3er CONCURSO REGIONAL DE PROYECTOS DE CIENCIAS MUSEO DE LAS CIENCIAS DE CASTILLA-LA MANCHA

Informe-resumen DATOS Proyecto: Viviendas Bioclimáticas. Una Ayuda a Nuestro Planeta Tutor/a: Pilar Mediano Serrano Centro: I.E.S.O. Vía Heraclea Curso: 4º E.S.O. y 1º Bachillerato Localidad y Provincia: Balazote, (Albacete)

Fotografía del equipo

Índice. 1. Abstract.

2. Introducción.

3. Metodología.

4. Resultados y Discusión de Resultados.

5. Conclusión.

6. Bibliografía.

7. Apendices.

8. Datos del coordinador.

1.Resumen Nuestro proyecto consiste en el estudio de una vivienda bioclimática en la que introduciremos algunas novedades: o La primera consiste en dirigir la energía solar hacia la fachada norte de la vivienda, para poder aprovechar al máximo dicha energía. La idea era muy sencilla, construir un gran reflector solar (espejo) con el que pudiéramos dirigir los rayos solares hasta cualquier habitación. o En segundo lugar introduciremos un sistema que aprovecha la captación solar en la estructura del edificio y su acumulación en el subsuelo. o Y en tercer lugar proporcionaremos la energía eléctrica a la vivienda mediante energías renovables. Para nuestra vivienda proponemos un suministro de electricidad por medio de placas solares fotovoltaicas. Para almacenar toda esta energía proponemos obtener hidrógeno, mediante en electrolizador, y posteriormente mediante una pila de hidrógeno transformarlo otra vez en energía eléctrica. ENGLISH. Our Project consist on the Study of a bio-climatic house in which we will introduce some new features: o First it consists of directing the solar energy towards the North facade of the house, to be able to take advantage of this energy to the maximum. The idea was very simple, to construct to a great solar reflector (mirror) with which we could direct solar rays until any room. o Secondly we will introduce a system that takes advantage of the solar pick up in the structure the building and its accumulation in the subsoil. o And thirdly we will provide the electrical energy to the house by means of renewable energies. For our house we propose a provision of electricity by means of photovoltaic solar panels. In order to store all this energy we propose to obtain hydrogen, by means of in electrolyzer, and later by means of a hydrogen battery to transform it again into electrical energy

2.Introducción. Problema En la actualidad existe un gran derroche energético que debemos frenar, en los últimos años el consumo de energía se ha disparado considerablemente en los hogares. Las viviendas deben aprovechan al máximo la energía que reciben del sol.

Hipótesis La energía solar Irradiación en la Península Ibérica.

Necesidades de energía residencial • Media en una vivienda en España: 100 kWh /m2 año (IDAE) • Luego el sol nos proporciona 17 veces más de lo que necesitamos (en una planta) • Con una tecnología adecuada de captura, transformación y almacenamiento la radiación recibida en la cubierta de nuestra vivienda podría satisfacer nuestro consumo residencial, de transporte y ….exportar a la industria.

Propósito El propósito fundamental que sustenta el espíritu de nuestro proyecto es optimizar el aprovechamiento energético de la energía solar directamente en una vivienda. Para ello nos fijamos los siguientes objetivos: 1. Estudiar la importancia de la arquitectura bioclimática. Para ello comprobaremos el comportamiento térmico de una vivienda realizada hace unos 50 años y lo compararemos con una vivienda moderna. En cuanto a la orientación queremos comprobar cuantos grados de diferencia se pueden obtener entre una estancia orientada al norte y otra orientada al sur, con el mismo tamaño, calefacción y ventanas. 2. Con un sistema de espejos, proyectar los rayos del sol hacia la fachada norte de la vivienda, para conseguir un ahorro energético en invierno y además aprovechar al máximo la luz solar. Estudiar como afecta al ahorro energético de una vivienda, la colocación de espejos de forma adecuada. 3. Estudio y diseño de un sistema de aprovechamiento energético del subsuelo de la vivienda. 4. Proponer que la energía eléctrica de las vivienda sea renovable: nuestra propuesta es la colocación de paneles solares apoyados con pilas de hidrógeno. Mientras el sol incide sobre las placas se genera electricidad, el exceso de energía que no se consume cuando hace sol, se utiliza para producir hidrógeno, que se va almacenando. Cuando ya no hay sol la placa fotovoltaica no produce electricidad, entonces se puede utilizar una pila de hidrógeno para obtener electricidad.

3. Metodología. Nuestro procedimiento lo hemos realizado en dos fases: ¾ Parte teórica. En esta parte hemos realizado diversas búsquedas de información en revistas, Internet, investigaciones, etc. Entre estas destacan: o Información sobre viviendas bioclimáticas y materiales de construcción ecológicos. o Información sobre como poder captar la energía del sol y acumular dicha energía en el subsuelo. o Datos de Irradiación solar. o Experimentación y manejo de una pila de hidrógeno. o Trabajo de investigación en el Instituto de Automática Industrial del CSIC, sobre transmisiones de calor, pilas de hidrógeno, y construcción de seguidores solares.

¾ Parte práctica. Con toda la información necesaria, nos dispusimos a comenzar con la parte práctica de nuestro proyecto.

1. ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA. En primer lugar, lo que hicimos fue tomar temperaturas en distintas aulas y viviendas, para mas adelante comparar datos. Se colocaron dos termómetros en dos aulas idénticas, una orientada al sur y otra orientada al norte para realizar mediciones de temperatura semanalmente. Se colocaron dos termómetros en dos viviendas, una muy antigua y otra construida recientemente, para comprobar el comportamiento de los distintos tipos de viviendas. Se realizaban mediciones semanalmente. Teniendo en cuenta los principios arquitectónicos básicos de ahorro energético se procedió a realizar el diseño de una vivienda. Los planos se realizaron en CAD. Posteriormente, importamos estos archivos a un programa de diseño en 3D, con el que hemos obtenido los planos de nuestra vivienda. Conforme hemos ido avanzando en nuestro proyecto hemos ido variando nuestro diseño. 2. SISTEMA DE ESPEJOS. Viendo los resultados obtenidos según la orientación de las estancias, se nos ocurrió la idea de crear un espejo de grandes dimensiones, con el fin de reflejar los rayos solares a una habitación, con el fin de averiguar si en ésta , se obtenían temperaturas distintas que otra igual sin espejo. La realización de este espejo consistió en: -La unión de dos grandes tablones de conglomerado (2x1.7 m. cada uno). -A continuación se agregó a ellos un POLIETILENO GRIS PLATA -Una vez con el espejo ya montado, se le colocaron una serie de patas en la parte trasera. Éste se colocó en el exterior de una vivienda para que reflejara la luz en una de las habitaciones. Se colocaron dos termómetros uno en la estancia donde reflejaba nuestro espejo el sol y otro en otra estancia también orientada al norte pero sin reflejo alguno. Semanalmente, leíamos los termómetros. Más tarde, aprovechando nuestra estancia en el IAI-CSIC, en Madrid, tuvimos la oportunidad de construir un seguidor solar. Nos dispusimos a la construcción de este seguidor solar con la ayuda del personal de este centro. Consistía principalmente en una estructura, hecha con madera, tubos, alambre, unos flejes y unos cilindros. Mediante un programa informático, permitiría al mecanismo ir moviéndose conforme la luz del sol cambia de posición. Era lo que andábamos buscando. Y finalmente colocamos un espejo, reflejando la luz solar hacia una pared, y con una cámara termográfica, observar el aumento de la temperatura en la pared, conforme iba pasando el tiempo. 3. CAPTACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA SOLAR Y SU ACUMULACIÓN EN EL SUBSUELO DE LA VIVIENDA. Estudiamos un proyecto de investigación sobre el tema y procedimos a incluir este sistema para nuestra vivienda.

4. Resultados y discusión de resultados. 1. ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA. Aquí podemos observar las temperaturas obtenidas en ambas viviendas:

26 25

17 15

17

15 14

16

14

16

15

13 10

Vieja

25

15

15

14

13

9

10

9

14

13

12 10

9

10

9

9

9

Nueva

Vieja

Nueva

Las condiciones de una vivienda y otra eran similares en cuanto a orientación y ninguna de las dos tenían calefacción. Las mediciones se realizaban semanalmente. Como podemos observar en el grafico, el resultado que hemos obtenido es que en la casa vieja y con los materiales correspondientes esa época, paredes de adobe, y techos de paja y madera, son menos aislantes que los que se pueden aplicar ahora en las viviendas.

En este gráfico podemos observar la diferencia de temperaturas en las aulas idénticas, una orientada al norte y otra orientada al sur:

25

23

21

19

19

16

Nor te

16

19

19

18

23

22

22

18

18

18

18

18

Sur

22

17

21

19

17

16

16

Sur N orte

22

18

15

15

18

Hemos llegado a la conclusión que en la zona norte siempre hace más frío. El sol que recibimos en nuestra región, la mayoría de los días es suficiente para subir la temperatura de una estancia bien orientada de entre 4ºC a 6ºC. Por esta razón debemos aprovechar al máximo nuestra fuente de energía renovable más potente Teniedo en cuenta los criterios básicos de arquitectura bioclimática, el diseño de nuestra vivienda es el siguiente: FACHADA SUR

OTRAS VISTAS

En la parte norte tiene ventanas pequeñas para evitar en invierno el viento frío del Norte. En la parte sur un gran ventanal aprovechando mas las horas de luz solar del día dotada de un voladizo que puede ser de obra o con algún entramado con alguna planta de hoja caduca para que en invierno deje pasar la luz y en verano tape la fachada del sol para evitar el calor.. En la parte posterior hemos ubicado un gran espejo que refleje el sol a la fachada norte 2. SISTEMA DE ESPEJOS. Este gráfico nos muestra las temperaturas con y sin espejo:

Sin espejo

10

10

10

9

8

9

10

9

8

10

Con espejo

Sin espejo

Con espejo

Como podemos observar en el grafico en la habitación en la que colocamos el espejo se observa un aumento de las temperaturas este no es muy grande pero varía de entre 1ºC a 4ºC. Pero se trata de un sistema sencillo, barato y que unido a los principios de diseño de arquitectura bioclimática, podría ahorra energía en nuestras viviendas.

También pudimos observar que en la habitación del espejo había una luz acogedora que creaba un calido ambiente digno de placer y confort. Mientras que en la habitación sin espejo era una luz fría y tenue. Resultados de las mediciones llevadas a cabo en el IAI-CSIC, Madrid, de aumento de la temperatura de la fachada con un sistema de espejos. HORA

Tª AMBIENTE

Tª SUPERFICIE

12:00

17

17

12:15

17

17,3

12:26

18

22,1

13:00

21

26,9

FOTO TÉRMICA

13:30

22

28,7

14:34

22

33,6

Podemos observar, que conforme va pasando el tiempo, la pared se muestra más caliente El color rojizo y blanco, simbolizan altas temperaturas. La temperatura de la fachada aumentó de 17ºC a 33,6ºC, en tan solo 2h y 30 minutos, este aumento es muy significativo. Creemos que si el sistema estuviera durante todo un día sería suficiente para calefactar las estancias más frías de una vivienda. Ahorrando considerablemente en calefacción. 3. CAPTACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA SOLAR Y SU ACUMULACIÓN EN EL SUBSUELO DE LA VIVIENDA. La propuesta consiste básicamente en la integración de la gestión de energía dentro de los elementos constructivos capaces de captar la energía solar en la cubierta, almacenarla en el subsuelo, dosificando su incorporación al interior de la vivienda para maximizar el confort con el menor consumo de energía. Tal y como se ha mencionado, la novedad de la propuesta se resume en: 1. Realización de elementos constructivos modulares con el sistema de gestión de energía integrado. 2. Captación solar térmica en la cubierta del edificio. 3. Acumulación en el subsuelo, en distintas zonas. 4. Control de la cesión de calor entre el subsuelo y el edificio según las necesidades.

La figura adjunta muestra el esquema de construcción propuesto en las viviendas a realizar.

Captación solar térmica

Tuberías de absorción solar en la cubierta

Tuberías de absorción solar en la cubierta

retorn o avance Barrera térmica

Barrera térmica

ACS Calentador de agua

termostatos distribuidor colector

Circuito Refrigerante +7 a +14º C

Acumulador periférico 15 a 24ºC

Acumulador central 25 a 34ºC

Acumulador >35º ACS Acumulador central 25a34ºC

Acumulador periférico 15 a 24ºC

Circuito Refrigerante +7 a +14º C

Ganancia geotérmica Estructura del panel mural con barrera térmica

Para nuestra vivienda estableceremos estas tres zonas que se pueden ver en el dibujo adjunto. Por supuesto estas zonas deben ir aisladas convenientemente. La zona roja sería de más de 35ºC. La gris de entre 15ºC y 35ºC La zona azul sería el circuito refrigerante de entre 7 a 14ºC

5. Conclusiones Las conclusiones que hemos obtenido son las siguientes: •

Es de suma importancia, construir viviendas con una arquitectura de elevada eficiencia energética. Para ello se debe concienciar a arquitectos y ciudadanos de que el posible aumento del coste inicial de la vivienda se amortiza rápidamente con los que se ahorra en calefacción y luz.

•

En la mayor parte de España tenemos el privilegio de disfrutar del sol casi todo el año. En Castilla-La Mancha, el sol nos proporciona 17 veces más energía por m² que la necesaria para una vivienda. Debemos aprovecharla al máximo, in situ. De esta forma evitamos pérdidas de transporte, perdidas de máquinas, etc.

•

Al dotar a la fachada norte del reflejo del sol mediante un helióstato, conseguimos llevar los beneficios de los rayos del sol a todas las estancias, sólo cuando nos interese.

•

El subsuelo mantiene las temperaturas de una forma sombrosa, ¿por qué no aprovechar estas cualidades para climatizar la vivienda?.

•

Las energías renovables son muy utiles mientras la fuente de energía está activa, pero no sirven cuando cesan estas fuentes de energía. Sin embargo cuando están apoyadas con la producción de hidrógeno, aumentan su rendimiento.

Y la conclusión más importante de nuestro trabajo, que además es la base del mismo es que LA MEJOR ENERGÍA ES LA QUE NO SE CONSUME

6. Bibliografía. Webgrafía. http://www.selasolar.com/solarhaus_es.htm http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/urbano/2006/06/16/152960.php

http://www.buscalogratis.com/ecologia_energia_solar.htm http://convit.blogspot.com/2005/11/viviendas-segn-el-clima.html http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_t%C3%A9rmica http://www.esak.es/ http://www.miliarium.com/Paginas/Normas/pfdc.htm http://civil.udg.edu/normacivil/estatal/contract/loedif.htm http://www.mviv.es/es/index.php?option=com_content&task=view&id=396&Itemid=33 http://www.mviv.es/es/. Documentación y presentaciones de nuestro Investigador tutor en el Instituto de Automática Industrial del CSIC. Domingo Guinea.

7. Apendices -Casa antigua donde hemos realizados mediciones de temperaturas.

-Construcción del espejo.

-El espejo colocado en la zona norte de la vivienda.

-Reflejo del espejo en la ventana.

-Habitación sin espejo.

PLANOS CASA EN TRES DIMENSIONES PLANTA BAJA

–Habitación con espejo

PLANTA PRIMERA

VISTAS EXTERIORES