELADO 35

SIMULADO DE SOMBRAS 37

ENMALLADO 38

6.3.1 Simulado térmico 39

DISEÑO DE ACONDICIONAMIENTO EVAPORATIVO (BIOCLIMATIZACION) 42

ANÁLISIS DE CONSUMO ELÉCTRICO 43

6.5.1 Suposiciones 43

6.5.2 Cálculo de consumos 44

7. RESULTADOS 45

ANÁLISIS DE SOMBRA / SOLAR 45

7.1.1 Hogar sin modificaciones 45

7.1.2 Hogar con sombreado leve 45

8

7.1.3 Hogar sombreado 46

ENMALLADO 47

7.2.1 Malla 47

7.2.2 Refinamiento 48

SIMULADO TÉRMICO 49

7.3.1 Temperatura superficial 50

7.3.2 Hogar sin sombras 50

7.3.3 Hogar sombreado 55

7.3.4 Hogar con sombra y Bioclimatizado 58

CONSUMOS 60

7.4.1 Aire acondicionado 60

7.4.2 Refrigerador evaporativo 60

8. CONCLUSIONES 62

BIBLIOGRAFÍA 65

9

LISTA FIGURAS

pág.

Figura 1. Aporte en la generación de energía colombiana. 16

Figura 2. Variación en la temperatura (1880 – 2015) 19

Figura 3. Tipo de climatizador: A- Aire acondicionado, B- Climatización evaporativa indirecta 23

Figura 4. Carga térmica de la empresa y carga de enfriamiento requerido por el aire 24

Figura 5. Consumo eléctrico de un aire acondicionado y un sistema de climatización evaporativa indirecto 25

Figura 6. Climatizador evaporativo directo 29

Figura 7. Climatizador evaporativo indirecto 30

Figura 8. Modelado de la casa, A- Croquis del techo, B- Modelo final 37

Figura 9. Simulado de sombras, A- Arbustos, B- Arbustos – Arboles 38

Figura 10. Termómetro infrarrojo InfraPro5 41

Figura 11. Datos del Bioclimatizador seleccionado 43

Figura 12. Análisis Solar. A- Vista frontal, B- Vista trasera 45

Figura 13. Análisis Solar con Sombras leves. A- Vista frontal, B- Vista trasera 46

Figura 14. Análisis Solar con Sombras. A- Vista frontal, B- Vista trasera 47

Figura 15. Malla elaborada en ANSYS ICEM. A- Superficies, B- Volúmenes 48

Figura 16. Plano de corte sobre la malla. A- Superficies, B- Volúmenes 49

Figura 17. Contorno en el plano XY, Simulación #1 del Hogar 51

Figura 18. Corrientes de aire dentro del espacio simulado #1. A- Líneas de corriente, B- Vectores 52

10

Figura 19. Corrientes de aire dentro del Hogar 53

Figura 20. Temperatura al interior del hogar primer escenario 54

Figura 21. Contorno en el plano XY, Simulación #2 del Hogar 56

Figura 22. Temperatura al interior del hogar segundo escenario 57

Figura 23. Contorno en el plano XY, Simulación #3 del Hogar 59

Figura 24. Temperatura al interior del hogar Tercer escenario 59

11

LISTA CUADROS

pág.

Tabla 1. Resultados de temperatura por zona dentro del hogar sin modificaciones 55

Tabla 2. Resultados de temperatura por zona dentro del hogar Con sombras 57

Tabla 3. Insumos necesarios para cálculo de bioclimatizacion 58

Tabla 4. Resultados de temperatura por zona dentro del hogar Bioclimatizado. 60

Tabla 5. Cambio de temperatura de los escenarios 2 y 3 con respecto al escenario base 62

12

GLOSARIO

BIOCLIMATIZACION: es esencialmente el uso del proceso natural de enfriamiento por evaporación combinado con la ventilación continua.

CONDICIONES DE CONFORT: condiciones óptimas de un espacio para proporcionar confort térmico (humedad relativa, temperatura del espacio, etc.).

HUMEDAD ABSOLUTA: Se llama Humedad absoluta a la cantidad de vapor de agua (generalmente medida en gramos) por unidad de volumen de aire ambiente (medido en metros cúbicos), se utiliza para medir la cantidad de vapor contenido en el aire.

HUMEDAD RELATIVA: es la relación entre la presión parcial del vapor de agua y la presión de vapor de equilibrio del agua a una temperatura dada. La humedad relativa depende de la temperatura y la presión del sistema de interés.

INTERCAMBIADOR DE CALOR: unidad de transferencia de calor, puede ser un calentador o enfriador.

SENSACION TERMICA: Es el frío o el calor que percibimos independientemente de la temperatura real a la que está el ambiente.

13

RESUMEN

En el presente trabajo de grado se analizó la efectividad de estos métodos de climatización, haciendo uso de diferentes programas para el modelado, enmallado y simulado de diversos escenarios, descritos a lo largo del desarrollo; Se compararon los resultados obtenidos buscando algún tipo de mejoría, y, en caso de existir, en qué grado se evidencia, además se comparó el costo de operación contra un equipo de aire acondicionado, con el fin de confrontar el valor de ahorro que se puede generar en caso de existir.

Con la implementación de lo mencionado anteriormente se concluyó que los métodos de bioclimatizacion ofrecen una óptima mejoría en cuanto a condiciones de confort se trata, obteniendo un ahorro en consumo eléctrico muy significativo, sin generar algún riesgo de salud para los habitantes del hogar y haciendo un aporte extra en la cuestión ambiental, al reducir los efectos negativos producidos por los refrigerantes, utilizados en los métodos de climatización convencional.

El proyecto se desarrolló en la ciudad de Cali capital del Valle del Cauca en Colombia, para ser más precisos, al sur de dicha ciudad, suponiendo que el hogar modelado no cuenta con ningún tipo de alrededores, donde se analizó el comportamiento solar y térmico en sus superficies.

Palabras Clave: Bioclimatizacion, Condiciones de confort, Confort térmico, Optimización energética, Refrigeración evaporativa, Análisis de sombra, Consumo energético.

14

INTRODUCCION

Con el paso del tiempo, la humanidad en su avance y “desarrollo” ha perjudicado de manera significativa las condiciones medioambientales y climáticas, es por ello que cada vez más personas se ven obligadas a hacer uso de artefactos o maquinarias con el fin de mejorar su confort en ámbitos laborales o habitacionales; una de estas soluciones es el tan conocido aire acondicionado, que ofrece una climatización excesiva (en la mayoría de los casos) a un alto costo de funcionamiento, sin dejar de lado el perjuicio generado por el uso de refrigerantes industriales, además de los múltiples problemas a la salud que generan; Otra alternativa menos eficiente y menos costosa es el ventilador, que, contraria a la sensación de frescura que produce, genera un aumento de temperatura en el espacio, manteniendo la problemática en temas de salud.

Ante estos sucesos, se ha optado por recurrir a diferentes técnicas que han sido utilizadas en diferentes épocas a lo largo de la historia, y que, poco a poco fueron dejadas de lado; a estas técnicas se le conocen como bioclimatizacion y buscan lograr el mismo fin de los electrodomésticos modernos disminuyendo de manera significativa, la contaminación ambiental que padecemos en la actualidad.

15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Es bien sabido que al aumentar la población y el desarrollo de la humanidad el planeta se ve directamente afectado, por el consumo de recursos naturales necesarios como materia prima en ciertos procesos y el efecto que esto causa en el medio ambiente. El año 2015 fue el año más caluroso que se ha vivido en la historia, “La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de Estados Unidos (NOAA, por sus siglas en inglés) y de la Agencia Espacial estadounidense (NASA por sus siglas en inglés) aseguraron en un informe que la temperatura promedio de la superficie terrestre y oceánica fue la más alta desde que comenzaron sus mediciones en 1880.”1, por lo que, la necesidad de implementar métodos menos nocivos para el medio ambiente se vuelve urgente.

A Colombia el efecto de “el niño” la afecta de una manera alarmante, pues es un país cuya producción eléctrica depende en un 70% del agua, la cual escasea en dicha temporada, por lo que consumir mucha energía sugiere una mayor generación, lo que a su vez, significa mayor necesidad de agua,2 si se disminuye el consumo eléctrico, el agua requerida disminuye, puesto que disminuye la demanda energética, es por esto que en la actualidad se buscan diversas alternativas para reducir el consumo energético de los hogares sin afectar las condiciones de confort.

1 SIMEC. “Informe Mensual De Variables De Generación Y Del Mercado Eléctrico Colombiano – junio De 2015 Subdirección De Energía Eléctrica – Grupo De Generación”, [En Línea] SIEL [Consultado el 06/15, 27 de febrero de 2016]. Disponible en internet: http://www.siel.gov.co/portals/0/generacion/2015/Seguimiento_Variables_Junio_2015.pdf 2 BBC MUNDO. “¿Por qué 2015 fue el año más caluroso del que se tiene registro?”, [En Línea] BBC Mundo [Consultado el 06/15, 27 de febrero de 2016]. Disponible en internet: http://www.bbc.com/mundo/noticias/2016/01/160120_ciencia_internacional_record_temperaturas_fenomeno_el_nino_ng

16

Figura 1. Aporte en la generación de energía colombiana.

Fuente: SIMEC. “Informe Mensual De Variables De Generación Y Del Mercado Eléctrico Colombiano – junio De 2015 Subdirección De Energía Eléctrica – Grupo De Generación”, [Figura] SIEL [Consultado el 06/15, 27 de febrero de 2016]. Disponible en internet: http://www.siel.gov.co/portals/0/generacion/2015/Seguimiento_Variables_Junio_2015.pdf

A todas las personas les agrada sentir una sensación térmica que no se perciba muy calurosa o muy fría, siempre se busca lo que se denominan “las condiciones de confort”, por lo que optan a utilizar equipos especializados en lograr este fin (aires acondicionados), y, mientras más calor hace, más equipos se venden por lo que el consumo de electricidad aumenta; otro caso similar se presenta con los ventiladores, de igual manera tienen un consumo significativo de energía, sin darle solución de manera óptima al problema del calor, de hecho, si el aire no tiene como recircular, tiende a calentarse obteniendo un resultado contrario.

Además estos dispositivos representan ciertos problemas para el cuerpo humano, por ejemplo el aire acondicionado al necesitar mantener el entorno a climatizar cerrado, impide la renovación del aire, este efecto des humectante es nocivo, pues provoca una excesiva sequedad del aire respirado resecando los ojos, las fosas nasales, la garganta e incluso la propia piel, en el caso del ventilador, el polvo que se acumula en las aspas puede llegar a causar enfermedades, aun cuando su sensación es refrescante este evapora el sudor y puede generar resecado de la piel,

17

y, en el peor de los casos la deshidratación del organismo. 3

Un sistema climatizador convencional para enfriar un área como la que se pretende trabajar genera un alto consumo energético, al estar ubicado en un estrato social alto los precios de la energía se ven disparados, por ello se busca que un equipo para grandes áreas climatice de manera efectiva sin la necesidad de un consumo energético alto, a esto se le conoce como eficiencia energética y es algo que en la actualidad está cogiendo mucha fuerza y que, en Colombia convendría mucho por el asunto de la escasez energética que se presenta.

PREGUNTA PROBLEMA

¿Es posible, mediante técnicas de bioclimatizacion 4, disminuir los consumos de energía sin afectar el confort térmico?

3 RODRÍGUEZ, Mercedes. Cuidado con el ventilador y el aire acondicionado, [en línea] la tecla con café (22 Julio 2012), [Consultado el 28 de febrero de 2016]. Disponible en internet: http://lateclaconcafe.blogia.com/2012/072203-cuidado-con-el-ventilador-y-el-aire-acondicionado.php 4 IDEA. “BIOCLIMATIZACION una nueva forma de climatizar”, [PDF] IDEA [Consultado el 04/2009, 28 de febrero de 2016]. Disponible en internet: http://www.factoria3.com/documentos/bioclimatizacion.pdf

18

2. JUSTIFICACIÓN

Se está viviendo una época en la que se presenta una gran crisis medio ambiental, el aumento de la temperatura promedio del planeta provocando un cambio climático, como consecuencia de las emisiones excesivas de gases contaminantes producto de la sobre explotación de recursos para el consumo humano.

El cambio climático es un cambio significativo y duradero de los patrones locales o globales del clima, las causas pueden ser naturales, como por ejemplo, variaciones en la energía que se recibe del sol, erupciones volcánicas, circulación oceánica, procesos biológicos y otros, o puede ser causada por influencia antrópica (por las actividades humanas), como por ejemplo, a través de la emisión de CO2 y otros gases que atrapan calor, o alteración del uso de grandes extensiones de suelos que causan, finalmente, un calentamiento global.

Las cifras de la variación de temperaturas han sido alarmantes (figura 2), pues se presentan altos picos que siguen en aumento, esto se vuelve un gran problema para las especies habitantes del planeta, el cuerpo humano es capaz de resistir una temperatura máxima de entre 43 y 46°C. En África por ejemplo ya existen valores próximos a este límite y no solo esto, los humanos no serán los únicos que se verán afectados por esta situación, el calentamiento global afectará la enorme biodiversidad que tiene su ecosistema entre los trópicos; además, las especies no humanas son menos resistentes a una pequeña variación climática, lo cuál puede ser terrible.5

5 COLOMBIA. MINISTERIO DE SANIDAD. servicios sociales e igualdad. Guía técnica para la Prevención y Control de la Legionelosis en instalaciones. [en línea] En: Ministerio de sanidad, [Consultado: 28 - 02 – 2016] Disponible en internet: http://www.msssi.gob.es/ciudadanos/saludAmbLaboral/agenBiologicos/guia.html

19

Figura 2. Variación en la temperatura (1880 – 2015)

Fuente: MADRIDEJOS, Antonio. Calor Global [Figura], el Periódico (14 Julio 2016), [Consultado el 13 / 03 de 2016]. Disponible en: http://www.elperiodico.com/es/noticias/sociedad/record-temperatura-media-anual-tierra-4801618

El proyecto se trabajó en base a tres marcos técnicos muy importantes como lo son: lo económico, social y ambiental.

Económicamente se pretende disminuir los costos generados por sistemasde climatización como los aires acondicionados, ya que, los equipos declimatización evaporativa requieren un bajo consumo de energía, puesto que sufuncionamiento depende principalmente de las corrientes de aire existentes, losúnicos consumos que se producen son, la bomba (suministra el agua utilizada en elproceso) y el ventilador (impulsa el aire a enfriar).

Socialmente el proyecto busca incentivar a los ciudadanos a probar métodosque sean amigables con el medio ambiente para que aporten a una solución sobrela crisis que se enfrenta y así, conocer que existen en el mercado diversasalternativas a menor costo y con la misma funcionalidad.

Ambientalmente, puesto que, se buscan reducir las cantidades de gasesemitidas por los aires acondicionados convencionalmente usados, y, además con ladisminución del consumo eléctrico buscando lo que se denomina optimizaciónenergética, (conseguir el mismo bienestar con una reducción del consumo), ya que,la bioclimatizacion utiliza el principio de enfriamiento evaporativo de la naturaleza,por lo que no se afecta en ningún momento la composición de la atmosfera al nohaber contribución de gases de efecto invernadero.

20

Al ser instalado un sistema de bioclimatizacion en una casa tipo al sur de Cali, se presentan múltiples beneficios para sus ocupantes: se brinda un mejoramiento en la calidad del aire que respiran6, ya que, en el proceso de bioclimatizacion no es necesario tener las zonas cerradas, permitiendo así el flujo y la renovación del aire, además, como ya se mencionó se evidenciará un ahorro significativo en el consumo eléctrico del hogar por lo que se verá beneficiado “el bolsillo” de sus habitantes, y, finalmente obteniendo óptimas condiciones de confort7.

6 BIOCOOL. Guía de información y aplicación del sistema. bioclimatizacion por técnicas evaporativas, 44 p. 7 Energy Management and Energy Optimization in the Process Industry. White paper How does the fact that Siemens is becoming a "green company" benefit a plant operator in the process industry? [PDF], EE. UU. 2011. [Consultado: 25-03-2016]. Disponible en: https://w3.siemens.com/mcms/process-control-systems/SiteCollectionDocuments/efiles/pcs7/support/marktstudien/WP_Energy-Man-PA_EN.pdf

21

3. ANTECEDENTES

Se tienen datos del enfriamiento evaporativo desde la época de los egipcios, donde llenaban de agua grandes vasijas de barro poroso que aireadas con abanicos hechos de plumas de avestruces enfriaban los cuartos en sus días más calurosos al tener una superficie muy porosa, estas vasijas facilitaban el proceso de evaporamiento del agua, además, los egipcios colgaban grandes sabanas húmedas en las puertas y ventanas para así generar frescas brisas por todas las salas que habitaban.

Las antiguas civilizaciones griegas y romanas usaban fardos de paja humedecida para producir una brisa fresca que remitía el calor del sol. En la antigua Persia, los patios de los palacios se enfriaban mediante fuentes con chorros de agua que proporcionan una humectación continúa enfriando así el aire. Años después los árabes aprendieron de los persas, emplearon la técnica de bioclimatización evaporativa en las casas y suntuosos palacios, haciendo uso del manejo de las fuentes para disminuir la temperatura de los patios sombreados como en La Alhambra de Granada, con numerosas fuentes y estanques integrados en sus claustros y jardines, como las que se encuentran actualmente en los frescos patios de las casas andaluzas.8

En la Era Industrial y con la introducción del aire acondicionado, los desarrollos de la climatización fueron dirigidos a sistemas por compresor, dejando de lado los sistemas naturales de mucho menor consumo, donde exigir una temperatura concreta era más complicado y en ocasiones requería mayor mantenimiento. En países como Australia, este sistema evaporativo ha sido adoptado con gran éxito y se han obtenido apoyos gubernamentales por el bajo consumo y gran ahorro que representaban.9

Los primeros enfriadores por evaporación aparecieron aproximadamente a principios de los 30’s en Estados Unidos, con el inicio del empleo de la energía eléctrica, las personas colgaban en las ventanas de sus casas paños mojados que por medio de ventiladores eléctricos empujaban el aire al interior, luego en Arizona

8 Equipo LC Europa. Enfriamiento evaporativo ecológico para grandes espacios [en línea]. LC Europa. España (14 de mayo de 2018). [Consultado el 19 de julio de 2019]. Disponible en internet: https://lc-europe.com/enfriamiento-evaporativo-ecologico-grandes-espacios/ 9 SYMPHONY, Nuestra historia, [en línea], Symphony, [Consultado el 25/ 03 de 2016] Disponibleen internet: http://www.symphonylimited.com.mx/nuestra-historia/

22

comenzaron a reemplazar el paño por paja o por fibras de madera y encerraron el ventilador en una caja de madera con la paja envuelta en malla de gallinero, algo muy parecido a los enfriadores actuales de paja. En la era moderna ha sido en EE. UU10. donde se ha tenido un mayor desarrollo tanto en aplicaciones industriales –especialmente en la zona Este del país- para ventilar, filtrar y limpiar el aire; como en la instalación de viviendas e incluso edificios –en la zona Sur Oeste- principalmente para enfriar la temperatura, así como para ventilar de forma saludable.

En 1939, Adam Goettl funda “International Metal Products Co.” (IMPCO), Primera compañía en el mundo dedicada a la fabricación de Enfriadores Evaporativos o Coolers en serie. Y desde entonces con sucesivas evoluciones, la bioclimatización evaporativa actual se basa en sistemas de última generación, que permiten controlar mejor los parámetros de climatización y admiten el control domótico, incluso a través de aplicaciones móviles.

Estos conceptos se han refinado actualmente dando lugar a los equipos evaporativos de acondicionamiento de aire. En España, estos sistemas se usan sobre todo en la industria, cuando se necesita una refrigeración a costo reducido, por ejemplo, se usa mucho en granjas avícolas o porcinas11, donde ayuda a disminuir la mortandad de los animales por estrés térmico, o en industrias donde además de refrigeración un ligero incremento de la humedad puede resultar beneficioso, como la industria textil o del papel y cartón. Estos equipos tienen un uso muy extendido en el mercado doméstico en países como Australia o Estados Unidos, donde hay grandes extensiones con veranos calurosos y secos. En esos ambientes es donde se puede obtener un mejor rendimiento de este tipo de instalaciones. Las condiciones climáticas de muchas zonas de España también encajan dentro de esa descripción. No obstante, estas instalaciones no han alcanzado demasiado el mercado doméstico.

Un caso de aplicación se dio en Cluj-Napoca en Rumania, donde una empresa estudio los beneficios en consumo eléctrico al instalar en su empresa un sistema de climatización evaporativa indirecta:

10 Bioconfort soluciones climáticas. Principios del Enfriamiento Evaporativo [en línea], bioconfort.com [Consultado el 25 / 03 de 2016]. Disponible en internet: http://biocomfort.com.co/productos/teoria/ 11COLOMBIA. MINISTERIO DE SANIDAD, servicios sociales e igualdad. Guía técnica para la Prevención y Control de la Legionelosis en instalaciones. [en línea] Ministerio de sanidad, [Consultado: 28 - 02 – 2016] Disponible en: http://www.msssi.gob.es/ciudadanos/saludAmbLaboral/agenBiologicos/guia.html

23

Inicialmente se ilustra el sistema que se implementaría en la empresa, tanto el de climatización normalmente usando (AC), como el de climatización evaporativa:

Figura 3. Tipo de climatizador: A- Aire acondicionado, B- Climatización evaporativa indirecta

Fuente: PORUMB, Bogdan; BĂLAN, Mugur y PORUMB, Raluca. Potential of indirect evaporative cooling to reduce the energy consumption in fresh air conditioning applications. [Figura]. En: Energy procedia, Enero, 2016, vol 85, p. 433 - 441. [Consultado:26 de abril de 2016]. Disponible en internethttps://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.12.224

El sistema usa una batería, denotada en la figura 3 con la letra B, la cual es básicamente un sistema de aire acondicionado, esto porque las condiciones climáticas de Rumania son muy variables, el equipo denotado con la letra R es un intercambiador de calor, para así reducir la cantidad de agua necesaria en el climatizador evaporativo y así conseguir un mayor ahorro, y finalmente el climatizador evaporativo.

El funcionamiento de este sistema es relativamente simple y es garantizando por un sistema de control, inicialmente el aire entra al intercambiador de calor esto con 2 propósitos: alterar lo menos posible la temperatura del ambiente y reducir el diferencial de temperatura a la entrada del bioclimatizador, una vez el aire es refrescado por el bioclimatizador un sensor mide la temperatura del aire, si es muy baja prende la batería en modo calefactor para calentarlo a la temperatura requerida, si es muy alta prende el chiller12 para enfriarlo hasta lo que se requiera,

12 Refrigeration - an introduction to the basics [en línea] Danfoss, [Consultado: 27 Abril de 2016].Disponible en internet: http://www.danfoss.com/NR/rdonlyres/F35695FE-F4A2-40B9-847F- E81E20A5EEA8/0/PF000F202.pdf

24

con la carga térmica dentro de la empresa este aire se recalienta y el ciclo vuelve a empezar.

El paso siguiente fue medir la cantidad de calor que requeriría un equipo de aire acondicionado, y la carga que requeriría absorber el aire para ser climatizado, esto se ilustra en la figura No. 4:

Figura 4. Carga térmica de la empresa y carga de enfriamiento requerido por el aire

Fuente: PORUMB, Bogdan; BĂLAN, Mugur y PORUMB, Raluca. Potential of indirect evaporative cooling to reduce the energy consumption in fresh air conditioning applications. [Figura]. En: Energy procedia, Enero, 2016, vol 85, p. 433 - 441. [Consultado:26 de abril de 2016]. Disponible en internet https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.12.224

A simple vista es evidente la gran capacidad de ahorro energético que se tiene con un sistema de climatización evaporativa, finalmente se procedió a medir la energía consumida al año en cada uno de los sistemas de climatización, con lo que se obtuvo lo siguiente:

25

Figura 5. Consumo eléctrico de un aire acondicionado y un sistema de climatización evaporativa indirecto

Fuente: PORUMB, Bogdan; BĂLAN, Mugur y PORUMB, Raluca. Potential of indirect evaporative cooling to reduce the energy consumption in fresh air conditioning applications. [Figura]. En: Energy procedia, Enero, 2016, vol 85, p. 433 - 441. [Consultado:26 de abril de 2016]. Disponible en internethttps://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.12.224

Se ve que un sistema de climatización evaporativa suple de igual manera las necesidades de un aire acondicionado y que en comparación, su consumo es exageradamente menor, aquí se obtuvo un ahorro del 80% en consumo eléctrico con su funcionamiento, y si tenemos en cuenta que en Colombia no se requiere de una batería para la calefacción la cifra del ahorro sería aún mayor.

Con lo expuesto anteriormente, se puede concluir que la bioclimatizacion en hogares, tema en los que pocas industrias son pioneras es un campo de sumo interés tanto social como ambiental, puesto que la reducción del consumo eléctrico de una población sería muy significativa en cuanto a producción energética con lo cual se estaría promoviendo el cuidado del medio ambiente, el desarrollo del país y la economía de los habitantes.

26

4. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un sistema de acondicionamiento de aires, basado en técnicas de bioclimatizacion, para obtener óptimas condiciones de confort en una casa de aproximadamente 70 m2 ubicada al sur de Cali.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar las cargas de radiación solar en las superficies del hogar. Definir rosa de vientos a trabajar en la casa de estudio Modelar numéricamente y validar el comportamiento térmico de la casa de Estudio Seleccionar un equipo de refrigeración evaporativa según las características del hogar. Estimar la relación de Costo – Ahorro que tiene la implementación del equipo propuesto

27

5. MARCO TEÓRICO

Dado que la mira central de este análisis estará puesta en la climatización de un espacio como proyecto, será necesario plantear algunos parámetros que sirvan de ejes conceptuales sobre los que apoyar la lectura interpretativa del escrito. Para empezar, se entenderá el concepto de bioclimatizacion o también conocida como enfriamiento evaporativo15:

ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO

Todos han experimentado este fenómeno13, al utilizar camisas que se encuentren en un estado húmedo en un día caluroso pero venteado se da una sensación de frescura, la causa de este fenómeno es la evaporización del calor latente, ¿qué significa?

Como el agua es evaporada, el aire pierde energía reduciendo su temperatura, y de esta manera refrescando el espacio que se quiere climatizar14, entre más caliente se encuentre el aire y más seco éste, mayor es la reducción de temperatura que se logra, con esto hay que tener en cuenta 3 factores que se ven directamente relacionados con este fenómeno que son:

5.1.1 Temperatura del bulbo seco (TBS)

Este factor es de suma importancia, pues, este se interpreta como la capacidad de absorción de energía del aire en cuestión, si no existe temperatura del bulbo seco la bioclimatizacion no es posible.

5.1.2 Temperatura del bulbo húmedo (TBH)

Junto con la temperatura del bulbo seco, conforma la eficiencia al momento de evaporar agua, es decir, contrario a la temperatura del bulbo seco, la temperatura de bulbo húmedo representa la capacidad restante de energía del aire, entre menor

13 BREEZAIR. how evaporative cooling works, [en línea] Seeley internationals, [Consultado el 26Abril de 2016]. Disponible en internet: http://www.breezair.com/us/why-evaporative/how-evaporative-works 14 EVAPTAINERS, The science of evaporative cooling [en línea] Evaptainers, Publicado el 07 / 082014, [Consultado el 26 Abril de 2016]. Disponible en internet: http://www.evaptainers.com/updates/2014/8/6/the-sciance-of-evaporative-cooling

28

sea la temperatura del bulbo húmedo (aire más seco) mayor será la capacidad a evaporar y por tanto a climatizar del aire.

5.1.3 Humedad Relativa (HR)

Cuando se expone agua al aire, la temperatura de bulbo húmedo comparada con la temperatura de bulbo seco del aire es la medida del potencial para la bioclimatizacion, la evaporación se da siempre que la humedad relativa sea menor al 100% (cuando el aire empieza a absorber agua)15, cierta cantidad de volumen de aire puede absorber cierta cantidad de vapor de agua y los grados de temperatura dependerán de la cantidad que fue absorbida.

Es decir, este concepto describe la cantidad de agua que existe en ese instante en el aire y es relativo a la cantidad que aún se puede absorber, cuando el aire absorbe toda la cantidad de agua que puede se convierte en aire saturado.

TIPOS DE ENFRIADORES

Existen principalmente 2 tipos de bioclimatizadores, los directos y los indirectos, que, a su vez con diferentes configuraciones dan lugar a múltiples sistemas de enfriamiento evaporativo.

5.2.1 Enfriamiento Directo

Este tipo de bioclimatizador añade humedad al aire seco, el cual pasa directamente por un paño humedecido haciendo uso de un ventilador, este proceso ocurre por la evaporación directa del agua, el aire climatizado obtenido es casi aire saturado (Figura6) 19

15 LUCAS, Jim. what is thermodynamics?, [en línea] Live Science (07 / 05 2015), [Consultado: 26 Abril de 2016]. Disponible en internet: http://www.livescience.com/50776-thermodynamics.html

29

Figura 6. Climatizador evaporativo directo

Fuente: Bioconfort soluciones climáticas. Principios del Enfriamiento Evaporativo [Figura], bioconfort.com [Consultado el 25 Marzo de 2016]. Disponible en interna: http://biocomfort.com.co/productos/teoria/

5.2.2 Enfriamiento Indirecto

A diferencia del enfriamiento directo, en este caso aparece otra corriente de aire la cual es expuesta a un paño humedecido, pero, es introducida a un intercambiador de calor lo cual evita que la corriente de aire a climatizar reciba humedad, aun así su temperatura se ve disminuida, en este tipo de bioclimatizador se pueden usar las corrientes troncadas16, es decir, volver la corriente principal una corriente fría y utilizar una corriente caliente externa para generar un calefactor (Figura 7).

16 WESCOR, Western Enviromental Services Corporation [en línea] Wercorhvac, Publicado el 2015,[Consultado el 30 Abril 2016]. Disponible en internet: http://www.wescorhvac.com/Evaporative%20cooling%20white%20paper.html

30

Figura 7. Climatizador evaporativo indirecto

Fuente: Bioconfort soluciones climáticas. Principios del Enfriamiento Evaporativo [en línea], bioconfort.com [Consultado el 25 / 03 de 2016]. Disponible en: http://biocomfort.com.co/productos/teoria/

5.2.3 Sistemas

Los sistemas están compuestos por diferentes combinaciones de los tipos de bioclimatizadores ya mencionados, estas configuraciones son:

Bioclimatizacion Directa/Indirecta Bioclimatizacion Indirecta/Indirecta Bioclimatizacion Indirecta/Batería

Estos sistemas se implementan cuando las temperaturas del aire o son muy altas o son muy bajas, es decir cuando no se tienen óptimas condiciones para bioclimatizar.

5.2.3.1 Capacidad de climatización

Para cada tipo de bioclimatizador existe una manera de calcular la capacidad de climatización que se puede conseguir, ya que el bioclimatizador que se implementara en este proyecto es directo, se planteara únicamente la ecuación que rige este tipo de bioclimatizador 19.

Capacidad de reducción de temperatura

(𝑇𝐵𝑆 − 𝑇𝐵𝐻) ∗ (𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜)

31

Temperatura alcanzable

𝑇𝐵𝑆 − 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝.

TERMODINÁMICA

Como rama física, la termodinámica se encuentra en todos lados, en este caso se referirá a la energía transmitida al agua por parte del aire caliente y con un balance de energía que se daría de la forma:

𝐸𝑒𝑛𝑡 − 𝐸𝑠𝑎𝑙 = ∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡

Dónde: 𝐸𝑒𝑛𝑡 es la energía que entra, es decir la energía que entra por medio de la corriente de aire del bioclimatizador dada como el flujo másico del aire por el calor especifico del aire por un delta de temperatura (que ya se conoce), la 𝐸𝑠𝑎𝑙 es el equivalente a la energía absorbida por el aire del agua más la perdida por el agua, y finalmente al ser un sistema de flujo estacionario, es decir, que la cantidad de flujo no cambia con el tiempo el ∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡 es = a 0, obteniendo así la siguiente ecuación

𝐸𝑒𝑛𝑡 = 𝐸𝑠𝑎𝑙

TRANSFERENCIA DE CALOR

En la bioclimatizacion la transferencia de calor se da en todos los aspectos, desde el momento en el que el aire a climatizar ingresa al sistema hasta el momento en el que el aire climatizado se recircula hacia el exterior del lugar a climatizar, igualmente se debe tener en cuenta la transferencia de calor que existe del exterior al espacio a ser climatizado, como fundamentos para esto tenemos:

En el sistema al momento del aire entrar en contacto con el paño húmedo se presenta una transferencia de calor por convección que disminuye la temperatura del aire, a su vez al sitio a climatizar está ingresando una carga térmica por conducción a través de las paredes y que transmiten a su vez una carga por radiación, así mismo, cuando el aire climatizado ingresa al espacio también se da nuevamente una transferencia de calor por convección y el proceso se repite una y otra vez, para determinar cada una de estas cargas serán necesarias las ecuaciones que rigen cada uno de estos comportamientos que son:

32

5.4.1 Conducción

5.4.2 Conducción

Esta dada por una constante de conductividad térmica que depende netamente del material en cuestión, multiplicada por el área transversal por la que se da la transferencia de calor por la variación de temperatura existente por un diferencial de posición, así:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑘𝐴𝑡

(𝑇𝑖 − 𝑇𝑓)

∆𝑥

Donde, 𝑘 es el coeficiente de conductividad térmica del material, 𝐴𝑡es el área transversal de la superficie donde se realiza el intercambio de calor, 𝑇𝑖 − 𝑇𝑓 son las temperaturas inicial y final respectivamente y ∆𝑥 corresponde al espesor de la superficie en cuestión.

5.4.3 Convección

Esta se da por la existencia del coeficiente de transferencia de calor por convección por el área expuesta a la convección por la variación de la temperatura de la superficie con el medio18

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ𝐴𝑠(𝑇𝑠 − 𝑇∞)

Donde, ℎ es el coeficiente de convección, 𝐴𝑠 es el área superficial donde se realiza

el intercambio de calor y 𝑇𝑠 − 𝑇∞ son las temperaturas superficiales y de los alrededores respectivamente.

5.4.4 Radiación

Finalmente, la radiación se da por la existencia de la constante de Stefan-Boltzmann que es equivalente a 𝜎 = 5.67 ∗ 10−8 𝑊

𝑚2𝐾4⁄ por la emisividad térmica del material por el área superficial multiplicado por un cambio de temperatura elevado a la 4, es decir:

33

𝑄𝑅𝑎𝑑 = 𝜎𝜀𝐴𝑠(𝑇𝑠4 − 𝑇∞

4)

REFRIGERACIÓN

Uno de los temas más importantes en este proyecto, pues sin bases en refrigeración la climatización de un espacio por esta técnica es muy complicada, para este caso se debe tener en cuenta la carga térmica total que se deberá remover del espacio a climatizar.

5.5.1 Condiciones de confort

En todo espacio se deben cumplir con ciertos parámetros para evitar que las personas que lo alberguen no sientan ni mucho frio ni mucho calor, puesto que, esto puede traducirse en estrés, mal humor etc.

Esta es una de las tareas más complejas en cuanto a refrigeración se refiere, puesto que es una labor muy subjetiva al momento de ser determinada y se deben tener en cuenta factores como la humedad relativa, la velocidad del viento en el espacio y la temperatura del ambiente.

5.5.2 Cálculo de la carga térmica

5.5.2.1 Eficiencia del medio

Haciendo uso de las tablas de Carrier se obtienen los valores de la eficiencia del medio, para obtener este factor, es primordial identificar el tipo de espacio a climatizar, al ser un hogar el rango de este factor va desde 0.4 hasta 0.6, por cuestiones de diseño se debe utilizar el factor de 0.6, con este factor se recurre a las tablas para calcular el calor latente y sensible por personas dentro del espacio a climatizar 22.

5.5.2.2 Cálculo de Carga térmica por persona

Todas las personas emitimos dos tipos de calores al medio, el calor latente y el calor sensible, por lo que la carga térmica total de una sola persona se da como:

34

𝑄𝑃𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎 = (𝑄𝑙𝑎𝑡 ∗ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜) + (𝑄𝑠𝑒𝑛 ∗ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜)

Una vez obtenida la carga térmica de una persona en el tipo de espacio a climatizar en cuestión se debe multiplicar por la cantidad de personas que albergaran el lugar para así obtener la cantidad total de calor generada por todas las personas que habitan el espacio.

5.5.2.3 Carga térmica de los electrodomésticos

Cada electrodoméstico aporta una carga térmica al espacio a climatizar, por lo que se deben tener él cuenta todos los electrodomésticos que se encuentran instalados en dicho espacio, las tablas de Carrier nos presentan los valores totales de cargas térmicas suministrados por diversos electrodomésticos, en caso de que haya más de un mismo electrodoméstico se debe multiplicar el valor de la carga térmica total por el número de dicho electrodoméstico.

5.5.3 Carga térmica por remover

Una vez calculadas todas las cargas térmicas aportadas por todos los factores que ya se mencionaron se deben sumar, para así obtener la carga térmica total a remover en todo el espacio, este valor debe ser preciso, pues, si se subestima el espacio queda mal refrigerado y así mismo, si se sobre estima, el espacio queda sobre refrigerado, con lo cual no se cumplirá con las condiciones de confort que se quieren alcanzar.

35

6. METODOLOGÍA

Se partió bajo la premisa de un proyecto de tipo experimental, pues al ser un procedimiento simulado se tendrá total control de las diferentes variables existentes y necesarias durante su ejecución; Una vez definido, se inició diseñando la plantilla que delimitara el espacio a ser climatizado (el hogar), para esto se utilizó el programa CAD SolidWorks, en Sketch Up se plantearon varios escenarios, generando un porcentaje de cobertura en las paredes del hogar para evidenciar (en caso de existir) el nivel de mejora de esta técnica de bioclimatizacion (sombreado); El valor de cargas térmicas generado por la radiación solar se simulo haciendo uso de una extensión del programa Sketch Up, estos resultados se utilizaron para definir las superficies de mayor exposición y por ende uno de los parámetros al momento de realizar la simulación del comportamiento térmico dentro del hogar.

En el apartado de confort térmico, se realizó un cálculo sencillo haciendo uso de la humedad relativa definida, para obtener los valores del sistema de climatización evaporativa, y, de esta manera verificar si efectivamente existe una mejoría al momento de implementar estos equipos; Finalmente, se planteó un escenario comparativo equivalente para un sistema de aire acondicionado, y, con ello obtener los valores de consumo de cada uno para determinar el costo de operación, y, si existe algún ahorro al momento de utilizar uno u otro.

MODELADO

Existen muchos métodos para modelar el hogar a climatizar, en este caso se efectuó el siguiente procedimiento; Una vez dentro del programa se seleccionó la opción pieza se definió un croquis en la orientación “Planta”.

Con el espacio base seleccionado se procedió a crear un rectángulo cuyas medidas serian de 7,8 y 8,9m de ancho y alto respectivamente, seguidamente se marcó el centro del rectángulo con dos líneas entre cruzadas, con lo cual se dibujó un rectángulo, dejando así un espesor de pared de 10 cm.

Basados en las paredes externas se procedió a diseñar el interior de la vivienda, definiendo dos cuartos, de los cuales, uno sería el principal y tendría un baño; además, cuenta con un baño social, una cocina con su respectivo lavadero y la sala de estar.

36

Una vez finalizado el croquis, se realizó la extrusión, para esto se seleccionó el espesor, de tal manera que se levantara únicamente las paredes a 2.5m de altura; con el modelo solido de la casa, se continuó el diseño agregando puertas, ventanas y respiraderos, definidos de la siguiente manera:

Puerta principal: 0.9 x 2 m, iniciando a 3,33 metros del borde izquierdo.

Ventana frontal: 1.2 x 2 m, a 40 cm del borde superior y 58 cm del borde izquierdo de la puerta principal.

Puerta Cuarto Principal: 0.86 x 1.9 m, a 2.34 m del borde derecho de la pared.

Ventana C. Principal: 1.2 x 2.5 m, a 40 cm del borde superior y 85 cm del borde izquierdo.

Respiraderos Baños: 0.3 x 0.8 m, centrados en el espacio de los baños y a 40 cm del borde superior.

Puerta C. Secundario: 0.86 x 1.9 m, a 1.8 m del borde izquierdo.

Ventana C. Secundario: 1.2 x 2 m, a 40 cm del borde superior y 50 cm del borde derecho.

Puerta Baño Social: 0.86 x 1.9 m, centrada en el espacio del baño.

Respiradero Cocina – Lavado: 1.2 x 1.5 m, centrado en el espacio de la cocina y a 40 cm del borde superior.

Finalmente se cerró el espacio del hogar agregando un suelo de 5 cm de espesor, esto para simular los cimientos y dar más realidad de la situación al momento de simular.

Para finalizar el modelo, se diseñó un techo, partiendo del borde superior en la cara izquierda de la casa, ahí se creó un nuevo croquis con forma de triángulo cuya base correspondía a los 8,9 m de largo y con una altura de 0.6 m ubicada a 4 m del borde izquierdo (esto representara la base). Una vez terminada la base se creó la plancha

37

del techo, con un espesor de 12 cm y una saliente limitante con los alrededores de la casa, de esta manera termina el modelado del espacio a climatizar y con esto se procedió al inicio de los diferentes escenarios efectuados (Figura 8).

Figura 8. Modelado de la casa, A- Croquis del techo, B- Modelo final

Fuente: Elaboración propia.

SIMULADO DE SOMBRAS

Con el CAD del hogar finalizado, se da paso al simulado de las diferentes situaciones a las que se expondrá, en este caso, al estudio de sombras.

Para esto se recurrió al programa Sketch Up, se debe tener en cuenta que no existe un archivo que vincule SolidWorks con archivos de Sketch, por esto se debe convertir el CAD a un archivo STL para importar modelo al programa necesario.

Una vez importado el archivo se inicia el estudio de sombras seleccionando la geolocalización donde se efectuará el proyecto, en este caso, se ubicó al sur de la ciudad de Cali – Colombia; Para esto se debe ir a la parte inferior izquierda del plano de trabajo, en la opción geolocalización, deberá aparecer en geolocalización las coordenadas y el nombre del lugar especificado.

Con el Hogar geolocalizado, se puede dar inicio al estudio de sombras, se debe activar la opción de ver sombras en el programa, con esto, y basados en la escala que ofrece el programa se definió el estudio de sombras en el mes de septiembre y se dio relevancia al mediodía (hora en la que el calor se hace más extenuante).

En miras de realizar un estudio con métodos de bioclimatizacion, al diseño inicial se le realizaron ciertas modificaciones para agregarle espacios sombreados y ver que tanto se ve influenciado esto en la radiación solar que recibe el hogar, para esto, se agregó un cercamiento de arbustos (figura 9A) y como plus un par de árboles

38

cubriendo las superficies del hogar (figura 9B), Los árboles fueron sacados de la base de datos de diseños de SketchUp.

Figura 9. Simulado de sombras, A- Arbustos, B- Arbustos – Arboles

Fuente: Elaboración propia.

Añadido al análisis de sombra se realizó conjuntamente un análisis de radiación con la ayuda de la extensión Solar Energy análysis, para su correcto funcionamiento, se debe cambiar el modo del diseño a líneas ocultas, de lo contrario el programa no correrá la simulación, además, se debe descargar un formulario especificado para cada zona geográfica, estos datos se consiguen dentro de la extensión y se encargan de configurar la salida y puesta de sol dependiendo de la ubicación de la zona.

Una vez configurados todos los parámetros necesarios para correr el programa, se procedió a realizar la simulación en cada uno de los escenarios propuestos.

ENMALLADO

Con el análisis solar realizado, se procedió con la simulación dentro del hogar, para ello, se utilizó el programa ICEM de ANSYS con el fin de crear la malla necesaria en la simulación, para esto, se importó el modelo como formato STL (anteriormente guardado), aunque también es posible con formatos parasolid; una vez cargada la geometría, se procedió con la especificación del espacio que se referiría a los alrededores (se creó una cúpula de 15 m de diámetro y seis metros de altura).

Con la cúpula creada, el paso siguiente fue dividirla en 16 secciones correspondientes a ocho rectángulos angostos y ocho anchos, que representaran

A

B

39

las posibles entradas y salidas de aire (posteriormente configuradas), para obtener mejores resultados al momento de efectuar la simulación, se configuro la malla de tal manera que cada sección, superficie y parte quedaran definidas de manera independiente, esto con el fin de darle autonomía a cada sección dentro de la simulación y obtener resultados cercanos a la realidad.

En este procedimiento se diferenciaron ambas superficies de las paredes del hogar asignando el número uno para las externas y el dos para las internas, además, se diferenciaron los rectángulos angostos con el nombre “Entrada” y los anchos con “Cúpula”, se seleccionaron todos los bordes y se agruparon en una parte llamada “Bordes”, finalmente diferenciamos las partes “Techo cúpula”, “Piso cúpula” y “piso casa”.

Con las superficies agrupadas e independizadas, se procedió con el enmallado, al tener la malla configurada de esta manera, por cuestiones de optimización se recurrió al enmallado por partes, aquí, el programa nos permite determinar las superficies o partes en las cuales se desea hacer un refinamiento, en esta opción se configura el tamaño del enmallado para cada una de las partes creadas con anterioridad; Al tratarse de un estudio térmico, se dio un alto refinamiento a los bordes y las paredes del hogar, asignando un valor de 0,1 unidades, en las zonas donde el estudio no era intrínseco (cúpula) se asignó un valor de 5 unidades y finalmente a las superficies restantes se les asigno un valor de 1 .

Se estipulo, por capacidad computacional, que la malla no debía superar el millón y medio de elementos, pues al tratarse de una simulación volumétrica y de fluidos, el tiempo requerido para efectuarse la simulación y la cantidad de memoria requerida para efectuarla se convertían en un impedimento a mayor cantidad de elementos, bajo esta premisa y con los valores configurados (mencionados anteriormente) se logró una cantidad de elementos de un millón cuatrocientos mil, encontrándose dentro de los parámetros deseados.

Para continuar con el proceso de simulado térmico, se presenta el mismo escenario al momento de importar archivos desde SolidWorks, en este caso, entre ICEM y Workbench, para lograr la importación de la malla, desde ICEM se debe grabar el enmallado en archivo cfx5.

6.3.1 Simulado térmico

Con la malla exportada en formato Cfx5 se procede al simulado térmico dentro del hogar, haciendo uso del programa Workbench de Ansys, se seleccionó la opción

40

Flujo de Fluido en Cfx “Fluid Flow (CFX), aquí, nos aparecerá un recuadro con cinco opciones, en la opción malla “mesh” se debe dar clic derecho, importar malla, seguidamente se debe ir a la ruta donde se guardó el archivo Cfx5, con esto habremos llamado la malla anteriormente creada y exportada.

Una vez exportada la malla, se dio inicio a la configuración del simulado térmico del hogar, para ello, dentro del análisis se debe crear un nuevo dominio haciendo clic derecho, insertar, dominio; En el dominio creado, se llama la malla correspondiente a los alrededores del hogar, esta malla es creada de manera predeterminada por el programa ICEM y se encuentra bajo el nombre “Created Materials”, en el tipo de dominio se debe seleccionar dominio de fluido, en la sección definición de fluido y partículas, se crea un nuevo fluido (en este caso llamado fluid 1), aquí, en la opción materiales de biblioteca se selecciona aire a 25 grados Celsius, paso siguiente se configura la presión de referencia (1 atm) y para finalizar en la pestaña modelos de fluidos, se selecciona la opción energía total.

Con el dominio configurado, se procede a crear las diferentes regiones que se estudiaran con la simulación, haciendo clic derecho sobre el dominio (en este caso llamado aire), se selecciona la opción insertar, frontera, inicialmente se configuro el espacio abierto, es decir, donde no existirá ninguna corriente de aire (entrada/salida) especifica, por lo que se asignó el nombre “Abierto” a esta frontera, en la configuración se debe seleccionar “opening” en tipo de frontera, y se deben seleccionar las superficies correspondientes a la configuración.

Seguidamente se debe configurar la temperatura superficial en las paredes del hogar, para esto se utilizó el termómetro infrarrojo, prestado por la universidad (Figura 10), con el cual se obtuvo el valor de temperatura en paredes y suelo al medio día, estos valores se tomaron dentro del campus universitario por problemas de manejo del equipo (no fue posible sacarlo de la universidad), con estos valores, se debe crear nuevamente una frontera para cada una de las condiciones, en este caso, se crearon cuatro fronteras adicionales correspondientes a:

Paredes FT: Correspondientes a las paredes frontal y trasera del hogar. Paredes Altas: Aquellas paredes que se encuentran con mayor exposición solar Paredes int: Paredes al interior del hogar Piso y Techo: Como el nombre lo indica, corresponden al techo del hogar y el piso alrededor del hogar.

41

La discretización anteriormente mencionada de las superficies del hogar es efectuada con ánimo de mejorar la calidad de la simulación, accediendo a situaciones más realistas (desglosado en resultados).

Figura 10. Termómetro infrarrojo InfraPro5

Fuente: Elaboración propia.

Finalmente se deben configurar las entradas de aire al espacio creado, para esto, se debe consultar la rosa de los vientos de la ubicación en la cual se efectuará la simulación, en este caso, Cali – Colombia; basados en el reporte climático el día de la simulación, se puede concluir que existen 3 direcciones donde el aire presenta velocidades que podrían ser potencialmente aprovechadas, por ello, se crean 3 fronteras dentro de la configuración del programa, una apuntando directamente hacia el este con una velocidad de 2.5 m/s, bajo el nombre de entrada 1, para la segunda corriente, se ingresó un valor de 3 m/s en la dirección noroeste, a esta corriente se le dio el nombre de entrada 2 y finalmente en la entrada 3 se cubrió la zona este y sureste dando un valor de 5 m/s.

Con esto concluye la configuración de los parámetros para realizar la simulación térmica del proyecto, ahora solo resta correr el apartado de solución, aquí, se deberá dar inicio a la simulación y esperar que termine el proceso.

Una vez termina la primera simulación, se procede con la situación antes mencionada donde se añade sombra, el único procedimiento a seguir es, cambiar los valores de temperatura en las paredes que se ven sombreadas en cada uno de los casos propuestos.

42

DISEÑO DE ACONDICIONAMIENTO EVAPORATIVO (BIOCLIMATIZACION)

Para el diseño de la bioclimatizacion se debe iniciar con el cálculo para conocer la relación de humedad necesaria buscando llegar a condiciones de confort idóneas, para esto, se inicia estimando el tamaño de una gota de agua, basados en el tamaño promedio de una gota de lluvia mediana, se seleccionó un tamaño promedio de 0.85 mm2, con esto inicia el cálculo para la bioclimatizacion; mediante este dato, se calcula el volumen estimado, y haciendo uso de la densidad del agua, el peso representativo.

Haciendo uso de las tablas de vapor de agua, se obtiene el número que hace referencia a la entalpia en la que se presenta el cambio de fase (hfg) a la temperatura ambiente, con este dato se calcula el calor que genera una sola gota; a continuación se procede a realizar el cálculo para la ambientación del hogar; Primero, se debe obtener el dato de la humedad relativa en el lugar donde se ejecuta el supuesto, en este caso, Cali, haciendo uso de una página encargada del análisis diario del clima en diferentes lugares del mundo (World meteo)24, se obtiene una humedad relativa del 65%, teniendo en cuenta la meta a lograr (HR 70%), se procede a calcular con la densidad del aire a 32°C, la diferencia de densidades entre ambas humedades.

El dato obtenido es un insumo crucial para calcular con ayuda de la masa de una gota el volumen total que se necesita para llegar a la meta, el cual, al realizar la relación con el volumen de una sola gota, dará el valor total de gotas necesarias para la transferencia y humidificación del espacio, al multiplicar este dato por el calor de una sola gota se obtiene el calor total que se removería del aire al momento del intercambio de calor.

Finalmente se debe calcular la temperatura que se obtendrá al momento de posicionar el climatizador evaporativo, primero, se debe calcular la masa de aire a climatizar, que corresponde en este caso al espacio interno del hogar, como añadidura, se supone que dicha masa de aire se climatizara en un periodo de 30 minutos, con estos datos, se iguala el calor total del agua con la relación de calor para el aire, dejando como incógnita la temperatura de salida; esta temperatura de entrada, junto con la temperatura superficial configurada en la simulación de sombras, conformarían el tercer escenario donde la bioclimatizacion es efectuada.

43

ANÁLISIS DE CONSUMO ELÉCTRICO

6.5.1 Suposiciones

Para el análisis del consumo eléctrico se deben hacer varias suposiciones:

Tiempo disponible de uso del equipo

Consumo de un AC estándar

Consumo del bioclimatizador

Valor del Kw/h

Valor del m3 consumido.

Ubicación de la vivienda

Con los puntos anteriormente mencionados, se supondrá que el equipo será utilizado por un usuario que permanece en su hogar en las horas críticas del día, y que lo utilizara de 11 am a 4 pm, es decir, 5 horas al día; Además de esto, se supondrá que el equipo de AC tendrá un consumo de 600W (Consumo mínimo de un aire acondicionado estándar)26, en el caso del bioclimatizador, se selecciona un equipo portátil cuyos datos de consumo se exponen en la figura 11, la vivienda estará ubicada en un barrio estrato 5 al sur de Cali, y además, se tomara un recibo de energía para los valores del $/Kwh y el $/m3 (Anexos).

Figura 11. Datos del Bioclimatizador seleccionado

Fuente: GREEN. Enfriador de aire evaporativo “Green”, [Figura] Green. p 15, [Consultado: 25 de Junio de 2018], disponible en internet: https://logismarketcl.cdnwm.com/ip/famacon-enfriadores-evaporativos-o-frio-evaporativos-catalago-de-equipos-enfriadores-evaporativos-1119347.pdf

44

6.5.2 Cálculo de consumos

Primero, calcularemos el consumo del AC, para esto tenemos lo siguiente:

𝐶𝐴𝐶 = 𝑃𝑜𝑡 (𝐾𝑊) ∗ 5ℎ ∗ 30 𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗ 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠

𝐶 = 𝐶𝐴𝐶(𝐾𝑊ℎ𝑎ñ𝑜) ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 $/𝐾𝑊ℎ

𝐶 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 $ /𝑎ñ𝑜

Para el caso del bioclimatizador, se deben tener en cuenta que genera un consumo adicional por el agua necesaria, por lo que tendríamos:

𝐶𝐵𝐼𝑂𝐴 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 (𝑚3 ℎ)⁄ ∗ 5 ℎ ∗ 30 𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗ 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝐵𝐼𝑂𝐴 = 𝐶𝐵𝐼𝑂𝐴 (𝑚3/𝑎ñ𝑜) ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 $/𝑚3

𝐶𝐵𝐼𝑂𝐸 = 𝑃𝑜𝑡 (𝐾𝑊) ∗ 5ℎ ∗ 30 𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗ 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝐵𝐼𝑂𝐸 = 𝐶𝐵𝐼𝑂𝐸 (𝐾𝑊) ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 $/𝐾𝑊ℎ

𝐶𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = (𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝐵𝐼𝑂𝐸 + 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝐵𝐼𝑂𝐴) $/𝑎ñ𝑜

Finalmente, ambos costos se deben comparar para obtener de esta manera un valor de ahorro (en caso de existir) y determinar qué equipo funciona de manera eficiente a un bajo costo operacional.

45

7. RESULTADOS

ANÁLISIS DE SOMBRA / SOLAR

7.1.1 Hogar sin modificaciones

En la figura 12 se ilustran los resultados del análisis de sombra/solar efectuados en el programa sketch up, se puede apreciar en la figura 12A la parte frontal, superior frontal y lateral izquierda del hogar, mientras que en la12B la parte trasera, lateral derecha y superior trasera, es importante destacar que las zonas más afectadas son, el techo (como era de esperarse) y las paredes lateral izquierda y trasera, además, es interesante ver como la pared frontal y lateral derecha se encuentran totalmente “aisladas” al no recibir carga térmica.

Figura 12. Análisis Solar. A- Vista frontal, B- Vista trasera

Fuente: Elaboración propia.

Con este resultado, ya se tiene en consideración las zonas que tendrán mayor importancia al momento de simular, así mismo, se crea una expectativa de que superficies presentarán una temperatura mayor, y por ende, los focos a tomar en principal consideración para lograr las condiciones deseadas.

7.1.2 Hogar con sombreado leve

En la figura 13 se puede apreciar los resultados del hogar con un sombreado leve, se simulo con un cercado de arbustos rodeando el recinto, se puede observar una disminución en el calor total recibido en la primera simulación, además de una

B A

46

notable disminución en dos de las tres superficies críticas, como son, la pared trasera y la pared izquierda.

Figura 13. Análisis Solar con Sombras leves. A- Vista frontal, B- Vista trasera

Fuente: Elaboración propia.

Es imprescindible destacar el cambio de radiación recibida por la pared trasera, pasando de ser una zona de alta radiación a una casi nula (figura 13B) así mismo, como anteriormente se mencionó y aunque no es tan significativa como la pared trasera, se observa un cambio en el comportamiento de la pared izquierda del hogar (figura 13A).

7.1.3 Hogar sombreado

Finalmente, se agregó un sombreado más significativo, haciendo uso de árboles de tamaño medio alrededor del hogar, se puede apreciar que la radiación sobre el hogar disminuye drásticamente, que todas las superficies que presentaban una radiación alta, se encuentran ahora en un rango medio – bajo (figura 14).

A B

47

Figura 14. Análisis Solar con Sombras. A- Vista frontal, B- Vista trasera

Fuente: Elaboración propia.

A pesar de que no se puede evidenciar el resultado en la parte trasera del hogar, es correcto asumir (basados en el resultado anterior) que esta superficie se encuentra prácticamente aislada, y que no está recibiendo radiación, o que, en caso de presentar algún tipo de valor, este sería próximo a 0; en la superficie izquierda se observa una notable disminución del valor de radiación, igualmente, el techo ya no se encuentra en los valores máximos, por lo que se evidencia una mejoría en cuanto a los tres resultados obtenidos.

ENMALLADO

7.2.1 Malla

Cabe recalcar que el proceso de enmallado se ve altamente ligado a la capacidad computacional de la persona que quiera efectuar la simulación, bajo esta premisa se deja claro que los resultados obtenidos en la malla están relacionados con el equipo utilizado para su realización, es decir, los datos que se ilustran a continuación son los máximos y óptimos posibles para este caso.

En la figura 15A se puede observar que cada parte creada tiene un color diferente, y que efectivamente fueron discretizadas de la manera deseada, además, se verifica que el volumen alrededor del hogar se encuentra totalmente enmallado (figura 15B), finalmente al lograr una cantidad aceptable de elementos, se tiene la premisa de

A B

48

una malla funcional y resultados obtenidos en la simulación térmica que podrán considerarse verídicos.

Figura 15. Malla elaborada en ANSYS ICEM. A- Superficies, B- Volúmenes

Fuente: Elaboración propia.

7.2.2 Refinamiento

Como anteriormente se mencionó, se debe crear un refinamiento en la malla, dando prioridad a las superficies de las paredes (zona de mayor interés), pues es donde se efectúa principalmente el intercambio de calor y por tanto la principal fuente a atacar al momento de mejorar las condiciones de confort, por esto, en la figura 16A se puede apreciar un corte de plano efectuado sobre el eje x, haciendo zoom a cualquiera de las superficies del hogar (figura 16B) se puede observar que el refinamiento se encuentra bien efectuado, pues la malla se hace mucho más fina a medida que tiende a las superficies de las paredes.

A

B

49

Figura 16. Plano de corte sobre la malla. A- Superficies, B- Volúmenes

Fuente: Elaboración propia.

Así mismo, se puede ver el “vaciado” entre las paredes del hogar, este efecto es obtenido con la discretización de las superficies del hogar, es decir, el proceso descrito en la metodología para crear diferentes partes antes de generar la malla, esto hace más simple y efectiva la simulación térmica; No se ilustran cortes de plano en los dos ejes restantes, pues es redundante mostrar la misma información y resultados obtenidos.

SIMULADO TÉRMICO

Para iniciar el simulado térmico, se tuvo que medir la temperatura superficial a las 12 del mediodía haciendo uso de un sensor infrarrojo de temperatura, recordamos que las temperaturas obtenidas hacen referencia a las superficies dentro del campus universitarios, por políticas de seguridad de la administración; Los datos obtenidos se pueden evidenciar en los anexos.

A

B

50

7.3.1 Temperatura superficial

Como se ha dicho anteriormente, con ayuda del sensor infrapro 5 (sensor de temperatura superficial), se logró obtener el valor de la temperatura en las diferentes superficies del hogar, siendo más intrínseco el piso y asumiendo que esta temperatura sería igual a la del techo, este valor de 39.2°C (Anexos) se obtuvo en el campus de la universidad, por motivos de seguridad en la prestación de los equipos del laboratorio.

Así mismo se midió la temperatura en una de las paredes del campus, para este caso se consideró una pared que no tuviera sombra encima, obteniendo un resultado de 37°C (Anexos), de igual manera, se midió la temperatura en una superficie que contara con el cubrimiento de un árbol considerable, esto para tener el valor de temperatura en el caso sombreado, dicha pared arrojo un valor de 34°C (Anexos); Con estos insumos se procedió a realizar las simulaciones de cada uno de los casos anteriormente descritos.

7.3.2 Hogar sin sombras

Para poder apreciar los resultados obtenidos en cada una de las simulaciones se presentaran tres parámetros que serán analizados, primero, se muestra en la figura 17 un corte de plano XY para observar el comportamiento de las temperaturas superficiales y como afectan estas el interior del hogar, en la imagen se evidencia coherencia con los valores suministrados al momento de configurar la simulación, se ve en la leyenda que el valor máximo de temperatura superficial es efectivamente 39°C y que este valor se presenta en la superficie superior (techo) y en los alrededores del hogar (piso), cabe recalcar que se puede apreciar la estela producida por el calor de cada una de las superficies.

51

Figura 17. Contorno en el plano XY, Simulación #1 del Hogar

Fuente: Elaboración propia.

Es importante destacar la temperatura al interior del hogar, se puede apreciar que su valor ronda entre los 24 y los 30°C, viéndose un valor promedio de aproximadamente 28°C, lo cual representa un ambiente muy alejado de las condiciones de confort buscadas.

En el segundo parámetro se presentan las líneas de corriente del aire que someten el hogar, en la figura 18 se puede apreciar todas las líneas de corriente presentes en el espacio, es importante destacar que la velocidad máxima no corresponde al valor máximo suministrado al momento de configurar la simulación, esto puede deberse a la unión de diferentes corrientes de aire que podrían incrementar sus velocidades, así mismo, es correcto afirmar que son pocos los casos evidenciados de corrientes con altas velocidades.

52

Figura 18. Corrientes de aire dentro del espacio simulado #1. A- Líneas de corriente, B- Vectores

Con el fin de observar el comportamiento dentro del hogar, se realizó un segundo reporte que evidenciara únicamente la parte interna de la casa, en la figura 19 se puede observar el resultado, y se puede concluir que son pocas las corrientes que tienen un valor de velocidad elevado, estas escasas corrientes corresponden a las ubicaciones de los alrededores que presentan de igual manera una alta velocidad.

Es interesante observar el comportamiento de las corrientes que ingresan al hogar por la ventana que se encuentra en la pared frontal del hogar, a pesar de que ingresan con un valor aproximado de 9.8 m/s disminuye a un valor aproximado de 7.35m/s (valor medio entre 4.9 y 9.8 m/s), esto se puede deber a la existencias de corrientes de baja velocidad en el recinto que está recibiendo esta alta corriente de aire.

B A

53

Figura 19. Corrientes de aire dentro del Hogar

Fuente: Elaboración propia.

Como valor agregado, en la figura 20 se presenta el comportamiento térmico dentro del hogar (una expansión de lo presentado en el primer parámetro), donde contrario a lo observado en el corte de plano efectuado, se puede evidenciar la temperatura de cada una de las habitaciones y compartimientos del hogar, es importante destacar que existen espacios que superan el valor presentado en el primer aparato (28°C), dichos valores corresponden al baño social, la habitación principal, el baño de la habitación principal y la habitación secundaria, así mismo y como era de esperarse por los resultados anteriormente ilustrados, la cocina es la zona más fresca del hogar, las demás zonas presentan la temperatura ilustrada en el primer segmento.

54

Figura 20. Temperatura al interior del hogar primer escenario

Fuente: Elaboración propia.

Como tercer y último parámetro, se presenta la temperatura en cada uno de los espacios al interior del hogar, esto con el fin de complementar el análisis y tener una base de comparación entre cada uno de los escenarios pre dispuestos a lo largo del proyecto, en la tabla 1 se presentan estos resultados, haciendo uso de un punto medio en cada uno de los espacios; se puede apreciar en la primera columna las coordenadas exactas utilizadas para extraer el valor de temperatura que representara cada espacio, en la segunda columna se presenta el nombre del espacio al cual corresponden las coordenadas antes descritas, y finalmente, en las últimas dos columnas los valores de temperatura correspondiente en grados Kelvin y Celsius.

55

Tabla 1. Resultados de temperatura por zona dentro del hogar sin modificaciones

Coord. (x, y, z) Nombre de referencia

T (°K) T(°C) -2.1395; 1.01917; 3.07824 Sala 300,09 27,09 -2.93428; 1.01917; -0.0256238

Cocina 298,811 25,811 -2.93428; 1.01917; -1.89993 Baño Social 301,087 28,087 -0.849872; 1.01917; -0.610409

Pasillo 299,261 26,261 1.60942; 1.01917; -0.895304 Cuarto Secundario 299,485 26,485 1.60942; 1.01917; 1.2639 Baño Cuarto

principal 300,396 27,396

1.60942; 1.01917; 4.08287 Cuarto Principal 300,266 27,266

Fuente: Elaboración propia.

Se puede observar que los resultados expuestos en la tabla 1 representan con total coherencia las ilustraciones antes descritas, que el espacio con mayor temperatura es el baño social y que la zona más fresca es la cocina, estos son los datos que se buscan atacar con el proyecto, ahora solo queda compararlos con los otros dos escenarios creados y ver cuál es el impacto dentro del hogar.

7.3.3 Hogar sombreado

Por simplicidad para el lector, se ilustrarán y se hará un análisis breve de los resultados de este y el ultimo escenario simulado; Nuevamente se expondrán los 3 parámetros antes descritos y en el mismo orden presentados

En el caso del primer parámetro, la temperatura desciende a 35°C (figura 21), además se nota un descenso considerable de temperatura en la superficie lateral izquierda del hogar, lo cual es un buen indicativo al momento de analizar y comparar con el escenario 1.

56

Figura 21. Contorno en el plano XY, Simulación #2 del Hogar

Fuente: Elaboración propia.

Para el segundo parámetro, se omitirán las imágenes de las líneas de corriente por no tener resultados relevantes, estos resultados serán anexados al final del documento, en la figura 22 se puede observar la temperatura al interior del hogar con los parámetros de la segunda simulación, se nota una mejoría en las zonas críticas del hogar (primer escenario) teniendo como valor máximo un aproximado de 26°C en la zona con mayor temperatura.

57

Figura 22. Temperatura al interior del hogar segundo escenario

Fuente: Elaboración propia.

En la tabla 2 se ilustran los resultados obtenidos en el tercer parámetro a analizar, se ve una notable mejoría en todo el hogar, llegando a un promedio de 25°C en el interior del hogar, la temperatura critica de 28°C perteneciente a la zona del baño social disminuyo 3°, aun así, aun no se encuentra dentro del rango de temperatura de confort.

Tabla 2. Resultados de temperatura por zona dentro del hogar Con sombras

Coord. (x, y, z) Nombre de referencia

T (°K) T(°C) -2.1395; 1.01917; 3.07824 Sala 298,427 25,427 -2.93428; 1.01917; -0.0256238

Cocina 298,285 25,285 -2.93428; 1.01917; -1.89993 Baño Social 298,839 25,839 -0.849872; 1.01917; -0.610409

Pasillo 298,401 25,401 1.60942; 1.01917; -0.895304 Cuarto Secundario 298,418 25,418 1.60942; 1.01917; 1.2639 Baño Cuarto

principal298,607 25,607

1.60942; 1.01917; 4.08287 Cuarto Principal 298,562 25,562

58

Al igual que en el primer escenario, se ve una total coherencia entre todos los resultados obtenidos, y es importante destacar que sin ayuda del bioclimatizador se está dentro de un rango aceptable de temperatura en un hogar.

7.3.4 Hogar con sombra y Bioclimatizado

Para iniciar el análisis de los resultados térmicos, se presenta en la tabla 3 el cálculo necesario para obtener la temperatura del aire, en los anexos se encuentra el procedimiento y explicación de cada una de las fórmulas utilizadas para obtener este valor.

Tabla 3. Insumos necesarios para cálculo de bioclimatizacion

Confort Tamaño gota (m) 0,00085

Vol. Gota (m3) 1,02352E-10 M. de gota (Kg) 1,02045E-07 Calor de la gota

(KJ/Kg) 0,000230366

densidad 65% 0,022285714 densidad 70% 0,024

Vol. Bioclimatizacion

(m3)

5,9526E-05 Cantidad de agua

(gotas) 581583

Calor Total de agua (KJ/Kg)

0,074431545 masa de aire (Kg/s) 0,045916667

Temp. Ref (°C) 23,39 Fuente: Elaboración propia.

En el caso del primer parámetro, se puede evidenciar que la temperatura al interior del hogar se encuentra en el parámetro deseado, se debe destacar la mejoría al momento de tratar la temperatura del aire, a excepción del aire circundante en las proximidades de las superficies todo el interior del hogar parece que se encuentra en la temperatura deseada (Figura 23).

Tabla 3. Calculo de temperatura del aire bioclimatizado.

59

Figura 23. Contorno en el plano XY, Simulación #3 del Hogar

Fuente: Elaboración propia.

En cuestión de temperatura máxima, se ve un reducido a 32°C, lo cual indica que el interior de la casa está disminuyendo un poco la temperatura superficial del hogar.

En el caso del segundo parámetro, se puede apreciar con total precisión el valor de la temperatura al interior del hogar (figura 24), estos valores se añadieron teniendo en cuenta que este es el caso más relevante, e ilustran una óptima temperatura, lográndose así el objetivo buscado (24°C), se debe recordar que los cálculos de la tabla 3 se efectuaron tomando en consideración la condición optima de humedad relativa dentro del hogar, cuyo valor debe ser 70%.

Figura 24. Temperatura al interior del hogar Tercer escenario

Fuente: Elaboración propia.

60

Finalmente, en el tercer apartado se constata la veracidad de los datos (tabla 4), obteniéndose una temperatura promedio de 23,98°C en el hogar, en este caso, es la sala la que presenta la menor temperatura, estando a tan solo 0.1°C por debajo del comportamiento presentado en los dos escenarios anteriores (Donde la cocina presenta menor temperatura).

Tabla 4. Resultados de temperatura por zona dentro del hogar Bioclimatizado.

Fuente: Elaboración propia.

CONSUMOS

Como se describió en la metodología, se aplicaron las asunciones y formulas descritas, con lo que se obtuvo:

7.4.1 Aire acondicionado

𝐶 = 1086 𝐾𝑊ℎ𝑎ñ𝑜 ∗ 499.09 $/𝐾𝑊ℎ 𝐶 = 539,017.2 $ /𝑎ñ𝑜

7.4.2 Refrigerador evaporativo

𝐶𝐵𝐼𝑂𝐴 = 10.8 𝑚3/𝑎ñ𝑜 ∗ 1991.23 $/𝑚3

Coord. (x, y, z) Nombre de referencia

T (°K) T(°C) -2.1395; 1.01917; 3.07824 Sala 296,617 23,617 -2.93428; 1.01917; -0.0256238 Cocina 296,736 23,736 -2.93428; 1.01917; -1.89993 Baño Social 296,998 23,998 -0.849872; 1.01917; -0.610409 Pasillo 296,86 23,86 1.60942; 1.01917; -0.895304 Cuarto Secundario 297,05 24,05 1.60942; 1.01917; 1.2639 Baño Cuarto

principal 297,42 24,42

1.60942; 1.01917; 4.08287 Cuarto Principal 297,21 24,21

61

𝐶𝐵𝐼𝑂𝐸 = 162 𝐾𝑊 ∗ 499.09 $/𝐾𝑊ℎ

𝐶𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 102,357.864 $/𝑎ñ𝑜

62

8. CONCLUSIONES

A partir de los resultados obtenidos con la extensión Solar Energy Análisis del programa Sketch up, se puede concluir que es sumamente importante disminuir lo máximo posible el área expuesta a la radiación solar, en el caso del estudio realizado, las superficies que se encuentren en sentido norte y este, son aquellas que se ven más propensas a recibir cargas térmicas por este tipo.

En cuanto a los resultados de la simulación se puede concluir que con lo dicho anteriormente es posible mejorar notablemente las condiciones de confort dentro de un hogar, además, que un equipo bioclimatizador, beneficia y logra las cualidades requeridas para una óptima climatización (condiciones de confort), esto se puede evidenciar con la tabla 5, que nos muestra el delta de temperatura existente en cada una de las zonas del hogar en los dos escenarios climatizados, logrando bajar la temperatura hasta 4° en el caso del espacio más crítico, y esto teniendo en cuenta que la humedad en la ciudad de Cali es relativamente manejable.

Tabla 5. Cambio de temperatura de los escenarios 2 y 3 con respecto al escenario base

Nombre de referencia

T(°C) ΔT(°C) ΔT(°C) Sala 27,09 1,663 3,473 Cocina 25,811 0,526 2,075 Baño Social 28,087 2,248 4,089 Pasillo 26,261 0,86 2,401 Cuarto Secundario 26,485 1,067 2,435 Baño Cuarto principal

27,396 1,789 2,976 Cuarto Principal 27,266 1,704 3,056

Fuente: Elaboración propia.

Es importante concluir, además, que implementar un sistema de bioclimatizacion en un ambiente con una humedad alta no arrojaría un resultado tan optimo como el presentado en el proyecto actual, y que se necesitarían de otros tipos de equipos o pasos adicionales en caso de querer buenos resultados.

En cuanto a ahorro, a simple viste es notoria la enorme diferencia en costos de operación entre ambos equipos, obteniendo un ahorro de 436,659.336 $/𝑎ñ𝑜, o del 526%, estos datos son importantes, pues, se comprueba que además de los múltiples beneficios que se obtienen haciendo uso del climatizador evaporativo, se desmiente la afirmación hecha en desventaja que al requerir agua de alimentación

63

más la bomba y el ventilador necesarios, el costo de funcionamiento no difiere mucho de un AC.

Finalmente, es correcto concluir que se han cumplido con cada uno de los objetivos planteados, que los datos obtenidos e ilustrados son de confianza (por la calidad de enmallado), dándole prioridad a las superficies de interés (refinamiento), además de evidenciarse total concordancia entre cada uno de los apartados en cada uno de los escenarios planteados, teniendo así resultados muy satisfactorios y logrando la meta deseada, sin descartar o dejar de lado posibles mejoras que no se tienen en cuenta en este proyecto.

64

BIBLIOGRAFIA

BBC MUNDO. ¿Por qué 2015 fue el año más caluroso del que se tiene registro?, [En Línea] BBC Mundo [Consultado el 27 de febrero de 2016]. Disponible en internet: http://www.bbc.com/mundo/noticias/2016/01/160120_ciencia_internacional_record_temperaturas_fenomeno_el_nino_ng

Bioconfort soluciones climáticas. Principios del Enfriamiento Evaporativo [en línea] En: bioconfort.com [Consultado el 25 Marzo de 2016]. Disponible en internet: http://biocomfort.com.co/productos/teoria/

BIOCOOL. Guía de información y aplicación del sistema. bioclimatizacion por técnicas evaporativas, 44 p.

BREEZAIR. how evaporative cooling works, [en línea] Seeley internationals, [Consultado el 26 Abril 2016]. Disponible en internet: http://www.breezair.com/us/why-evaporative/how-evaporative-works

CAMBIO CLIMÁTICO GLOBAL. Cambio Climático, Calentamiento Global y Efecto Invernadero, [en línea] Cambio climático global [Consultado el 12 Marzo de 2016]. Disponible en internet: http://cambioclimaticoglobal.com/

Carel, Enfriamiento evaporativo: enfriar el aire con agua [en línea].carel.es [Consultado el 26 de marzo del 2016]. Disponible en internet: http://www.carel.es/evaporative-cooling

CENGEL. Transferencia de calor y masa. 4 ed. Mexico: McGrawhill. 2011.256P

COLOMBIA. MINISTERIO DE SANIDAD. Servicios sociales e igualdad. Guía técnica para la Prevención y Control de la Legionelosis en instalaciones. [en línea] Ministerio de sanidad, [Consultado: 28 Febrero de 2016] Disponible en internet: http://www.msssi.gob.es/ciudadanos/saludAmbLaboral/agenBiologicos/guia.htm

Energy Management and Energy Optimization in the Process Industry. White paper How does the fact that Siemens is becoming a "green company" benefit a plant operator in the process industry? [PDF], EE. UU. 2011. [Consultado: 25 Marzo de 2016]. Disponible en internet: https://w3.siemens.com/mcms/process-control-

65

systems/SiteCollectionDocuments/efiles/pcs7/support/marktstudien/WP_Energy-Man-PA_EN.pdf

Equipo LC Europa. Enfriamiento evaporativo ecológico para grandes espacios [en línea]. LC Europa. España 2018. [Consultado el 19 de julio de 2019]. Disponible en: https://lc-europe.com/enfriamiento-evaporativo-ecologico-grandes-espacios/

EVAPTAINERS, The science of evaporative cooling [en línea] Evaptainers, Publicado el 07 / 08 2014, [Consultado el 26 Abril de 2016]. Disponible en internet: http://www.evaptainers.com/updates/2014/8/6/the-sciance-of-evaporative-cooling

Factor energía, ¿Cuánto consume (de verdad) el aire acondicionado?, [en línea] Factor energía 2016[Consultado el 25 de Junio /2018], disponible en internet: https://www.factorenergia.com/es/blog/eficiencia-energetica/cuanto-consume-aire-acondicionado/.

GREEN. Enfriador de aire evaporativo “Green”, [en línea] Green. p 15, [Consultado: 25 Junio de 2018], disponible en internet: https://logismarketcl.cdnwm.com/ip/famacon-enfriadores-evaporativos-o-frio-evaporativos-catalago-de-equipos-enfriadores-evaporativos-1119347.pdf.

IDEA. “BIOCLIMATIZACION una nueva forma de climatizar”, [PDF] IDEA [Consultado, 28 de febrero de 2016]. Disponible en internet: http://www.factoria3.com/documentos/bioclimatizacion.pdf

LUCAS, Jim. what is thermodynamics?, [en línea] Live Science 2015, [Consultado: 26 Abril de 2016]. Disponible en internet: http://www.livescience.com/50776-thermodynamics.html

MADRIDEJOS, Antonio. Calor Global [en línea], el Periódico 2016 [Consultado el 13 Marzo de 2016]. Disponible en internet: http://www.elperiodico.com/es/noticias/sociedad/record-temperatura-media-anual-tierra-4801618

PORUMB, Bogdan; BĂLAN, Mugur y PORUMB, Raluca. Potential of indirect evaporative cooling to reduce the energy consumption in fresh air conditioning applications. [en línea]. En: Energy procedia, Enero, 2016, vol 85, p. 433 - 441. [Consultado:26 de abril de 2016]. Disponible en internet https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.12.224

66

Refrigeration - an introduction to the basics [en línea] Danfoss, [Consultado: 27 Abril de 2016]. Disponible en internet: http://www.danfoss.com/NR/rdonlyres/F35695FE-F4A2-40B9-847F- E81E20A5EEA8/0/PF000F202.pdf

RODRÍGUEZ, Mercedes. Cuidado con el ventilador y el aire acondicionado, [en línea] la tecla con café 2012 [ Consultado el 28 de febrero de 2016]. Disponible en internet: http://lateclaconcafe.blogia.com/2012/072203-cuidado-con-el-ventilador-y-el-aire-acondicionado.php

SIMEC. Informe Mensual De Variables De Generación Y Del Mercado Eléctrico Colombiano – Junio De 2015 Subdirección De Energía Eléctrica – Grupo De Generación, [En Línea] SIEL [Consultado el 06/15, 27 de febrero de 2016]. Disponible en internet: http://www.siel.gov.co/portals/0/generacion/2015/Seguimiento_Variables_Junio_2015.pdf

SYMPHONY, Nuestra historia, [en línea], Symphony, [Consultado el 25 Marzo de 2016] Disponible en internet: http://www.symphonylimited.com.mx/nuestra-historia/

TAPIA, Antonia. Aumento de la temperatura de la Tierra: ¿un futuro apocalíptico?, [en línea] batanga, [Consultado el 12 Marzo de 2016]. Disponible en interent: http://www.batanga.com/curiosidades/4889/aumento-de-la-temperatura-de-la-tierra-un-futuro-apocaliptico

WANG, Shang. Handbook Of Air Conditioning And Refrigeration. 2 ed. Nueva York: McGraw-hill 2001.258P

WESCOR, Western Enviromental Services Corporation [en línea] Wercorhvac, Publicado el 2015, [Consultado el 30 Abril de 2016]. Disponible en internet: http://www.wescorhvac.com/Evaporative%20cooling%20white%20paper.html