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ESTUDIO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR

DE UN PISO RADIANTE HIDRONICO SOLAR

A UN ESPACIO

Oscar E. Rodea García y Manuel D. Gordon Sánchez

[email protected], [email protected]

Universidad Autónoma Metropolitana

Unidad Azcapotzalco, Posgrado en Diseño,

División de Ciencias y Artes para el Diseño

División de Ciencias Básicas e Ingeniería

ESTUDIO DE LA TRANSFERENCIA

DE CALOR DE UN PISO RADIANTE

HIDRÓNICO SOLAR A UN ESPACIO

Primera edición digital

Julio, 2011

Lima - Perú

© Oscar Enrique Rodea García

Manuel Domingo Gordon Sánchez

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0217

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• El pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010

ESTUDIO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR DE UN PISO RADIANTE

HIDRONICO SOLAR A UN ESPACIO

Oscar Enrique Rodea García- [email protected], Manuel Domingo Gordon Sánchez- [email protected]

Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco Posgrado en Diseño, División de Ciencias y Artes para el

Diseño

Resumen. La envolvente de una edificación controla en buena medida el ambiente interior en cuanto a luz, temperatura y

sonido. Desde el punto de vista térmico, sus características determinan la magnitud del flujo de calor que pasará hacia el

interior de la vivienda o edificio. Las perdidas térmicas que se presentan se ven acrecentadas por los tipos de materiales,

formas y espesores de los sistemas constructivos de las viviendas o edificios. Esto implica el uso de dispositivos mecánicos

para su climatización; y por lo tanto, un mayor consumo energético. La energía solar térmica se puede usar en las

edificaciones para la climatización de un espacio, por medio de dispositivos solares, los cuales ayudan a obtener mejores

rangos de confort, un mayor ahorro energético, y por lo tanto mayor grado de sustentabilidad.

Con el afán de contribuir a ahorro energético en esta investigación se realizo un análisis a un dispositivo de

calefacción por piso radiante hidrónico solar, el estudio se llevo a cabo en un modulo experimental, donde se implemento

sistema de piso radiante para comprobar si el aporte de calor al espacio es optimo para mantenerlo dentro de confort.

Para realizar un buen análisis del dispositivo de calefacción se realizo un análisis de las condiciones climáticas de la

ciudad de México que en donde se llevo a cabo el experimento, como segundo punto se realizó el análisis térmico del

modulo para conocer los requerimientos de la carga térmica necesaria para mantenerla dentro de un rango de confort, el

cual es de 20.5 a 25.5 en la ciudad de México, para este análisis se monitoreo el espacio por 5 días para conocer las

temperaturas interiores sin dispositivo y posteriormente se monitoreo por 5 días más con el dispositivo de piso radiante

en marcha, esto para conocer el comportamiento térmico dentro del modulo así como la eficiencia y la cantidad de calor

que proporciona el piso radiante.

Palabras-clave: Análisis térmico, Piso radiante, Transferencia de calor . 1. ANALISIS DE LAS TEMPERATURAS EN LA CIUDAD DE MEXICO

Las condiciones de comodidad o confort térmico dependen de las variables del medio ambiente, como la temperatura, humedad, velocidad del aire y radiación incidente. Los métodos para determinar las condiciones de comodidad térmica se desarrollaron desde finales del siglo pasado, y a partir de estos se implementaron normas o sugerencias de valores de los parámetros, dentro de los cuales el ser humano siente comodidad. Los conceptos listados anteriormente, resultan muy importantes para fijar las estrategias de diseño térmico de una vivienda o cualquier otro espacio. Por consiguiente como primer punto analizaremos las condiciones climáticas en donde se realizo el experimento, en este caso es la ciudad de México. Actualmente la zona metropolitana de la ciudad de México cuenta con una superficie aproximada de 1,500 km2, en su mayor parte la ciudad de México presenta un clima templado. “El verano es fresco, lluvioso y prolongado, mientras que el invierno es seco con lluvias escasas; se presenta poca oscilación anual y el clima es de tipo Ganges.” (Freixanet 2000). De acuerdo a los datos de la estación del observatorio meteorológico de Tacubaya, su clasificación según Koppen-García es Cb(w1)w(i’)g. En cuanto a su agrupación bioclimática, se considera semifrío, ya que la temperatura media del mes más caluroso es menor a 21°C y su precipitación pluvial anual se encuentra entre 650 y 1000mm. En la gráfica de días grado (fig. 2), podemos determinar cuando son necesarios los requerimientos de calentamiento y enfriamiento a lo largo del año. Descuerdo a los días grado, la mayor parte del año se tienen requerimientos de calentamiento con excepción en los meses de abril y mayo donde no hay requerimientos de calentamiento por el día, por el contrario, se necesita enfriamiento, el resto del año si se requiere de calentamiento

mailto:[email protected]


-200.0-180.0-160.0-140.0-120.0-100.0-80.0-60.0-40.0-20.0

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Figura 1- Grafica que muestra la temperatura de la ciudad de México durante todo el año. Fuente: elaboración propia, datos obtenidos del observatorio de Tacubaya

Figura 2- Grafica que muestra los días grado de la ciudad de México durante todo el año. Fuente: elaboración propia, datos obtenidos del observatorio de Tacubaya

De acuerdo con el análisis de las temperaturas horarias, se tienen condiciones de confort el 29.86% del tiempo. En la época calurosa que va de marzo a mayo el confort está comprendido entre las 12 y las 20 horas, sin embargo se presenta temperaturas por arriba de confort entre las14 y las 17 horas, las cuales representan solo el 2.78% del tiempo. Mientras que en diciembre solo se presentan 4 horas de confort y en enero 5 horas de confort (entre las 14 y 18 horas) las temperaturas que están por debajo del confort representan el 67.36% del tiempo.

MES T M T m T med 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 PRO

Enero 21.7 7.4 14.6 11.0 9.8 8.8 8.0 7.6 7.4 7.8 9.1 11.0 13.4 15.9 18.2 20.1 21.3 21.7 21.5 21.1 20.4 19.4 18.2 16.9 15.4 13.9 12.4 14.6

Febrero 23.4 8.5 15.9 12.2 10.9 9.9 9.1 8.7 8.5 8.9 10.2 12.2 14.5 17.1 19.6 21.6 22.9 23.4 23.2 22.7 22.0 20.9 19.6 18.2 16.6 15.0 13.6 15.9

Marzo 25.7 10.4 18.1 14.3 13.0 11.9 11.1 10.6 10.4 10.9 12.2 14.3 16.8 19.5 21.9 23.9 25.2 25.7 25.5 25.1 24.3 23.2 21.9 20.5 19.0 17.4 15.8 18.1

Abril 26.8 12.3 19.6 16.0 14.7 13.7 12.9 12.5 12.3 12.7 14.0 16.0 18.4 20.9 23.2 25.1 26.4 26.8 26.6 26.2 25.4 24.4 23.2 21.9 20.4 18.9 17.4 19.6

Mayo 26.8 13.2 20.0 16.6 15.5 14.5 13.8 13.3 13.2 13.6 14.8 16.6 18.8 21.2 23.4 25.2 26.4 26.8 26.7 26.2 25.5 24.6 23.4 22.1 20.7 19.3 17.9 20.0

Junio 25.3 13.5 19.4 16.5 15.5 14.6 14.0 13.6 13.5 13.9 14.9 16.4 18.4 20.4 22.3 23.9 24.9 25.3 25.2 24.8 24.2 23.3 22.4 21.2 20.0 18.8 17.6 19.4

Julio 23.8 12.5 18.2 15.4 14.4 13.6 13.0 12.6 12.5 12.8 13.9 15.4 17.3 19.2 21.0 22.5 23.5 23.8 23.7 23.3 22.7 22.0 21.0 20.0 18.9 17.7 16.5 18.2

Agosto 23.9 12.7 18.3 15.5 14.6 13.8 13.2 12.8 12.7 13.0 14.0 15.5 17.3 19.3 21.1 22.6 23.6 23.9 23.8 23.4 22.8 22.0 21.1 20.0 18.9 17.7 16.6 18.3

Septiembre 23.3 12.7 18.0 15.4 14.5 13.7 13.2 12.8 12.7 13.0 13.9 15.3 17.1 18.9 20.6 22.1 23.0 23.3 23.2 22.8 22.3 21.5 20.7 19.6 18.6 17.4 16.4 18.0

Octubre 22.9 11.2 17.1 14.2 13.2 12.3 11.7 11.3 11.2 11.6 12.6 14.2 16.1 18.2 20.0 21.6 22.6 22.9 22.8 22.4 21.8 21.0 20.0 19.0 17.8 16.6 15.3 17.1

Noviembre 22.9 9.7 16.3 13.0 11.9 11.0 10.3 9.8 9.7 10.1 11.2 13.0 15.2 17.4 19.6 21.4 22.5 22.9 22.8 22.3 21.6 20.7 19.6 18.3 17.0 15.6 14.3 16.3

Diciembre 21.9 8.1 15.0 11.6 10.4 9.4 8.7 8.3 8.1 8.5 9.7 11.5 13.8 16.2 18.4 20.3 21.5 21.9 21.7 21.3 20.6 19.6 18.5 17.1 15.7 14.3 12.9 15.0

ANUAL 24.0 11.0 17.5 14.3 13.2 12.3 11.6 11.2 11.0 11.4 12.5 14.3 16.4 18.7 20.8 22.5 23.6 24.0 23.9 23.5 22.8 21.9 20.8 19.6 18.2 16.9 15.5 17.5

1, 67.36%

2, 29.86%

3, 2.78%

Figura 3- Tabla que muestra las temperaturas horarias durante todo el año. Fuente: elaboración propia, datos obtenidos del observatorio de Tacubaya

La zona de confort para la ciudad de México se encuentra entre los 20.5 °C y 25.5 °C, por lo tanto las condiciones del clima de la Ciudad de México son aptas para el dispositivo hidrónico solar de calefacción ya que la mayor parte de los meses del año se tienen requerimientos de calentamiento, como se observa en la figura 3, con excepción de los meses de Marzo a Mayo donde es necesario enfriar para llegar al confort térmico.


La temperatura de confort se puede calcular con las siguientes ecuaciones:

medn TT *31.06.17

Dónde: (1)

confortdeZonaZ

anualmediaaTemperaturT

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Partiendo del análisis climático de la ciudad de México se tomaron parámetros para calcular y diseñar un dispositivo de calefacción por piso radiante. El cual debe de ser viable, técnica y económicamente. Para el cálculo de la carga de calefacción, se emplea el método de los grados-día, basado en el hecho de que la cantidad de calor necesario para mantener la temperatura interior seleccionada depende de la diferencia de temperaturas entre el ambiente interior y el exterior 2. DESARROLLO

Como primer punto se realizó el estudio térmico de un espacio localizado en la ciudad de México, en el cual se implementó un sistema de piso radiante hidrónico alimentado con un colector solar de tubos evacuados. El prototipo consta de un módulo de 1.22m de ancho x 2.44m de largo y 2.44m de altura, con paredes y techo de panel de yeso al interior y placas de durock al exterior, cuenta con aislante entre las dos placas, finalmente, el modelo se recubrio con impermeabilizante de color blanco. Fig 4.

El sistema de piso radiante se compone de un serpentín de tubos plásticos de polietileno uniformemente repartido enterrado en el suelo a 3 cm de la superficie, por los cuales circula el agua a una temperatura de 40 a 50° C. El agua cede calor al suelo y este a su vez lo transmite al ambiente del espacio, este dispositivo se alimenta por medio de un colector solar de tubos evacuados.fig 5.

Figura 4- Imagen que muestra el proceso constructivo del módulo, en él se pueden observar los materiales con los que está construido.

Figura 5- Imagen que muestra la configuración del piso radiante, materiales y los termopares con los cuales se hicieron las mediciones de las temperaturas

Este prototipo se construyo con el objetivó de monitorear el comportamiento térmico del espacio así como el análisis de la transferencia de calor que se lleva a cabo por el sistema de piso radiante. El periodo de monitoreo se subdividió en


dos: en el primer periodo de monitoreo, las mediciones fueron tomadas con el dispositivo de calefacción apagado, es decir, que el sistema estuvo sin flujo de agua caliente, esto fue durante 5 días, con el objetivo de conocerlas las temperaturas interiores del prototipo y así obtener los requerimientos de calentamiento de dicho espacio.

En la fig. 6 Se muestra el análisis de las temperaturas interiores del módulo, así como la temperatura ambiente, estas mediciones se tomaron durante el primer periodo de monitoreo, el cual se realizó durante 5 días, en este periodo se midieron las temperaturas a 3 diferentes alturas dentro del modelo, la primera maya se compone de 12 termopares a una altura de 30 cm por arriba del piso. Como se puede observar en la fig. 6 la temperatura interior se encuentra fuera de la zona de confort, lo que nos indica requerimientos de calentamiento. En la segunda maya de termopares, la cual esta a una altura de 1.60 m por arriba del psio, se observan los requerimientos de calentamiento,como se puede observar las temperaturas decienden hasta los 13°C a partir de las 5 am. En la tercer maya de termopares la cual esta a una altura de 2.20 m se observa que el comportamiento de las temperaturas es muy similar al de las mayas anteriores, es decir, estan muy por debajo de confort.

En cuanto a la temperatura ambiente observamos que esta muy pordebajo de la zona de confort desde las 8.00pm hasta las 6.00 am, con temperaturas que van de los 20°C a los 10°C. (fig. 6)

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RADIACIÓN 19 DE JUNIO

Radiación Rad > 500 W/m2

Figura 6-. Imagen que muestra el comportamiento térmico dentro del módulo en las maya de termopares a una altura de 0.30, 1.60 y 2.20cm por arriba del piso

Figura 7-. Imagen que muestra los datos de radiación solar a lo largo del día 19 de junio

3. RESULTADOS

El segundo periodo de monitoreo se realizó durante 5 días más, pero con el dispositivo de piso radiante en funcionamiento, se hicieron mediciones de las temperaturas a 3 diferentes alturas dentro del módulo, así como las mediciones de la temperatura ambiente, con el objetivos de comparar la temperatura ambiente con la temperatura interior y ver la eficiencia del dispositivo de piso radiante, también se hiso una comparación de las temperatura y de la radiación del primer periodo de monitoreo contra el segundo periodo de monitoreo.

Analizando la gráfica de radiación solar del día 29 de junio (fig. 8) observamos que es muy similar a la del día 19 de junio, ya que la radiación es alta desde las 9.00 am hasta las 5.00 pm sobrepasando los 500w/m2 y en las horas del mediodía sobrepasa los 960w/m2, es decir que existen condiciones muy similares en cuanto a radiación entre estos dos día, lo cual nos permite hacer una comparación, para analizar el desempeño del colector solar que alimentara al piso radiante.

En cuanto al análisis térmico del módulo encontramos que para el día 29 de junio el piso radiante logro elevar las temperaturas interiores y llevarlas hasta la zona de confort. Si comparamos le temperatura ambiente con las temperaturas interiores vemos que la temperatura ambiente está muy por debajo de la zona de confort con temperaturas que van desde los 20°C hasta los 11°C en las últimas horas de la madrugada. (fig. 9)

En la fig. 9 se observan las temperaturas interiores a tres diferentes alturas, 0.30 cm maya 1, 1.60 maya 2 y 2.20cm que corresponde a la maya 3, en la maya 1, vemos que las temperaturas se encuentran entre los 19°C y los 25°C. La temperatura máxima que se puede usar en el piso radiante a la altura de los pies es de 29° C si se sobrepasa esta temperatura la sensación


térmica nos produciría malestar, por lo tanto las temperaturas alcanzadas hasta los primeros 30 cm dentro del módulo se encuentran en confort. En la segunda maya de termopares que se encuentra a la altura de los ocupantes 1,60 cm (fig. 9) encontramos que las temperaturas estan entre los 25 °C y los 18.6 °C , es decir, las temperaturas estan dentro de confort solo en algunas horas las temperaturas de la maya 2 y 3 estan por debajo de los 20°C. Comparando las temperaturas interiores con la ambiente exterior vemos que el comportamiento termico dentro del modulo es muy faborable ya que se logro llegar a la zona de confort en la mayor parte de la noche. Si observamos la fig. 9 vemos que la diferencia de temperaturas entre el interior del módulo y el ambiente exterior pude llegar hasta 8°C.

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Te

mp

. °C

29 DE JUNIO C/D


Figura 8- Imagen que muestra los datos de radiación solar a lo largo del día 19 de junio

Figura 9- Imagen que muestra el comportamiento térmico dentro del módulo en las maya de termopares a una altura de 0.30, 1.60 y 2.20cm por arriba del piso

Podemos ver que el dispositivo de calefacción hidrónica solar funciona de manera eficiente ya que logro aumentar la temperatura interior llevándola hasta los rangos de confort, sin embargo, este desempeño puede llegar a verse afectado si la radiación solar disminuye, debido a que esta es la principal fuente de energía del dispositivo, generalmente uno de los principales factores el cual afectan a la radiación que incide sobre la superficie del colector solar es la nubosidad. En la fig. 10 observamos que los meses con mayor predominancia de días despejados en la ciudad de México son de enero a finales de marzo mientras que la época de nublados o cerrados se manifiesta entre junio y finales de octubre, se presentan también dos épocas de transición o medios nublados, la primera entre abril siendo el punto de inflexión a principios de mayo, la segunda época de medios nublados se presenta en noviembre y diciembre, la máxima nubosidad coincide con el mes de mayores lluvias. Se observa una ligera disminución de nublados en agosto, la cual vuelve a incrementarse en septiembre. Es evidente como la radiación desciende durante los meses de precipitación (junio a agosto), debido principalmente a la nubosidad. También es claro que la radiación desciende en la época invernal debido a la declinación solar.

Figura 10- Imagen que muestra los niveles de nubosidad a lo largo del año

Figura 11- Imagen que muestra el comportamiento de la radiación solar a lo largo del año


Sin embargo, la radiación total alta se presenta de mediados de enero hasta principios de mayo sobrepasando los 700w/m2, esto representa aproximadamente el 70% o más, de la radiación teórica total máxima posible que podría incidir sobre el plano horizontal en la latitud de la ciudad de México para cada uno de los meses del año.

Debido a este factor el desempeño del dispositivo de calefacción baja su rendimiento y por tanto la tasa de transferencia de calor al espacio interior disminuye considerablemente, en la fig. 12 observamos el desempeño del dispositivo de calefacción solar en un día nublado

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1 DE JULIO C/D


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Rad

(W

/m2

)

RADIACIÓN 1 DE JULIO

Radiación Rad >500 W/m2

Figura 12- Imagen que muestra el comportamiento térmico dentro del módulo a diferentes alturas de 0.30, 1.60 y 2.20 cm

Figura 13-. Radiación solar en un día con nubosidad media, se puede apreciar la disminución de w/m2 en comparación con un día despejado

Como podemos ver en las fig. 12 el desempeño del piso radiante hidrónico solar bajo su rendimiento en cuanto a transferencia de calor, esto es debido principalmente a la disminución de la radiación solar que incide en el colector solar que es la principal fuente de energía del sistema de calefacción, sin embargo, podemos observar que el aporte de calor del piso radiante sigue siendo bastante considerable ya que las temperatura interior alcanza la zona de confort entre las 8:00pm y las 12:00am, a partir de esta hora las temperatura interior desciende hasta los 18°C, pero si comparamos la temperatura interior en este punto contra la temperatura exterior vemos que hay una diferencia de hasta 5°C Una vez realizado el análisis térmico de las condiciones climáticas de la ciudad de México así como el comportamiento térmico dentro del modulo experimental en el cual se realizo el análisis térmico mediante las mediciones interiores de la temperatura podemos proseguir con el cálculo del aporte de calor que el piso radiante sede al espacio, Para cálculo del aporte de calor es necesario contar con los datos de temperatura de del piso y la temperatura del agua dentro del serpentín de polietileno, la cual fue obtenida por las mediciones en el sitio. En primer lugar se establece un día de cálculo, en este caso será el 29 de junio, y a partir de un primer registro de temperatura tomado en sitio, se comienza el cálculo. Para este fin, se requiere conocer los materiales constructivos de los que está compuesto el sistema de piso radiante y sus propiedades físicas. La ecuación que nos ayudara a determinar cuál es el aporte de calor que proporciona el serpentín del piso radiante es la siguiente:

Donde: (2)

q° = Flujo de calor radial en tubos de polietileno reticulado

K= coeficiente de transferencia de calor del tubo de polietileno

L= longitud en metros del tubo de polietileno


r0= radio exterior hasta la pared exterior del tubo

ri= radio interior del tubo

t0= temperatura de la superficie del piso

ti= temperatura del fluido al interior del tubo

Con ayuda de la ecuación (2) se determino el flujo de calor radial que el piso radiante sede al espacio interior del modulo, conociendo estas variables se realizo el caculo para el segundo periodo de monitoreo que se llevo a cabo durante 5 días.

En la fig. 14 se muestra la grafica del día 29 de junio en ella se observa el flujo de calor que aporta el piso radiante al espacio.

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TASA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL PISO RADIANTE 29/06/10

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WA

TTS

HORAS



Figura 14- Tasa de transferencia de calor en watts a partir de las 8:00pm a 10:00 am del siguiente día, en este día la radiación solar supero los 600 w

Figura 15- Tasa de transferencia de calor en watts a partir de las 8:00pm a 10:00am del siguiente día, en este día la radiación fue menor a los 500 w

4. CONCLUSIONES

Se encontró que la temperatura del espacio interior de las 6.00 pm a las 9.00 am está en un rango de 18°C a 25°C a la altura de los ocupantes, la cual es una temperatura óptima para el confort, la temperatura del piso no excede los 29° y la temperatura por arriba de los ocupantes se encuentra entre 20°C y 25°C de las 6.00 pm a las 6.00 am. Podemos concluir que el dispositivo de calefacción hidrónica solar funciono de manera eficiente ya que logro aumentar la temperatura interior llevándola hasta los rangos de confort, sin embargo, el periodo en el cual se realizaron las pruebas es el de menor requerimientos de calentamiento y el de mayor radiación solar según los datos del observatorio de Tacubaya. Estos resultados obtenidos servirán para hacer una simulación térmica del espacio por medio de un software, en el cual se analizara el mes más crítico en cuanto a requerimientos de calentamiento, en el caso de la Ciudad de México, es el mes de Enero, donde la temperatura mínima es de 7.4°C y la máxima es de 21.4, es decir, la temperatura máxima apenas alcanza la zona de confort durante 4 horas del día.

En cuanto al colector solar podemos concluir que se adaptó exitosamente al piso radiante, debido a que la energía acumulada en el piso durante las horas de mayor radiación es entregada al ambiente interior cuando la temperatura exterior es más baja y la necesidad de calefacción es mayor. 6. REFERENCIAS

Chávez, j. R. (2000). Arquitectura y medio ambiente en la ciudad de México. México: Universidad Autónoma Metropolitana. Freixanet, V. A. (2004). Clima y Arquitectura. México D.F.: Universidad Autónoma Metropolitana.

Secretaría de Energía. (2008). Balance Nacional de Energía 2008. SMN (2007), Normales Climatológicas. CNA, México Vivienda, C. N. (2008). Programa Nacional de Vivienda 2007-2012: Hacia un desarrollo habitacional sustentable. México, D.F.: Conavi.

ANALISIS DE LAS TEMPERATURAS EN LA CIUDAD DE

MEXICO

Las condiciones de comodidad o confort térmicodependen de las variables del medio ambiente, como latemperatura, humedad, velocidad del aire y radiaciónincidente.

La ciudad de México presenta un clima templado. “Elverano es fresco, lluvioso y prolongado, mientras que elinvierno es seco con lluvias escasas; se presenta pocaoscilación anual, el clima es de tipo Ganges.” (Freixanet2000)

En cuanto a su agrupación bioclimática, se considerasemifrío, ya que la temperatura media del mes máscaluroso es menor a 21°C y su precipitación pluvial anualse encuentra entre 650 y 1000 mm.

En la gráfica de días grado*, podemos determinar

cuándo se requiere calentamiento y cuándo enfriamiento

a lo largo del año.

-200.0-180.0-160.0-140.0-120.0-100.0-80.0-60.0-40.0-20.0

0.020.0

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

dg

meses

Días Grado

DG-EnfriamientoDG-Calentamiento

Gráfica que muestra los días grado de la ciudad de México

durante todo el año. Fuente: elaboración propia, datos obtenidos

del observatorio de Tacubaya

*medida del punto hasta el cual la temperatura media diaria cae abajode una temperatura base.

La zona de confort para la ciudad de México se encuentra

entre los 20.5°C y 25.5°C, por lo tanto las condiciones del

clima en la ciudad son aptas para el dispositivo hidrónico

solar de calefacción, ya que la mayor parte de los meses del

año se tienen requerimientos de calentamiento,

-5.00.05.0

10.015.020.025.030.035.040.045.0

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

°C

meses

Temperatura

Máxima Máx. Extrema Media Min. Extrema

ZCs ZCi Mínima

Gráfica que muestra la temperatura de la ciudad de México durante todo

el año. Fuente: elaboración propia, datos obtenidos del observatorio de

Tacubaya

Se tienen condiciones de

confort el 29.86% del

tiempo

2. DESARROLLO

Partiendo del análisis climático de la ciudad de México se

tomaron parámetros para calcular y diseñar un dispositivo

de calefacción por piso radiante, el cual debe de ser

viable, técnica y económicamente.

El prototipo consta de un módulo de 1.22 m de ancho x

2.44 m de largo y 2.44 m de altura, con paredes y techo

de panel de yeso al interior y placas de durock al

exterior, cuenta con aislante entre las dos

placas, finalmente, el modelo se recubrió con

impermeabilizante de color blanco.

MODULO EXPERIMENTAL

Imagen que muestra el proceso

constructivo del módulo, en él se pueden

observar los materiales con los que está

construido.

Imagen que muestra el arreglo del

piso radiante, materiales y los

termopares con los cuales se

hicieron las mediciones de las

temperaturas.

MONITOREO DE TEMPERATURAS, ANÁLISIS

Este prototipo se construyó con el objetivo de monitorear el

comportamiento térmico nocturno del espacio, así como

analizar la transferencia de calor que se lleva a cabo desde

el piso radiante.

El periodo de monitoreo se subdividió en dos: en el primer

periodo de monitoreo, las mediciones fueron tomadas con el

dispositivo de calefacción apagado, es decir, que el sistema

estuvo sin flujo de agua caliente, esto fue durante 5 días, con

el objetivo de conocer las temperaturas interiores del

prototipo y así obtener los requerimientos de calentamiento

de dicho espacio.

MONITOREO DE TEMPERATURAS

En el primer periodo de monitoreo se midieron las temperaturas

a 3 diferentes alturas dentro del módulo, a 30 cm, 1.60 m, y a

2.20 m del piso. Se observa que las temperaturas están muy

por debajo de confort.

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Ra

d (

W/

m2

)



Imagen que muestra los datos de

radiación solar a lo largo del día 19 de

junio.

Comportamiento térmico dentro del módulo

a una altura de 0.30, 1.60 y 2.20 m por

arriba del piso.

RESULTADOS

El segundo periodo de monitoreo se realizó durante 5 días

más, pero con el dispositivo de piso radiante en

funcionamiento, se hicieron mediciones de las temperaturas

a 3 diferentes alturas dentro del módulo, así como las

mediciones de la temperatura ambiente.

Se hizo una comparación de las temperaturas y de la

radiación del primer periodo de monitoreo contra el

segundo periodo.

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Ra

d (

W/

m2

)



Observamos que la radiación del día 29 de junio es muy

similar a la del día 19 de junio, ya que sobrepasa los 500

W/m2 y en las horas del mediodía alcanza los 960 W/m2, es

decir que existen condiciones muy similares en cuanto a

radiación entre estos dos días.

Podemos ver que el dispositivo de calefacción hidrónica

solar funciona de manera eficiente ya que logró aumentar

la temperatura interior llevándola hasta los rangos de

confort.

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1:0

6:5

5 a

.m.

1:3

6:5

5 a

.m.

2:0

6:5

5 a

.m.

2:3

6:5

5 a

.m.

3:0

6:5

5 a

.m.

3:3

6:5

5 a

.m.

4:0

6:5

5 a

.m.

4:3

6:5

5 a

.m.

5:0

6:5

5 a

.m.

5:3

6:5

5 a

.m.

6:0

6:5

5 a

.m.

6:3

6:5

5 a

.m.

7:0

6:5

5 a

.m.

7:3

6:5

5 a

.m.

8:0

6:5

5 a

.m.

8:3

6:5

5 a

.m.

9:0

6:5

5 a

.m.

9:3

6:5

5 a

.m.

Tem

p. °

C

29 DE JUNIO C/D


Muestra el comportamiento térmico dentro del módulo en las mallas de

termopares a una altura de 0.30, 1.60 y 2.20 m por arriba del piso

El dispositivo de calefacción hidrónica solar funciona de manera

eficiente, sin embargo, este desempeño puede llegar a verse

afectado si la radiación solar disminuye.

Uno de los principales factores el cual afecta a la radiación que

incide sobre la superficie del captador solar es la nubosidad.

Una vez realizado el análisis térmico de las condicionesclimáticas de la ciudad de México así como elcomportamiento térmico dentro del módulo experimental,podemos proseguir con el cálculo del aporte de calor que elpiso radiante cede al espacio.

Para cálculo del aporte de calor es necesario contar con losdatos de temperatura del piso y la temperatura del aguadentro del serpentín de polietileno.

En primer lugar se establece un día de cálculo, en este casoserá el 29 de junio, y a partir de un primer registro detemperatura tomado en sitio, se comienza el cálculo. Paraeste fin, se requiere conocer los materiales constructivos delos que está compuesto el sistema de piso radiante y suspropiedades físicas.

La ecuación que nos ayudará a determinar cuál es el aportede calor que proporciona el serpentín del piso radiante esla siguiente:

Donde:

q° = Flujo de calor radial en tubos de polietileno reticulado

K= conductividad térmica del tubo de polietileno

L= longitud en metros del tubo de polietileno

r0= radio exterior del tubo

ri= radio interior del tubo

t0= temperatura de la superficie del piso

ti= temperatura del fluido en el interior del tubo

TASA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL PISO RADIANTE

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

8:06

:55

p.m

.

8:46

:55

p.m

.

9:26

:55

p.m

.

10:0

6:55

p.m

.

10:4

6:55

p.m

.

11:2

6:55

p.m

.

12:0

6:55

a.m

.

12:4

6:55

a.m

.

1:26

:55

a.m

.

2:06

:55

a.m

.

2:46

:55

a.m

.

3:26

:55

a.m

.

4:06

:55

a.m

.

4:46

:55

a.m

.

5:26

:55

a.m

.

6:06

:55

a.m

.

6:46

:55

a.m

.

7:26

:55

a.m

.

8:06

:55

a.m

.

8:46

:55

a.m

.

9:26

:55

a.m

.

10:0

6:55

a.m

.

WA

TTS

HORAS



Tasa de transferencia de calor en watts a partir de las 8:00pm

a 10:00 am del siguiente día, en este día la radiación solar

superó los 600 W

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

8:06

:55

p.m

.

8:36

:55

p.m

.

9:06

:55

p.m

.

9:36

:55

p.m

.

10:0

6:55

p.m

.

10:3

6:55

p.m

.

11:0

6:55

p.m

.

11:3

6:55

p.m

.

12:0

6:55

a.m

.

12:3

6:55

a.m

.

1:06

:55

a.m

.

1:36

:55

a.m

.

2:06

:55

a.m

.

2:36

:55

a.m

.

3:06

:55

a.m

.

3:36

:55

a.m

.

4:06

:55

a.m

.

4:36

:55

a.m

.

5:06

:55

a.m

.

5:36

:55

a.m

.

6:06

:55

a.m

.

6:36

:55

a.m

.

7:06

:55

a.m

.

7:36

:55

a.m

.

8:06

:55

a.m

.

8:36

:55

a.m

.

9:06

:55

a.m

.

9:36

:55

a.m

.

WA

TTS

HORAS



Tasa de transferencia de calor en watts a partir de las 8:00pm a 10:00am

del siguiente día, en este día la radiación fue menor a los 500 W debido

a la nubosidad.

En este caso el aporte de calor del piso radiante fue menor al

del día 29/06/2010, ya que la radiación solar captada por

el colector solar de tubos evacuados fue menor en este

día, afectando así el desempeño del piso radiante

RESULTADOS

Se encontró que la temperatura del espacio interior de las

6.00 pm a las 9.00 am está en un rango de 18°C a 25°C a

la altura de los ocupantes, la cual es una temperatura

óptima para el confort, la temperatura del piso no excede

los 29°C y la temperatura por arriba de los ocupantes se

encuentra entre 20°C y 25°C de las 6.00 pm a las 6.00 am.

Cabe señalar que la eficiencia del dispositivo depende en

gran medida de la radiación solar incidente que capta el

colector solar, ya que es nuestra principal fuente de energía

CONCLUSIONES

Podemos concluir que el dispositivo de calefacción hidrónica

solar funcionó de manera eficiente ya que logró aumentar la

temperatura interior en las hora de mayor requerimientos de

calentamiento, llevándola hasta los rangos de confort,

sin embargo, el periodo en el cual se realizaron las pruebas es

el de menor requerimiento de calentamiento y el de mayor

radiación solar según los datos del observatorio de Tacubaya.

Estos resultados obtenidos servirán para hacer una simulación

térmica del espacio por medio de un software, en el cual se

analizará el mes más crítico en cuanto a requerimientos de

calentamiento, que en el caso de la ciudad de México es el

mes de enero.

GRACIAS

estudio de la transferencia de calor de un piso … · estudio de la transferencia de calor de un...

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