UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

“PROYECTO DE AHORRO DE ENERGÍA EMPLEANDO PELÍCULAS DE CONTROL SOLAR EN EL EDIFICIO DE LA DIVISIÓN DE DISTRIBUCIÓN ORIENTE DE CFE”

MONOGRAFÍA

Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA

PRESENTA: RAMÍREZ ROJAS EDGAR

XALAPA, VER.

FEBRERO 2011

ÍNDICE ÍNDICE…………………………………………………………………………………….. i INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………… 1 CAPITULO I

CONCEPTOS BÁSICOS

1.1

SISTEMA TERMODINÁMICO………………………………………………….. 4

1.2

TEMPERATURA………………………………………………………………… 6 1.2.1 ESCALAS DE TEMPERATURA Y CONVERSIONES………………. 7 1.2.2 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA…….…….. 12

1.3

CALOR…………………………………………………………………………... 15

1.4

TRANSFERENCIA DE CALOR……………………..……………….……….. 16 1.4.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN………….….. 18 1.4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN...………….… 20 1.4.3 TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN…..……………... 21 1.4.3.1

1.5

RADIACIÓN SOLAR...…………………………….……. 22

AIRE ACONDICIONADO………………………………………………….…… 25

CAPITULO II

AISLANTES TÉRMICOS

2.1

PANORAMA DEL AHORRO DE ENERGÍA EN EDIFICIOS………….…… 32

2.2

AISLAMIENTO TÉRMICO….………………………………….…….……..…. 33

2.3

EL VIDRIO INDISPENSABLE EN LA CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS.. 35

2.4

VIDRIO TINTADO……………………………………………..……………….. 41

2.5

DOBLE ACRISTALAMIENTO……….….…………………………….………. 43

2.6

PELÍCULAS DE CONTROL SOLAR………………...……………………..… 47

2.7

MATERIAL PROPUESTO DEL PROYECTO…………...………………..…. 48

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CAPITULO III

BALANCE TÉRMICO

3.1

DATOS DEL MUNICIPIO DONDE SE UBICA EL PROYECTO………..…. 57

3.2

DESCRIPCIÓN DEL LUGAR OBJETIVO DEL PROYECTO….…..………. 61

3.3

ANTECEDENTES DEL CONSUMO DE ENERGÍA……..…………..……… 64

3.4

SUPERFICIE TOTAL PARA EL ANÁLISIS DE RADIACIÓN SOLAR…..... 68 3.4.1 RADIACIÓN SOLAR PROMEDIO EN LA CIUDAD DE XALAPA..... 69

3.5

PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ESTUDIO…………………..….…70 3.5.1 ESTUDIO EN CONDICIONES NORMALES DEL EDIFICIO…….... 72 3.5.2 ESTUDIO CON LA PELÍCULA DE CONTROL SOLAR……………. 83 3.5.3 AHORRO…….…….…………………………………………………….. 85 3.5.3.1

COSTO DE LA PELÍCULA HÜPER OPTIK…...….….. 86

3.5.3.2

COSTOS POR REFRIGERACIÓN…………….…..… 87

3.5.3.3

AHORRO ECONÓMICO…….……………………….... 89

CAPITULO IV

COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

4.1

ESTUDIO ECONÓMICO…….…………………………..…………………..… 92

4.2

MÉTODO DEL VALOR PRESENTE NETO…………………….………..….. 93 4.2.1 APLICACIÓN AL PROYECTO DEL VPN…………………..……..…. 94

4.3

MÉTODO DE LA TASA INTERNA DE RETORNO (TIR)…………….…..… 96 4.3.1 APLICACIÓN AL PROYECTO DE LA TIR………………………..…. 97

4.4

TIEMPO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN……………………..… 98

CONCLUSIÓN……………………………………………………………………….... 100

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………….. 101

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INTRODUCCIÓN Consumir energía es sinónimo de actividad, de transformación y de progreso, siempre que ese consumo esté ajustado a nuestras necesidades y trate de aprovechar al máximo las posibilidades contenidas en la energía. El ahorrar energía no es sólo ayudar a mejorar y proteger el medio ambiente sino que también ahorrando energía ayudamos a mejorar nuestra economía. Ahorrar energía es el camino más eficaz para reducir las emisiones contaminantes de gases de efecto invernadero (dióxido de carbono CO2, metano CH4, etc.) a la atmósfera, y por tanto detener el calentamiento global del planeta y el cambio climático. El presente trabajo ofrecerá una propuesta que permitirá conocer una de las tantas opciones que hay para tratar de disminuir un problema de gran envergadura existente a nivel mundial. Se trata del despilfarro eléctrico. La energía eléctrica, un recurso muy necesario en esta época, pero del que poco se le presta atención, está sufriendo una especie de desabastecimiento, a causa de la demanda exagerada y gran parte de esa demanda corresponde a usos completamente innecesarios. Todo esto ha conducido a una total indiferencia hacia un conveniente ahorro de la energía, con la conciencia de que pareciera un recurso de cantidades infinitas, y siempre disponible. A continuación se presenta un proyecto de ahorro de energía, el cual tiene como propósito fundamental disminuir el consumo de energía eléctrica que se emplea en los equipos de refrigeración, ya que son utilizados en demasía para reducir los niveles de temperatura en el interior de las oficinas. Debido a que la fachada principal del edificio de estudio esta construida a base de vidrio, el interior de las oficinas presenta en ocasiones temperaturas que están fuera del confort deseado, y esto es gracias a la radiación solar que logra atravesar, en gran proporción, al vidrio instalado y es capaz de calentar los objetos, los cuales a su vez emanan radiación infrarroja por el hecho de estar calientes, logrando estos en conjunto un ambiente caluroso al interior de las oficinas. Es por lo que se propone la implementación de un aislamiento térmico que logre disminuir los efectos de la radiación solar y como consecuencia reducir los consumos de energía eléctrica y a su vez de disminuir los costos por el uso de la misma. Página | 1

El trabajo cuenta con cuatro capítulos que abordan las siguientes temáticas: En el capitulo I se presentan algunos conceptos básicos de la termodinámica, que darán las bases para una mejor entendimiento de los siguientes capítulos. En el capitulo 2 se muestran los diferentes tipos de aislamientos térmicos empleados en los vidrios, así como las propiedades de cada uno de ellos. También se indica el material que se propone para instalar en la fachada del edificio, esto basado en ciertos criterios. En el capitulo 3 se desarrolla el balance térmico del edificio, en este capítulo se dan a conocer todos los cálculos realizados en base a las propiedades del material propuesto, así como también los resultados obtenidos de los mismos. En el capitulo 4 se hace un análisis de costo-beneficio, se utilizan los métodos del Valor Presente Neto y la Tasa Interna de Retorno al que el método de recuperación de la inversión para poder determinar la viabilidad del proyecto realizado.

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

1.1

SISTEMA TERMODINÁMICO

El desarrollo y aplicaciones de la termodinámica dependen en gran medida, de los conceptos de: sistema termodinámico, alrededores, equilibrio y temperatura. 



Sistema termodinámico. Un sistema termodinámico está constituido por cierta cantidad de materia o radiación en una región del espacio que nosotros consideramos para su estudio. Al hablar de cierta región del espacio, surge de manera natural el concepto de frontera, esto es, la región que separa al sistema del resto del universo físico. Esta frontera, en la mayoría de los casos, está constituida por las paredes del recipiente que contiene al sistema (fluidos, radiación electromagnética), o bien, su superficie exterior (trozo de metal, gota de agua, membrana superficial). Sin embargo, puede darse el caso de que la frontera del sistema sea una superficie abstracta, representada por alguna condición matemática como en el caso de una porción de masa de un fluido en reposo o en movimiento. Es importante señalar que el sistema termodinámico y sus fronteras están determinados por el observador. De hecho el observador determina el sistema a estudiar a través de las restricciones que impone cuando lo elige para su estudio. Estas restricciones pueden ser de naturaleza geométrica, mecánica o térmica. Las primeras están impuestas a través de paredes que confinan al sistema a una región finita del espacio. Las mecánicas determinan como poder intercambiar energía con el sistema a través de la transmisión de trabajo mecánico, incluyendo todos los equivalentes de este trabajo: el trabajo magnético, eléctrico, químico, electroquímico, etc. Las paredes térmicas determinan la propiedad de poder afectar el grado relativo de enfriamiento ó calentamiento que posee el sistema. Alrededores. La parte del universo que interacciona con el sistema constituye sus alrededores. La interacción entre el sistema y sus alrededores estará caracterizada por los intercambios mutuos de masa y energía, en sus diversas formas, la energía puede intercambiarse por medios mecánicos o por medios no mecánicos, esto es por procesos de calentamiento o enfriamiento que veremos después.

En el caso de que un sistema está contenido en un recipiente, lo cual es una situación común en termodinámica, el grado de interacción con sus alrededores dependerá de la naturaleza de sus paredes: Página | 4

CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

a) Paredes adiabáticas, son aquellas que no permiten que un sistema modifique su grado relativo de calentamiento. Los llamados aislantes térmicos a nivel comercial son excelentes ejemplos de materiales con esta propiedad, como la madera, el asbesto, etc. En general supondremos que los sistemas poseen dimensiones suficientemente pequeñas para poder despreciar los efectos del campo gravitacional. b) Paredes diatérmicas, son aquellas que permiten interacciones que modifiquen el grado relativo de calentamiento. Los metales son materiales que constituyen excelentes paredes diatérmicas. En virtud de la naturaleza de las paredes, los sistemas termodinámicos se pueden clasificar en: 1. Sistema cerrado. Tiene paredes impermeables al paso de la materia; en otras palabras, el sistema no puede intercambiar materia con sus alrededores, y su masa permanece constante. 2. Sistema abierto. Puede existir intercambio de materia o de alguna forma de energía con sus alrededores. 3. Sistema aislado. No puede tener absolutamente ninguna interacción con sus alrededores: la pared resulta impermeable a la materia y a cualquier forma de energía mecánica o no mecánica.

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

1.2

TEMPERATURA

La experiencia demuestra que cuando dos cuerpos, uno frío y otro caliente, se ponen en contacto durante un tiempo prolongado, terminan por alcanzar un estado de equilibrio entre ambos que se denomina equilibrio térmico. En ese estado no es posible distinguir cuál de ambos está más frío y cuál más caliente. La propiedad que tienen en común los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico es precisamente la temperatura. Junto con esta definición descriptiva de lo que se entiende en física por temperatura, con frecuencia se utiliza otra definición de tipo operacional, que indica mediante qué procedimiento u operación queda determinada dicha magnitud. Según este criterio la temperatura sería lo que miden los termómetros. Ambas definiciones de temperatura hacen referencia a fenómenos observables y facilitan un estudio científico de los mismos, pero no explican en qué consiste realmente esa magnitud que, aparentemente, no mantiene relación alguna con las otras magnitudes de la física como la longitud, la masa, el tiempo o la fuerza, por ejemplo. El desarrollo de una teoría cinética para la materia fue realizado sobre la base de esas viejas ideas a las que se refería Thompson, con aportaciones sucesivas de científicos tales como Clausius (1822-1888), Maxwell (1831-1879), Boltzmann (1844-1906) y Gibbs (1839-1903), y proporcionó una explicación a la noción de temperatura y a otros conceptos clave para la comprensión de los fenómenos caloríficos. La teoría cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento (en griego kinesis significa movimiento). En los cuerpos sólidos este movimiento es de vibración en torno a puntos fijos o de equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a consecuencia de los choques de las moléculas del gas entre sí y con el recipiente que las contiene. En los líquidos, como estado intermedio, pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares. La teoría cinético-molecular establece que la energía asociada a esos movimientos moleculares internos es la responsable de los fenómenos caloríficos, y llega a demostrar que cuando se promedian las energías cinéticas individuales de las partículas en movimiento, la energía que resulta es directamente proporcional a la temperatura del cuerpo expresada en grados Kelvin. Página | 6

CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

Representando ese valor medio por y la temperatura en grados Kelvin por T, la anterior conclusión puede expresarse en la forma T ~ siendo ~ el símbolo de proporcionalidad directa. Junto a la definición de la temperatura, basada en nuestro sentido del tacto y apoyada en la observación de los fenómenos correspondientes, que la presenta como una propiedad que caracteriza el grado de calor de los cuerpos y rige su transmisión de unos a otros, la teoría cinética propone otra, compatible con la anterior, pero que ofrece la ventaja de explicar cuál es su naturaleza. La temperatura es una medida del nivel de esa agitación térmica o interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termómetros.

1.2.1 ESCALAS DE TEMPERATURA Y CONVERSIONES

Partiendo de la diferencia de nivel que el mercurio toma, cuando se toma el termómetro en el hielo fundente y cuando lo está entre agua en ebullición en condiciones normales de presión, por convención, esta longitud por así decirlo se expresa con distintas divisiones que dan origen a las diferentes escalas termométricas. En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas está la escala Celsius también conocida como escala centígrada, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Ranking o la escala termodinámica internacional. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0°C, y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo científico. La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, −273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo es la escala Ranking, en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la Página | 7

CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

escala Fahrenheit. En la escala Ranking, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R, y su punto de ebullición a 672 °R. En la escala Reaumur también se pone 0 en el punto de fusión del hielo, pero en el punto de ebullición del agua se pone 80. En 1933, científicos de treinta y una naciones adoptaron una nueva escala internacional de temperaturas, con puntos fijos de temperatura adicionales basados en la escala Kelvin y en principios termodinámicos. La escala internacional emplea como patrón un termómetro de resistencia de platino (cable de platino) para Temperaturas entre −190 °C y 660 °C. Desde los 660 °C hasta el punto de fusión del oro (1.063 °C) se emplea un termopar patrón: los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión producida entre dos alambres de metales diferentes. Más allá del punto de fusión del oro las temperaturas se miden mediante el llamado pirómetro óptico, que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente. Escala Celsius Anders Celsius (1701-1744) fue un astrónomo suizo que inventó la escala centígrada en 1742. Celsius escogió el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua como sus dos temperaturas de referencia para dar con un método simple y consistente de un termómetro de calibración. Celsius dividió la diferencia en la temperatura entre el punto de congelamiento y de ebullición del agua en 100 grados (de ahí el nombre centi, que quiere decir cien, y grado). Después de la muerte de Celsius, la escala centígrada fue llamada escala Celsius y el punto de congelamiento del agua se fijo en 0°C y el punto de ebullición del agua en 100°C. La escala Celsius toma precedencia sobre la escala Fahrenheit en la investigación científica porque es más compatible con el formato basado en los decimales del Sistema Internacional (SI) del sistema métrico. Además, la escala de temperatura Celsius es comúnmente usada en la mayoría de países en el mundo, aparte de Estados Unidos.

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

Escala Kelvin La tercera escala para medir la temperatura es comúnmente llamada Kelvin (K). Lord William Kelvin (1824-1907) fue un físico Escocés que inventó la escala en 1854. La escala Kelvin está basada en la idea del cero absoluto, la temperatura teorética en la que todo el movimiento molecular se para y no se puede detectar ninguna energía (ver la Lección de Movimiento). En teoría, el punto cero de la escala Kelvin es la temperatura más baja que existe en el universo: -273.15ºC. La escala Kelvin usa la misma unidad de división que la escala Celsius. Sin embargo vuelve a colocar el punto zero en el cero absoluto: -273.15ºC. Es así que el punto de congelamiento del agua es 273.15 Kelvin (las graduaciones son llamadas Kelvin en la escala y no usa ni el término grado ni el símbolo º) y 373.15 K es el punto de ebullición del agua. La escala Kelvin, como la escala Celsius, es una unidad de medida estándar del SI, usada comúnmente en las medidas científicas. Puesto que no hay números negativos en la escala Kelvin (porque teóricamente nada puede ser más frío que el cero absoluto), es muy conveniente usar la escala Kelvin en la investigación científica cuando se mide temperatura extremadamente baja. Escala Fahrenheit Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) fue un físico alemán que inventó el termómetro de alcohol en 1709 y el termómetro de mercurio en 1714. La escala de temperatura Fahrenheit fue desarrollada en 1724. Originalmente, Fahrenheit estableció una escala en la que la temperatura de una mezcla de hielo-agua-sal estaba fijada a 0 grados. La temperatura de una mezcla de hielo-agua (sin sal) estaba fijada a 30 grados y la temperatura del cuerpo humano a 96 grados. Usando esta escala, Fahrenheit midió la temperatura del agua hirviendo a 212°F en su propia escala. Más tarde, Fahrenheit ajustó el punto de congelamiento del agua hirviendo de 30°F a 32°F, haciendo que el intervalo entre el punto de ebullición y el de congelamiento del agua fuera de 180 grados (y haciendo que la temperatura del cuerpo fuese la familiar de 98.6°F). Hoy en día, la escala Fahrenheit sigue siendo comúnmente usada en Estados Unidos.

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

Escala Rankine Se denomina Rankine (símbolo °R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859.

T (ºR) = t(ºF) + 459,67 ó t(ºF) = T(ºR) - 459,67 T (ºR) = (9/5) * [t (ºC) + 273,16] ó t(ºC) = (5/9) * [T(ºRa) - 491,67] siendo T (°R) la temperatura expresada en grados Rankine. El grado Rankine (°R) tiene su punto de cero absoluto a −459,67 °F y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.

Fig. 1.1 Escalas de temperatura

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

TABLA DE CONVERSIÓN DE UNIDADES

Kelvin

Grado Celsius

Grado Fahrenheit

Kelvin

K=K

K = C + 273,15

K = (F + 459,67)

K=R

Grado Celsius

C = K − 273,15

C=C

C = (F - 32)

C = (R - 491,67)

Grado Fahrenheit F = K

Grado Rankine

- 459,67

R=K

F=C

+ 32

R = (C + 273,15)

Grado Rankine

F=F

F = R − 459,67

R = F + 459,67

R=R

Tabla 1

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

1.2.2 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA Termómetro Un termómetro es un instrumento que sirve para medir la temperatura, basado en el efecto que un cambio de temperatura produce en algunas propiedades físicas observables y en el hecho de que dos sistemas a diferentes temperaturas puestos en contacto térmico tienden a igualar sus temperaturas. Entre las propiedades físicas en las que se basan los termómetros destaca la dilatación de los gases, la dilatación de una columna de mercurio, la resistencia eléctrica de algún metal, la variación de la fuerza electromotriz de contacto entre dos metales, la deformación de una lámina metálica o la variación de la susceptibilidad magnética de ciertas sales paramagnéticas. El termómetro de dilatación de líquidos es el más conocido. Consta de una ampolla llena de líquido unida a un fino capilar, todo ello encerrado en una cápsula de vidrio o cuarzo en forma de varilla. La sensibilidad que se logra depende de las dimensiones del depósito y del diámetro del capilar, y en los casos más favorables es de centésimas de grado. El rango de temperaturas en que es más fiable depende de la naturaleza del líquido empleado. Por ejemplo, con alcohol se logra buena sensibilidad y fiabilidad entre -100 °C y 100 °C, mientras que el termómetro de mercurio es indicado entre -30º y 600 °C.

Fig. 1.2 Termómetro de mercurio

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

Termopar Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821 cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito, formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. Es decir, la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la unión térmica a si mismo, si se resta el calentamiento ohmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión. La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Esta corriente puede calentar el termopar y afectar la precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor.

Fig. 1.3 Termopar

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

Pirómetro Un pirómetro es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius. El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados celsius hasta +4000 grados celsius. Existen varios tipos según su principio de funcionamiento: o

Pirómetro óptico: se fundamentan en la ley de Wien de distribución de la radiación térmica, según la cual, el color de la radiación varía con la temperatura. El color de la radiación de la superficie a medir se compara con el color emitido por un filamento que se ajusta con un reóstato calibrado. Se utilizan para medir temperaturas elevadas, desde 700 °C hasta 3.200 °C, a las cuales se irradia suficiente energía en el espectro visible para permitir la medición óptica.

o

Pirómetro de radiación total: se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual, la intensidad de energía emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.

o

Pirómetro de infrarrojos: captan la radiación infrarroja, filtrada por una lente, mediante un sensor fotorresistivo, dando lugar a una corriente eléctrica a partir de la cual un circuito electrónico calcula la temperatura. Pueden medir desde temperaturas inferiores a 0 °C hasta valores superiores a 2.000 °C.

o

Pirómetro fotoeléctrico: se basan en el efecto fotoeléctrico, por el cual se liberan electrones de semiconductores cristalinos cuando incide sobre ellos la radiación térmica.

Fig. 1.4 Pirómetro

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

1.3

CALOR

El calor se define como el contenido energético de un sistema, suma de todas las energías provenientes de los movimientos de los átomos que lo componen. El calor solamente se pone de manifiesto cuando se transfiere del sistema a los alrededores o viceversa. No es por lo tanto una nueva forma de energía, sino el nombre que recibe una transferencia de energía en el que intervienen un gran número de partículas. Podemos entender el calor como la energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea, debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior al mismo y siempre que no pueda ser expresado macroscópicamente como el producto de una fuerza por desplazamiento. Deberemos también distinguir entre los conceptos de calor y energía interna de una sustancia. El flujo de calor no es más que una transferencia de energía entre dos cuerpos, debido a la diferencia de sus temperaturas. Sin embargo la energía interna es la energía que posee una sustancia debido a su temperatura, que a escala microscópica es esencialmente la energía cinética de las moléculas. Muchas son las opiniones que se han emitido acerca del origen del calor; pero dos son las únicas que reinan actualmente en la ciencia: el sistema de la emisión y el de las ondulaciones. En el primero se admite que la causa del calor es un fluido material e imponderable, que puede pasar de un punto a otro, y cuyas moléculas se hallan en un estado continuo de repulsión. Este fluido existiría en todos los cuerpos en estado de combinación con las últimas partículas, oponiéndose a su contacto inmediato. En el sistema de las ondulaciones se supone, que depende el calor de un movimiento vibratorio de las moléculas de los cuerpos calientes, un movimiento que se trasmite a las moléculas de los demás cuerpos por el intermedio de un fluido eminentemente sutil y elástico, llamado éter, y en el cual se propaga a la manera que las ondas sonoras en el aire. Los cuerpos más calientes son, en tal caso, aquéllos cuyas vibraciones tienen mayor amplitud y mayor rapidez, de suerte que la intensidad del calor no vendría a ser otra cosa más, que la resultante de las vibraciones de las moléculas. En la primera hipótesis pierden calórico las moléculas de los cuerpos que se enfrían, y en la segunda sólo pierden movimiento.

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

La teoría de las ondulaciones parece la única admisible, atendidos los progresos de la física moderna; pero con todo, como la de la emisión si simplifica las demostraciones, se la prefiere, en general, para la explicación de los fenómenos del calor.

1.4

TRANSFERENCIA DE CALOR

Cuando existe un gradiente de temperaturas en un sistema o cuando dos sistemas a diferente temperatura se ponen en contacto se transfiere energía. El proceso mediante el cual tiene lugar este transporte de energía se conoce como transmisión de calor. Lo que se transmite, calor, no puede ser medido ni es observable directamente; pero sus efectos, preferentemente variaciones de energía interna, permiten su medida. El flujo de calor, análogamente al caudal de trabajo o potencia, da lugar a cambios importantes en la energía interna de un sistema. Puesto que la transmisión de calor es en realidad un transporte de energía, se sigue necesariamente la ley de conservación de la energía, por lo que, en un sistema cerrado, el calor emitido por la región de temperatura superior debe de ser exactamente igual al calor absorbido por la región de temperatura inferior. La transmisión de calor juega un papel muy importante en muchas de las operaciones que se realizan en la industria química: en el diseño de reactores, donde tienen lugar reacciones químicas con absorción o desprendimiento de calor; en el diseño de aparatos para intercambiar calor entre dos fluidos; en la transferencia o eliminación de calor a otro fluido con el fin de cambiarlo de fase (evaporación, condensación), etc. También resulta interesante la utilización de materiales sólidos para “almacenar” energía procedente de corrientes fluidas a temperatura elevada. El estudio de la transmisión de calor no es exclusivo de la ingeniería química; la física, la ingeniería mecánica, la ingeniería civil, la arquitectura, etc., también se hallan interesadas en su estudio. Abarca, por consiguiente, diferentes áreas de conocimiento y constituye uno de los tres fenómenos de transporte fundamentales. Para estimar el coste y la capacidad del equipo necesario para transferir una determinada cantidad de calor en un tiempo dado, es necesario realizar un análisis Página | 16

CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

detallado de la transmisión de calor. Desde el punto de vista ingenieril, dicho análisis tiene como objetivos prioritarios la determinación de los perfiles de temperatura en el interior de los cuerpos materiales, y la predicción de la velocidad a la que tiene lugar la transferencia de calor a través de una superficie. En la transmisión de calor, como en otras disciplinas de la ingeniería, la solución de un problema determinado que se pueda plantear requiere la realización de hipótesis e idealizaciones. Es prácticamente imposible describir el fenómeno exactamente y, cuando se tiene que expresar el problema en forma de una ecuación matemática, es necesario realizar algunas aproximaciones. Es importante tener presentes las aproximaciones, hipótesis e idealizaciones realizadas cuando se interpreten los resultados finales obtenidos. Algunas aproximaciones habituales que se pueden citar son: 





Algunas propiedades físicas como la conductividad térmica, la viscosidad, el calor específico o la densidad cambian con la temperatura, pero si seleccionan los valores medios adecuados los cálculos se pueden simplificar considerablemente sin que se produzca un error considerable en el resultado final. Cuando se transmite calor de un fluido a una pared, pueden aparecer incrustaciones que reducen la velocidad de transmisión de calor. Para asegurar una correcta operación a lo largo de un largo periodo de tiempo se deberá aplicar un factor corrector de seguridad que tenga en cuenta esta contingencia. Cuando se transmite calor por convección a través de una pared lo suficientemente grande, se puede considerar que su superficie es infinita con lo que se reducirán considerablemente los cálculos a la hora de resolver el problema de transmisión de calor.

Los mecanismos a través de los cuales se transmite el calor son: conducción, convección y radiación. Tanto la conducción como la convección necesitan de un medio material para poder transferir esta energía, mientras que la radiación no lo necesita y, de hecho, está mas favorecida la transferencia en el vacío. La conducción de calor es el mecanismo de transmisión en sólidos y exclusivo en los mismos, aunque también se puede suponer que es el único que tiene lugar en los fluidos en reposo. En los fluidos, aparece adicionalmente un movimiento convectivo debido a la variación de la densidad del fluido con la temperatura, o al movimiento del fluido debido a otras causas (bombas, compresores, acción de la gravedad, etc.) Cuando en un medio material existe un gradiente de temperatura Página | 17

CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

el calor fluye en sentido contrario a este gradiente. La energía se transmite debido al movimiento de átomos, moléculas, iones y electrones, que constituyen la sustancia, sin movimiento aparente de la materia a nivel macroscópico. A continuación se realiza una introducción de cada uno de los tres mecanismos de transmisión de calor y se presentarán las ecuaciones que los gobiernan.

1.4.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción, y esta es el flujo de calor a través de la propia materia, mediante movimiento molecular. En un sólido cada átomo dispone de uno de ellos vibra con una intensidad reflejo de la energía calórica de que dispone. Si un átomo vibra más que su átomo vecino, este cederá parte de ese movimiento a ese átomo adyacente, intentando que ambos se muevan al unísono. Esta transferencia de movimiento lleva implícito una transferencia de calor, pese a que en ningún momento ha existido transferencia de masa. A manera de ejemplo, si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por este fenómeno de la conducción. No se comprenden su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Barón Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado). Se expresa matemáticamente con la formula: Q = -k·A· Donde:

Q A

es la transferencia de calor por conducción es el área por la que atraviesa el flujo de calor es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria.

Fig. 1.5 Conducción

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CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS

1.4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado mecánicamente. Es este caso, el calor fluye del emisor calentando el aire ambiente, y a medida que prosigue este calentamiento, disminuye el peso específico de este aire, haciéndolo más ligero y obligándolo a ascender. El natural empuje ascendente del aire, origina un movimiento lento del mismo, calentando el ambiente adjunto de manera uniforme. Como ejemplo podemos decir que, si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el flujo más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el flujo a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

Fig. 1.6 Convección

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1.4.3 TRASFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y a la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas, en la superficie de los cuerpos, como consecuencia de la excitación térmica a la que los cuerpos son sometidos. Esta radiación es emitida en todas las direcciones a la velocidad de la luz, sin que exista necesidad de medio alguno de transporte. La radiación se produce incluso en el verdadero vacío. La intensidad a que se produce transferencia de calor, depende fundamentalmente de la temperatura a la que se halle el cuerpo emisor y de la naturaleza de las caras del cuerpo. Una vez que esta radiación golpea a otro cuerpo, esta energía puede ser reflejada, transmitida o absorbida por este. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck: todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuando mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite. Las superficies opacas pueden absorber la radiación, generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Fig. 1.7 Radiación de un cuerpo negro

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1.4.3.1 Radiación solar Es el flujo de energía que recibimos del Sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Aproximadamente la mitad de las que recibimos, comprendidas entre 0.4μm y 0.7μm, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que conocemos como luz visible. De la otra mitad, la mayoría se sitúa en la parte infrarroja del espectro y una pequeña parte en la ultravioleta. La porción de esta radiación que no es absorbida por la atmósfera, es la que produce quemaduras en la piel a la gente que se expone muchas horas al sol sin protección. La radiación solar se mide normalmente con un instrumento denominado piranómetro. Dirección de incidencia de la irradiación solar El estudio de la dirección con la cual incide la irradiación solar sobre los cuerpos situados en la superficie terrestre, es de especial importancia cuando se desea conocer su comportamiento al ser reflejada. La dirección en que el rayo salga reflejado dependerá de la incidente. Con tal fin se establece un modelo que distingue entre dos componentes de la irradiación incidente sobre un punto: la irradiación solar directa y la irradiación solar difusa. 

Irradiación Solar Directa es aquella que llega al cuerpo desde la dirección del Sol.



Irradiación Solar Difusa es aquella cuya dirección ha sido modificada por diversas circunstancias (densidad atmosférica, partículas u objetos con los que choca, reemisiones de cuerpos, etc.). Por sus características esta luz se considera venida de todas direcciones.

La suma de ambas es la irradiación total (o global) incidente.

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Fig. 1.8 Radiación solar

Componentes de la radiación solar La energía que llega al exterior de la atmósfera lo hace en una cantidad fija, llamada constante solar. Esta energía es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda entre 200 y 4000 nm, que se distingue entre radiación ultravioleta, luz visible y radiación infrarroja. Radiación ultravioleta Se denomina radiación ultravioleta a la energía electromagnética emitida a longitudes de onda menores que la correspondiente a la visible por el ojo humano, pero mayor que la que caracteriza a los rayos X, esto es, entre 100 y 360 nm. La radiación de longitud de onda entre 100 y 200 nm se conoce como ultravioleta lejano o de vacío. Comúnmente proviene del sol o de lámparas de descarga gaseosa. La radiación ultravioleta es tan energética, que su absorción por parte de átomos y moléculas produce rupturas de uniones y formación de iones (reacciones fotoquímicas), además de excitación electrónica. El oxígeno y el nitrógeno de la atmósfera absorben virtualmente la totalidad de la radiación ultravioleta lejana proveniente del sol, transformando su enorme energía en reacciones fotoquímicas e impidiendo, en consecuencia, que llegue a la superficie terrestre, donde destruiría las moléculas complejas, y por lo tanto imposibilitaría la existencia de vida. El oxígeno y el ozono de la estratosfera actúan como filtro protector contra la radiación ultravioleta, no mucho menos dañina, de 200 a 300 nm de longitud de onda.

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Luz Visible La luz visible es una de las formas como se desplaza la energía. Las ondas de luz son el resultado de vibraciones de campos eléctricos y magnéticos, y es por esto que son una forma de radiación electromagnética (EM). La luz visible es tan sólo uno de los muchos tipos de radiación EM, y ocupa un pequeño rango de la totalidad del espectro electromagnético. Las ondas de luz tienen longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros. Radiación infrarroja La radiación infrarroja (IR) es una radiación electromagnética cuya longitud de onda comprende desde los 760-780 nm, limitando con el color rojo en la zona visible del espectro, hasta los 10.000 o 15.000 nm (según autores), limitando con las microondas. Desde el punto de vista terapéutico, es una forma de calor radiante, que puede transmitirse sin necesidad de contacto con la piel. Produce un calor seco y superficial, entre 2 y 10 mm de profundidad. Los IR se producen por los cuerpos calientes ya que se deben a cambios en los estados de energía de electrones orbitales en los átomos o en los estados vibracionales y rotacionales de los enlaces moleculares. Todos los objetos a temperatura superior al cero absoluto (-273 0C) emiten radiación IR. La cantidad y la longitud de onda de la radiación emitida dependen de la temperatura y la composición del objeto considerado. El sol es la principal fuente natural de radiación IR; constituye el 59% del espectro de emisión solar. Las fuentes artificiales de producción de IR son los emisores no luminosos (que emiten infrarrojos distales) y las lámparas o emisores luminosos (infrarrojos proximales). Todas las formas de ondas electromagnéticas, incluyendo los rayos X y las ondas de radio, y todas las demás frecuencias a lo largo del espectro EM, también viajan a la velocidad de la luz. La luz viaja más rápidamente en el vacío, y se mueve más lentamente en materiales como agua o vidrio.

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1.5

AIRE ACONDICIONADO

El acondicionamiento de aire es el proceso más completo de tratamiento del aire ambiente de los locales habitados; consiste en regular las condiciones en cuanto a la temperatura (calefacción o refrigeración), humedad, limpieza (renovación, filtrado) y el movimiento del aire adentro de los locales. Si no se trata la humedad, sino solamente de la temperatura, podría llamarse climatización. Los acondicionadores de aire pueden pertenecer a dos familias básicas: 

Sólo frío, cuando únicamente proporcionan refrigeración (conocidos como aparatos de aire acondicionado).



Bomba de calor, cuando además de refrigeración proporcionan calefacción, es decir, climatización. Ventajas:

La gran ventaja de la bomba de calor reside en su eficiencia energética en calefacción, puesto que es capaz de aportar más energía que la que consume, aproximadamente entre 2 y 3 veces más. Esto es así porque el equipo recupera energía gratuita del ambiente exterior y la incorpora como energía útil para calefacción. Por tanto, para lograr el mismo efecto consume menos energía que otros aparatos o sistemas de calefacción y, lógicamente, el coste de calefacción es también más reducido, en línea con los sistemas más competitivos. Además de esta ventaja, cabe señalar: 

Reúne dos servicios en un solo aparato y una sola instalación, lo que limita la inversión necesaria y simplifica las instalaciones.



Variedad de marcas y modelos que facilitan la colocación en distintos lugares: pared, techo, suelo, etc.



Prácticamente sin mantenimiento, salvo la limpieza periódica del filtro de aire.

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Limitaciones: En zonas donde las condiciones climáticas invernales son especialmente adversas o cuando la temperatura exterior es muy baja, puede tener dificultades para aportar todo el calor necesario y requerirá resistencia de apoyo, con un coste de funcionamiento muy superior. A pesar de que los equipos son muy silenciosos, el nivel de ruido causado por el ventilador puede resultar molesto para determinadas personas en despachos, salas de reunión o dependencias similares.

Funciones que deben cumplir los equipos de climatización Las funciones que deben cumplir los equipos de aires acondicionados consisten en: o o o

En verano: enfriamiento y deshumectación. En invierno: calentamiento y humectación. Comunes en invierno y verano: ventilación, filtrado y circulación.

Estos procesos deben realizarse: o Automáticamente. o Sin ruidos molestos. o Con el menor consumo energético. Enfriamiento y deshumectación La función de refrigeración y deshumectación, se realiza en verano en forma simultánea en la batería de refrigeración, dado que sino se realiza, el porcentaje de humedad relativa aumenta en forma considerable, provocando una sensación de molestia y pesadez. La humedad contenida en el aire que circula se elimina por condensación, porque se hace trabajar la batería a una temperatura inferior a la del punto de rocío En instalaciones industriales que se requiere gran posición puede aplicarse un sistema separado empleando para la deshumectación agentes absorbentes como la silica-gel.

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Calentamiento El calentamiento del aire se efectúa en invierno en la batería de calefacción, por medio de una batería agua caliente o vapor vinculadas con cañerías a una planta de calderas o intercambiadores a gas o eléctricos. Para aplicaciones de confort en instalaciones de agua fría se suele emplear la misma batería que se usa para refrigerar para calefaccionar haciendo circular agua caliente por la misma, en la época de invierno. El sistema de expansión directa también se puede emplear la misma batería haciendo funcionar el sistema en el ciclo de bomba de calor. Humectación En invierno, si se calienta el aire sin entregarle humedad, la humedad relativa disminuye provocando resecamiento de las mucosas respiratorias, con las consiguientes molestias fisiológicas. La función de humectación, que se ejecuta en invierno en el humectador, debe colocarse después de la batería de calefacción dado que el aire más caliente tiene la propiedad de absorber más humedad. Existen aparatos que evaporan el agua contenida en una bandeja, por medio de una resistencia eléctrica del tipo blindado, la cual es controlada por medio de un humidistato de ambiente o de conducto. En los casos de grandes instalaciones, se recurre a baterías humidificadoras que incorporan al aire agua finamente pulvarizada y, como cumplen además una función, suelen llamarse también lavadores de aire. Para instalaciones de confort, salvo casos de climas exteriores muy secos, la experiencia demuestra que no es necesario cumplir la función de humectación, teniendo en cuenta que las personas aportan una cierta cantidad de humedad en el ambiente. De hecho, los equipos estándar de confort, no vienen provistos de dispositivos de humectación incorporados. Ventilación La función de ventilación, consiste en la entrada de aire exterior, para renovar permanentemente el aire de recirculación del sistema en las proporciones necesarias a fin de lograr un adecuado nivel de pureza, dado que como el resultado del proceso respiratorio, se consume oxígeno y se exhala anhídrido

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carbónico, por lo que debe suministrarse siempre aire nuevo a los locales para evitar que se produzcan viciamientos y olores. El aire nuevo del edificio o aire de ventilación penetra a través de una reja de toma de aire, en un recinto llamado pleno de mezcla, en él se mezcla el aire nuevo con el aire de retorno de los locales, regulándose a voluntad mediante persianas de accionamiento manualmente o eventualmente automáticas. Filtrado La función de filtrado se cumple en la batería de filtros. Consiste en tratar el aire mediante filtros adecuados a fin de quitarle polvo, impurezas y partículas en suspensión. El grado de filtrado necesario dependerá del tipo de instalación de acondicionamientos a efectuar. Para la limpieza del aire se emplea filtros que normalmente son del tipo mecánico, compuestos por substancias porosas que obligan al aire al pasar por ellas, a dejar las partículas de polvo que lleva en suspensión. En las instalaciones comunes de confort se usan filtros de poliuretano, lana de vidrio, microfibras sintética o de metálicos de alambre con tejido de distinta malla de acero o aluminio embebidos en aceite. En las instalaciones industriales o en casos particulares se suelen emplear filtros especiales que son muchos más eficientes. El filtro es el primer elemento a instalar en la circulación del aire porque no solo protege a los locales acondicionados sino también al mismo equipo de acondicionamiento. Circulación La función de circulación la realiza el ventilador dado que es necesario un cierto movimiento de aire en la zona de permanencia con el fin de evitar su estancamiento, sin que se produzca corrientes enérgicas que son perjudiciales. Se emplean ventiladores del tipo centrífugo, capaces de hacer circular los caudales de aires necesarios, venciendo las resistencias de frotamiento ocasionadas en el sistema con bajo nivel de ruidos. En los equipos destinados a pequeños locales como el acondicionador de ventana o el fan-coil individual, el aire se distribuye directamente mediante rejillas de distribución y retornos incorporados en los mismos. Pero en equipos de cierta envergadura que abastece varios ambientes o recintos amplios debe Página | 28

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canalizárselos por medio de conductos, generalmente construido en chapa de hierro galvanizado, convenientemente aislados, retornando mediante rejillas y conductos a las unidades. En los ambientes, la inyección de aire se realiza por medio de rejillas sobre paredes o difusores sobre los cielorrasos y el retorno se efectúa por rejillas colocada en la parte inferior de los locales, con el objetivo de conseguir un adecuado movimiento de aire en la zona de vida del local en cuestión, que se encuentra en un plano ubicado a 1.50 m sobre el nivel del piso.

Ciclo de aire acondicionado

Fig. 1.9 Ciclo del aire acondicionado

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CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

CAPÍTULO II AISLANTES TÉRMICOS

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En los siguientes apartados se mostraran algunos materiales que son empleados para reducir la ganancia solar y así mismo disminuir los consumos de energía en sistemas de refrigeración. Primero se dará una pequeña introducción acerca de los antecedentes del ahorro de energía en México iniciados por el FIDE, después se hablara de la importancia que tienen los aislamientos térmicos para lograr tener en las edificaciones un buen nivel de confort, finalizando con la explicación de las propiedades y el funcionamiento de los materiales aislantes.

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2.1

PANORAMA DEL AHORRO DE ENERGÍA EN EDIFICIOS

La estructura de una edificación, su correcta orientación, los materiales utilizados en la construcción , una adecuada ventilación y un balance apropiado de ingreso de luz natural, así como la selección de un correcto y adecuado aislamiento, son ahora más que nunca, factores determinantes en la construcción de un proyecto rentable, que permita el ahorro energético, y garantice un ambiente habitable. Las modernas tendencias arquitectónicas, así como los nuevos conocimientos en materia energética y sus altos costos, sugieren sin lugar a dudas, la necesidad de construir edificaciones que ofrezcan un máximo de confort, aprovechando racional y convenientemente toda fuente de energía natural disponible. Cada edificación construida por el hombre, recoge, conserva, transmite y disipa el calor, de forma diferente y más o menos compleja; esto según la calidad térmica de los materiales de los que está constituido, razón demás para ser muy selectivo y prudente a la hora de realizar la selección, especialmente de aquellos involucrados en las superficies orientadas al exterior, como las cubiertas y/o paredes, que son los elementos por donde permeará el calor. Actualmente existen tecnologías y materiales muy específicos, en el mercado de la construcción del país, que permiten construir edificaciones con valor agregado en términos de transferencia de calor, sin que esto signifique incurrir en grandes costos o complicadas instalaciones. En este particular tema, y considerando que la mayor carga térmica que ingresa a un edificio (alrededor de un 75% del total), es fundamentalmente debida a la radiación solar, la cuál es conocida como el calor radiante , es que es indispensable mencionar la existencia en el mercado nacional, de un material de tecnología de fabricación simple pero muy avanzada, que independientemente de los materiales de la cubierta donde se coloque, tiene como propósito fundamental el proporcionar una barrera térmica, continua y permanente, que minimiza el ingreso de esta radiación , por paredes y pisos inclusive y si así se requiere, garantizando un aumento apreciable del confort. Para tales fines, debe entenderse que el calor radiante, es la principal fuente del flujo calórico proveniente de nuestro astro rey el Sol; es virtualmente energía pura bajo la forma de ondas infrarrojas; y por ende se desplaza a la velocidad de la luz, aún a través del vacío, y es tanto transmitido a través de cualquier material con el que hace contacto, como absorbido o reflejado por ese mismo material.

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Materiales ordinarios y típicos de construcción, especialmente aquellos utilizados comúnmente en la metodología constructiva de cubiertas de este país, poseen un alto índice de emisividad (hasta un 90%) y un bajo índice de reflexión ante el calor radiante (que en la mayoría de los casos no supera el 10%.).

2.2

AISLAMIENTO TÉRMICO

Aislamiento térmico Aislamiento térmico es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor por conducción. Se evalúa por la resistencia térmica que tienen. La medida de la resistencia térmica o, lo que es lo mismo, de la capacidad de aislar térmicamente, se expresa, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) en m².K/W (metro cuadrado y kelvin por vatio). La resistencia térmica es inversamente proporcional a la conductividad térmica. Todos los materiales oponen resistencia, en mayor o menor medida, al paso del calor a través de ellos. Algunos, muy escasa, como los metales, por lo que se dice de ellos que son buenos conductores; los materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros) tienen una resistencia media. Aquellos materiales que ofrecen una resistencia alta, se llaman aislantes térmicos específicos o, más sencillamente, aislantes térmicos. Ejemplos de estos aislantes térmicos específicos pueden ser las lanas minerales (lana de roca y lana de vidrio), las espumas plásticas (EPS, Poliestireno expandido, Polietileno expandido, PUR, Poliuretano expandido), reciclados como los aislantes celulósicos a partir de papel usado, vegetales (paja, virutas madera, fardos de pasto, etc.); entre otros. Cuando se produce un "agujero" en el aislamiento, producido por un material muy conductor o un agujero físico, se habla de un puente térmico.

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Aislante térmico El concepto de aislamiento térmico está asociado al concepto de capacidad de control de la transmisión de calor cuando se desea que no exceda ciertos límites. Un producto aislante térmico es un producto que reduce la transmisión de calor a través de la estructura sobre la que, o en la que se instala. Los límites numéricos sólo pueden definirse cuando la aplicación específica se ha definido. En algunos casos, la función del aislamiento térmico es desarrollada por un material o sistema diseñado para funciones completamente diferentes. En otros casos, el sistema mismo no es adecuado y un material aislante adicional es necesario para satisfacer los requerimientos relativos a la transmisión de calor. El concepto de un sistema aislante, como opuesto a uno sin aislar, no puede ser definido, pero es definitivamente asociado con el concepto de una sustancial reducción de transmisión de calor comparada con un sistema sin aislar. Los conceptos cualitativos mencionados anteriormente implican dos condiciones: 1. La resistencia térmica de un sistema y el material aislante térmico debe ser superior al límite inferior aceptable para la aplicación específica. 2.

El material adicional deberá tener muy buenas propiedades aislantes.

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2.3

EL VIDRIO INDISPENSABLE EN LA CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS

El vidrio es uno de los componentes esenciales de la ventana, pues va aportar una de las propiedades principales: La transparencia. Para responder a las exigencias de los usuarios, los vidrios deben cumplir una serie de funciones, como son: A. Control de transmisión de luz. B. Control de transmisiones no deseadas. (Exceso de energía, ruido, radiación ultravioleta, etc.) C. Protección de las personas y bienes de manera general. D. Función de soporte de comunicación entre el interior y el exterior. E. Armonizar el aspecto estético. Para satisfacer estas necesidades se han realizado numerosas investigaciones que han traído como consecuencia la introducción de numerosos procesos de transformación del vidrio. Actualmente, mediante la combinación de varios tipos de vidrios, se pueden conseguir la mayoría de las funciones exigidas. 2. Métodos de fabricación del vidrio A lo largo de la historia del vidrio han sido varios los métodos utilizados para la fabricación de vidrio plano; dichos métodos han pasado, gracias a un importante esfuerzo tecnológico, de los antiguos sistemas de soplado a boca a los modernos sistemas de flotado. El procedimiento de fabricación de vidrio plano por el método de flotado ha supuesto una revolución industrial en este sector. Dicho método fue desarrollado por la compañía Pilkington en 1959 y en la actualidad prácticamente todos los vidrios usados en la construcción son fabricados por flotado. Se denomina flotado debido al proceso de fabricación que consiste en fundir el vidrio en un horno balsa para a continuación, hacerlo pasar a una cámara en la que existe un baño de estaño fundido, de manera que el vidrio flota sobre él, se extiende y avanza horizontalmente. Al salir de la cámara, pasa por un túnel de Página | 35

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recocido y finalmente se corta. Por este método se consiguen vidrios de una elevada calidad a lo que hay que añadir una capacidad de producción muy elevada: para un espesor de 6 mm se alcanzan 240 m / h. COMPOSICIÓN Y CARACTERÍSTICAS GENERALES Composición El vidrio común o vidrio base, también denominado vidrio de silicato sodocálcico, está compuesto por:     

Sílice (SiO2), material vitrificante De 69 a 74% Óxido de Sodio (Na2O), fundente De 12 a 16% Óxido de calcio (CaO), estabilizante De 5 a 12% Óxido de magnesio (MgO) De 0 a 6% Óxido de aluminio (Al2O3) De 0 a 3%

Además de estos componentes, el vidrio plano puede contener también pequeñas cantidades de otras sustancias. Características térmicas A. Las propiedades térmicas del vidrio se pueden describir por tres constantes intrínsecas al material: Calor específico. Es la cantidad de calor necesaria para elevar 1º C la temperatura de 1 kg de material. Como el calor específico varía con la temperatura del material, se suele dar su valor a 20º C. Para el vidrio a 20º C, el calor específico es: C = 0,72 x 103 J / (kg. K) Conductividad térmica "l". Cantidad de calor que atraviesa por m2 y hora, una pared de caras paralelas y de un metro de espesor cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperaturas de 1º C.

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Para el vidrio: l = 1 · W· (m · K) Coeficiente de dilatación lineal “α”. Es el alargamiento por unidad de longitud que experimenta un material cuando aumenta 1ºC su temperatura. DL = α . Lo . Δt Para el vidrio, en el intervalo de 20 a 200º C, el coeficiente de dilatación lineal es: α = 9 x 10-6 K-1 B. En un acristalamiento existen tres posibles mecanismos de transmisión de calor: Conducción. El calor se transmite por conducción a través de un medio material (sólido, líquido o gas). Las moléculas calientes comunican parte de su energía de vibración a sus vecinas más frías continuando dicho proceso a lo largo de todo el material. Convección. Esta forma de transmisión del calor es propia de líquidos y gases. La diferencia de temperatura provoca diferencias de densidad que a su vez, dan lugar a movimientos en el fluido; el más caliente sube y es reemplazado por otro más frío. Radiación. Todo cuerpo emite energía electromagnética de manera continua. La cantidad de energía y el espectro de emisión dependen de la temperatura del cuerpo y de sus propiedades emisivas. Este mecanismo no precisa de contacto material por lo que tiene lugar incluso en el vacío. Con el objeto de describir el comportamiento térmico de un acristalamiento se define el coeficiente de transmisión térmica "U" que tiene en cuenta los tres mecanismos de transmisión de calor: un valor de U pequeño nos indica un buen aislamiento térmico.

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El valor “U” depende en gran medida de la existencia de cámara de aire y de su espesor, así como del tratamiento superficial de los vidrios: si se utiliza un vidrio con tratamiento bajo emisivo, las pérdidas por radiación son mucho menores. A continuación se presenta una tabla en la que se pueden ver algunos ejemplos de estos efectos: Tipo de vidrio U Vidrio monolítico 6 mm Doble acristalamiento 6 // C.A. 6 // 6 mm Doble acristalamiento 6 // C.A. 12 // 6 mm Doble acristalamiento bajo Emisivo 6 // C.A. 12 // 6 mm

(W / m2 °K) 5,7 3,2 2,8 1,6

Tabla 2.1

Características ópticas El Sol tiene una temperatura superficial de 5.700 K. A esta temperatura emite una radiación cuyo máximo se encuentra en una longitud de onda de 500 nanómetros (zona central de la radiación visible); esta radiación es parcialmente absorbida al atravesar la atmósfera terrestre. La distribución de energía en la superficie de la Tierra se detalla en la gráfica a continuación.

Densidad de energía (W/m2 · nm)

Longitud de onda

(nm)

Fig. 2.1 Distribución de energía en la superficie de la tierra

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De esta energía un 1% es radiación ultravioleta, un 53% corresponde a luz visible (380 a 780 nm) y un 46% a infrarrojo. Cuando esta energía incide en un material puede ser reflejada, transmitida o absorbida. La reflexión se produce siempre que existe un cambio de medio, la cantidad de luz reflejada depende del ángulo de incidencia y de los índices de refracción de los dos medios. La absorción es la parte de la luz incidente que se convierte en energía térmica dentro del material. Si expresamos la energía reflejada (R), transmitida (T) y absorbida (A) en tantos por ciento, se debe cumplir que: R+A+T=100 Para describir el comportamiento óptico de un acristalamiento se utilizan los siguientes parámetros: Factor de transmisión luminosa. Cociente entre el flujo de radiación visible transmitida al atravesar un medio y la radiación visible incidente. Es el porcentaje de luz natural en su espectro visible que deja pasar un vidrio. Se expresa en tanto por uno o tanto por ciento. Factor de reflexión luminosa. La Reflexión Energética (re) equivale a la cantidad de energía que es reflejada por un acristalamiento. También se expresa como un porcentaje de la energía total incidente sobre el acristalamiento. Transmisión de energía directa. La Transmisión Energética (te) se define como la cantidad de energía que atraviesa directamente un acristalamiento. Se expresa como un porcentaje de la energía incidente sobre el mismo. Absorción energética. Parte del flujo de energía solar incidente absorbida por el vidrio. Esta absorción por parte del vidrio repercute en un aumento de su temperatura y en la reemisión de esta energía absorbida hacia el exterior y hacia el interior, dependiendo esta reemisión de las condiciones ambientales y del tratamiento del vidrio.

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Factor de transmisión total de la energía solar o Factor Solar. El factor solar de una superficie acristalada es la relación entre la energía total que entra en el local a través del acristalamiento y la energía que incide sobre el mismo. Es un coeficiente cuyo valor está siempre comprendido entre 0 y 1. Se calcula como la suma del factor de transmisión energética directa y del factor de reemisión térmica hacia el interior. Esta reemisión térmica consiste en transferencias térmicas por convección y por radiación en el infrarrojo lejano de la parte de radiación solar incidente que es absorbida por el vidrio. El cálculo del factor solar está descrito en la norma ISO 15099:2003 «Thermal performance of windows, doors and shading devices» que detalla los procedimientos de cálculo para determinar las propiedades de transmisión óptica y térmica de los acristalamientos (puertas de cristal, ventanas, claraboyas, lucernarios, etc.) teniendo en cuenta las propiedades térmicas y de comportamiento frente a la radiación solar de todos los componentes del sistema de cerramiento. La energía solar que entra en la estancia cerrada a través de las superficies vidriadas, es absorbida por los muros de cerramiento y los objetos que se hallan en el interior y que, al calentarse, emiten calor en forma de radiación infrarroja que aumenta la temperatura de la estancia sin poder escaparse nuevamente al exterior, ya que el vidrio es opaco para este tipo de radiación. Este fenómeno recibe el nombre de «efecto invernadero». La aplicación de láminas de control solar reduce el paso de la energía solar al interior. Cuanto menor sea el factor solar mayor será la protección solar que aporta el producto al cerramiento. Por ejemplo, una lámina de factor solar 0,30 sólo permite la entrada del 30% de la energía solar, es decir, rechaza un 70%

Fig. 2.2 Conceptos de distribución energética en vidrios

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2.4

VIDRIO TINTADO

Los vidrios tintados o coloreados en masa se obtienen al añadir óxidos metálicos al vidrio b ase, lo que aumenta el coeficiente de absorción y reduce la transmisión de energía solar. Esto se traduce en un aumento considerable de la temperatura de los vidrios. Los tonos más utilizados son: verde, bronce y gris, básicamente debido a la necesidad de fabricarlos en grandes cantidades. Por su alto contenido en óxidos metálicos, pueden absorber gran parte de las radiaciones solares, consiguiendo de este modo, factores solares significativamente te más bajos. En contrapartida, además de calentarse excesivamente, disminuyen la luminosidad interior de los edificios. El tintado de los vidrios es muy fácil de realizar, ya que básicamente supone la adición de óxidos metálicos concretos a la composición clásica del vidrio float corriente. Los vidrios tintados verdes se obtienen restituyendo los óxidos de hierro eliminados cuidadosamente en el proceso de obtención del vidrio primario; los tintados en bronce se obtienen añadiendo selenio; y los grises variando las proporciones de oxido de cobalto, níquel y selenio, y añadiendo a la mezcla óxido de hierro. El efecto que se consigue con estos vidrios es disminuir la radiación en el interior de los locales habitados, pues los óxidos metálicos dotan al vidrio de un coeficiente de absorción mayor. La radiación es absorbida por su masa en proporciones del 40 al 60 % aproximadamente. Esta energía absorbida es radiada a su vez bacía el interior y el exterior del edificio, con lo que se pueden conseguir factores solares (cociente entre la energía total que pasa a través de un acristalamiento y la energía solar incidente), del 60 al 70 %, frente a los del 80-85 % del vidrio corriente monolítico. Por lo tanto, estamos hablando de vidrios con capacidad de control de la radiación solar o también llamados vidrios de control solar. Un efecto a tener en cuenta de los vidrios tintados es su excesivo calentamiento, que obliga a templarlos para prevenir su rotura por choque térmico. El vidrio tintado que había sido el "rey de la arquitectura” de los años cincuenta y sesenta, gracias al espíritu creativo y la genialidad de los arquitectos de la época, queda actualmente desfasado y desplazado de muchos nuevas proyectos constructivos en los que al vidrio se le piden muchas más cosas de las que podía dar.

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El protagonismo del vidrio es tal en la arquitectura de los años sesenta y setenta, que los vidrios tintados no pueden responder a las nuevas y enormes exigencias técnicas, constructivas y de aplicación que los arquitectos demandan. Por este motivo ya existen vidrios más desarrollados técnicamente, acristalamientos y fachadas vidriadas y ligeras capaces de resolver problemas climáticos, térmicos, acústicos y de confort. De este modo, la industria del vidrio plano comienza lo que podríamos denominar, una verdadera segunda revolución, que viene marcada por las exigencias que los arquitectos y los creativos demandan al vidrio, ya que el uso de este material en sectores tales como la construcción, decoración, interiorismo y otras aplicaciones estéticas es cada vez mayor y mas sofisticado.

Fig. 2.3 Vidrio tintado

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2.5

DOBLE ACRISTALAMIENTO

El doble acristalamiento está formado por dos lunas paralelas, separadas entre si por una cámara de aire o un gas de alta densidad deshidratados, que le confieren unas mejores condiciones de aislamiento térmico. La separación entre las lunas de cristal, la proporciona un perfil de aluminio, en cuyo interior se introduce el deshidratante, quedando unido a sendas lunas mediante un cordón de butilo que se constituye en la primera barrera de estanqueidad. La segunda barrera se consigue con el sellado a presión mediante el uso de siliconas a lo largo de todo el perímetro. El conjunto delimita y garantiza un volumen de aire seco entre ambos vidrios. La doble barrera de sellado permite que la cámara de aire se mantenga en perfectas condiciones con el transcurso del tiempo. El riesgo de una cámara de mala calidad, es que a los pocos meses de su instalación, se produzca en su interior condensación de vapor de agua, que no se puede limpiar, reduciendo con el tiempo sus efectos aislantes, hasta quedar prácticamente anulados. El doble acristalamiento cumple una función térmica, pues dificulta los intercambios térmicos entre dos ambientes que delimita, aislando del frio y del calor. La reducción de flujos de temperatura que proporciona el doble acristalamiento respecto a un cristal sencillo es debida a la resistencia térmica del aire seco y en reposo encerrado en su cámara. El calor siempre tiende a pasar por conducción a través del acristalamiento desde la zona caliente a la fría, para eliminarlo hay que producir frigorías. El coeficiente de transmisión de calor K, indica la cantidad de calor que pasa en una hora a través de un m2 de acristalamiento, cuando la diferencia de temperatura a ambos lados del acristalamiento es de 1ºC. Para acristalamientos sencillos el coeficiente de transmisión térmica K es elevado, 5 Kcal/h.m2ºC., con el uso del cristal doble se consigue reducir el flujo a 2.6 Kcal/h.m2ºC, es decir, un ahorro del 50 %, pudiendo aumentarse considerablemente dicho ahorro si se emplean sistemas aislantes en la ventanería como es el caso de la ventaneria residencial de PVC.

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CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

Diagrama de un doble acristalamiento

6 Fig. 2.4 Doble acristalamiento

1.- Vidrio o luna interior / exterior. 2.- Perfil perimetral de aluminio 3.- Cordones de butilo 4.- Deshidratante/secador 5.- Silicón/silicona 6.- Cámara de aire seco o mezcla de gases pesados

El DVH es, básicamente, una cámara de aire estanca encerrada entre dos vidrios. La cámara de aire reduce la transferencia de calor entre interior y exterior mientras que una correcta selección de vidrios permite no sólo reducir el ingreso de energía solar radiante sino reducir significativa mente el ingreso de ruidos. Las principales propiedades del DVH son: o

Reduce la transformación de calor, como mínimo un 50 %, lo cual implica menores costos de calefacción y/o refrigeración.

o

Evita las condensaciones en el vidrio interior, típicas de los vidriados simples cuando en el exterior la temperatura es baja y en el interior hay calefacción. Estas condensaciones provocan el deterioro de paredes, carpinterías, alfombras, etc., además de impedirla correcta visión hacia el exterior.

o

Evita el efecto de paredes frías (pues la temperatura del vidrio interior es superior), con lo cual no existen corrientes convectivas en las cercanías de la ventana, la temperatura de los recintos se hace más uniforme, y se logra una ocupación más confortable incluso en las zonas próximas a los vidrios, lo que hace posible reducir en algunos grados la temperatura de la calefacción.

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CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

o

Con una adecuada selección de vidrios se reduce el ingreso de radiación infrarroja de sol y se pueden lograr importantes atenuaciones acústicas.

o

Utilizando los vidrios adecuados el DVH cumple todos los requisitos de vidriados de seguridad.

o

Utilizando vidrio laminado en una unidad de DVH es filtra el 99% de la dañina radiación UV responsable del deterior de muebles, alfombras, daños a las plantas, etc.

o

El coeficiente de Transferencia de Calor (K): normalmente un DVH típico (con cámara de aire de 12 mm) disminuye la transferencia de calor en un 50%. Para incrementar la aislación se puede recurrir a mayor ancho de cámara (dentro de ciertos límites), incorporar un vidrio bajo emisivo (Low-e) o reemplazar el aire del interior de la cámara por gases especiales algunos de los cuales también tienen propiedades acústicas).

o

El ingreso de radiación infrarroja del sol: si tenemos en cuenta que este tipo de radiación constituye el 50% del total de la energía solar, concluiremos que es importante limitar su ingreso, en particular en los grandes edificios vidriados. Esto se logra utilizando vidrios de Control Solar y para seleccionarlos debemos tener en cuenta el Coeficiente de Sombra (CS) que establece la cantidad de radiación infrarroja que cada tipo de vidrio dejará pasar. Simultáneamente deberá analizarse la transmisión de luz visible (%T) que se logrará al utilizar el vidrio seleccionado.

De acuerdo al tipo de vidrio utilizado en el DVH, se obtienen diferentes propiedades. Los distintos tipos de DVH son los siguientes: DVH de Control Solar Es un DVH con uno de los vidrios de Control Solar. Los parámetros de Control Solar (K, CS) variarán en función de los vidrios que se utilice, según sean; incoloros, coloro reflectante. Si estamos en una región con temperaturas bajas durante la mayoría del año, buscaremos vidrios con alto CS para poder absorber la mayoría del calor solar gratuito. Si, por el contrario, las temperaturas son mayormente altas, buscaremos vidrios con CS bajos, para que reflejen la mayoría de la radiación solar y disminuyan los costos de refrigeración. Página | 45

CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

Deberá tenerse en cuenta la necesidad de templar o termoendurecer los vidrios de Control Solar a utilizar según sea la orientación de las fachadas en que van a ser instalados, sus espesores, las zonas de sombras y el grado de absorción energética, para evitar roturas por choque térmico. DVH de Baja Emisividad: Es un DVH con uno de los vidrios de Bala Emisividad (Low-e). A diferencia de los vidrios de Control Solar que impiden el ingreso de calor del exterior, los vidrios de baja emisividad impiden la pérdida de calor del interior de las viviendas. Esta es una excelente opción cuando las pérdidas de calor deben ser minimizadas. El vidrio Low-e está desarrollado para reducir las pérdidas de calor desde el interior calefaccionado hacia el exterior frío. El Low -e previene que el calor salga de la habitación. Un DVH de estas características está concebido y recomendado para zonas frías en las que es necesario aprovechar al máximo la calefacción artificial generada en el interior, como la natural que proviene del sol exterior (el Low-e es incoloro) así como el máximo aprovechamiento de la luz natural DVH Control Solar + Sala Emisividad: El DVH ideal será aquel que permita fuertes aportes solares y bajas pérdidas de calorías en invierno, y a la vez, en verano sea una pantalla contra el exceso de calor solar que ahorre frigorías. Todo lo anterior sin olvidar la iluminación natural y sin renunciar a las grandes superficies acristaladas indispensables en toda arquitectura moderna. Una correcta combinación de los parámetros K, CS, y %T antes descriptos, será la respuesta a las exigencias de los huecos transparentes desde un planeamiento térmico. K mide el grado de capacidad de aislación. El CS mide la ganancia solar.

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2.6

PELÍCULAS DE CONTROL SOLAR

Es una familia de películas diseñadas para reducir las ganancias de calor solar, el reflejo y descolorimiento. Algunas de estas películas cuentan con la característica única de metales con Selectividad de Longitud de Onda, los cuales bloquean una porción mayor del espectro solar en la parte casi infrarrojo (calor), que los metales convencionales, permitiendo un mejor desempeño con una transmisión de luz similar, o un desempeño similar y luz de día más natural. Las películas de control solar arquitectónico están diseñadas para aplicaciones comerciales y residenciales en las que los rayos UV, el calor y el reflejo son problemas, la eficiencia de la energía es importante o una nueva imagen es deseada. Algunas de las características se mencionan a continuación: Costos de Energía Menores: reducen la pérdida de calor a través de los vidrios hasta en un 30% aproximadamente. En climas más cálidos, las películas reducen el costo de enfriamiento rechazando hasta en un 79% el calor solar. Bloquea el Calor y el Reflejo: ayudan a corregir el balance de temperaturas en áreas soleadas y de sombra de un edificio también desvían el incomodo reflejo. Reduce el desvanecimiento: en general, filtran hasta un 99.9 porciento de los dañinos rayos ultravioleta que causan decoloración en mobiliario y mercancía en exhibición. Mejora Apariencia: pueden agregar estilo a los edificios por una fracción del costo de otras remodelaciones sin la inconveniencia de mover ocupantes. Mejora la Privacidad: permitirán la entrada de luz pero protegerán la privacidad durante horas de luz de día. Las películas opacas expansibles están disponibles para vidrio a un rango de películas decorativas esmeriladas están disponibles para privacidad en interiores.

Fig. 2.5 Películas de control solar

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2.7 MATERIAL PROPUESTO DEL PROYECTO

Una vez mencionado los materiales comúnmente empleados para el aislamiento térmico en cristales, se propone que lo más conveniente para implementarse en el edificio divisional de CFE es una película de control solar, esta película lleva por nombre HÜPER OPTIK SELECT SECH y fue elegida debido a varias razones, entre las cuales se pueden mencionar su fácil aplicación, moderado costo y lo mas importante es que cuenta con el SELLO FIDE, que lo hace un material eficiente en el ahorro de energía.

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CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

HÜPER OPTIK Las películas Hüper Optik ofrecen mucho más que simplemente controlar el calor. Mejoran la eficiencia de la energía (rechazando cierto porcentaje del calor que ingresa a través de las ventanas y reduciendo costos de aire acondicionado). Así mismo, proporciona mayor comodidad, mejorando las ambivalencias de temperatura del inmueble. En los meses de verano un edificio protegido con películas de control solar, se mantendrá más fresco, brindando el confort deseado en estos meses calurosos. Y lo más importante de la utilización de este producto es que con la reducción de calor también se disminuye la utilización de los equipos de aire acondicionado, lo cual acarrea un gran beneficio económico al ahorrar energía eléctrica. Trabajan basadas en una tecnología inteligente, que es espectro selectiva. Rechaza en gran parte la radiación infrarroja (IR), que es el factor más importante en la generación de calor. Han sido rigurosamente probadas por varios laboratorios independientes alrededor del mundo. Cuentan con valores certificados por la National Fenestration Rating Council. La tecnología de Hüper Optik® fue elegida en el año 2007 como una de las primeras innovaciones del "Top 10 Green Innovations" por Green Spec y Environmental Building News. La capa anti-rayadoras de las películas, cumple con la prueba de abrasión mundialmente reconocida ECE 43. Garantía de 15 años por escrito contra ámpulas, burbujas, grietas, abrasión, deslaminación y decoloración. En aplicaciones automotrices y arquitectónicas.

Fig. 2.6 Película Hüper Optik

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HÜPER OPTIK SELECT SECH La serie Hüper Optik® Select ofrece una revolucionaria alternativa a las películas metálicas convencionales, combinando un extraordinario desempeño con una selección de tonos naturales y sofisticados. Empleando un proceso de manufactura con tecnología de punta, la serie esta elaborada con capas a nivel microscópico, alternadas con aislantes y depositadas en una película de poliéster, creando un escudo de alto desempeño que rechaza calor y rayos UV. A diferencia de las películas metálicas hibridas existentes en el mercado, las cuales utilizan capas de poliéster entintado o aplican tintes en el adhesivo para bajar el tono reflectivo, la serie Hüper Optik® Select es 100% libre de tintes, lo que impide que se decolore con el tiempo y ofrece tonos naturales sin apariencia metálica o brillante. Las películas de Hüper Optik® Select, tienen extraordinarias propiedades de rechazo de calor sin afectar la visibilidad. Debido a su baja reflectividad, mantiene una vista natural tanto de día como de noche.

Fig. 2.7 Estructura a nivel microscópico

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CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

BENEFICIOS DE HÜPER OPTIK SELECT



Extraordinario desempeño en rechazo de calor.



100% libre de tintes por lo que no cambiara de color ni se decolorará; es la elección inteligente.



Rechaza hasta el 54% del total de energía solar lo que permite contar con un ambiente más fresco.



Bloquea el 99.9% de rayos UV, evitando la decoloración de bienes y al mismo tiempo brinda un ambiente mas saludable para la piel y los ojos.



Rechaza hasta un 83% de rayos infrarrojos reduciendo significativamente el calor.



Debido a su transmisión de luz visible, permite aprovechar durante más tiempo la luz natural con el mejor desempeño.



Su baja reflexión de luz, es semejante a la de un vidrio claro. Evita el efecto espejo en ventanas.



Reduce el deslumbramiento obteniendo una mayor definición de colores.



Incrementa la seguridad, manteniendo unidos los vidrios rotos en caso de accidente.



Mantiene la estética de la fachada debido a sus tonos naturales.



Ahorra energía al reducir costos de sistemas de enfriamiento.



Permite la entrada de luz natural.

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CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

VALORES CERTIFICADOS NFRC (National Fenestration Rating Council) COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR

Fig. 2.8 Coeficiente de ganancia solar

TRANSMISIÓN DE LUZ VISIBLE

Fig. 2.9 Transmisión de luz visible

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CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

FICHA TÉCNICA

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CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

INSTALACIÓN Hüper Optik es una película que se instala en la parte interior de una ventana y permite que la luz visible pase a través de esta. Debido a su tecnología selecciona los factores del espectro solar que deben ser rechazados, cuales deben ser transmitidos y en que porcentaje. El tiempo de instalación puede depender de varios factores. Se deben considerar aspectos importantes, como lo son el total de superficie de vidrio a cubrir, formas de los cristales, numero de instaladores en la obra, etc. La instalación es realizada por un equipo de profesionales capacitados por la empresa. A continuación se describen, de manera breve, los pasos para una instalación en vidrio plano.     

Limpieza completa del cristal para remover cualquier rastro de suciedad o derivados. Se debe cortar la película exactamente ala medida de la ventana. Se aplica la película sobre el cristal, eliminando el exceso de agua con un razador. La aplicación de sellador en las orillas es altamente recomendable, especialmente en la serie metalizada. Evitar que se talle y se laven las ventanas, especialmente con agentes corrosivos y abrasivos, durante el tiempo que adviertan los instaladores.

CERTIFICACIÓN CON EL SELLO FIDE Hüper Optik cuenta con el sello FIDE, el cual se otorga a productos que comprueban al FIDE, mediante documentación técnica y reportes de prueba emitidos por laboratorios acreditados (nacionales o extranjeros), que sus productos son sobresalientes en el uso eficiente de la energía eléctrica, o que por sus propiedades o atributos ayudan a disminuir el consumo de la misma.

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CAPITULO II AISLANTES TÉRMICOS

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.1

DATOS DEL MUNICIPIO DONDE SE UBICA EL PROYECTO

La Ciudad de Xalapa está situada en las faldas del cerro de Macuiltépetl y las estribaciones orientales del Cofre de Perote, en la zona de transición entre la Sierra Madre Oriental y la planicie costera del Golfo de México. Su altura se encuentra a 1,427 metros sobre el nivel del mar colindando con los municipios de: Banderilla, Coatepec, Emiliano Zapata, San Andrés Tlalnehuayocan, Naolinco y Jilotepec.

Fig. 3.1 Xalapa en el contexto nacional

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

Xalapa en el contexto estatal

Fig. 3.2 Principales ciudades de Veracruz

En el mapa se presentan las ciudades de mayor tamaño en el Estado de Veracruz. Xalapa, la capital, tiene una situación geográfica estratégica por situarse en el centro del estado. IDENTIFICACIÓN Cabecera Municipal: Xalapa de Enríquez. Población Total: 413,136 habitantes* Localidades: 58 Localización: Zona Central. Superficie: 118.45 Kms2. Principales Lenguas: Náhuatl y Totonaca. Actividad Económica: Servs. Comun. y Soc., Comercio, Servs. Pers. y Mant. Porcentaje de Pob: 0.68 %. *Fuente: INEGI Conteo de Población y vivienda 2005

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

Fig. 3.3 Alrededores de Xalapa

El municipio de Xalapa colinda al norte con los municipios de Banderilla, Jilotepec y Naolinco; al este con Naolinco y Emiliano Zapata, al sur con Emiliano Zapata y Coatepec; y al oeste con Coatepec, Tlalnehuayocan y Banderilla. Las principales localidades son la ciudad de Xalapa-Enríquez, cabecera de su municipio, y las congregaciones de El Castillo, Chiltoyac, Tronconal, Colonia Seis de Enero, San Antonio, Paso del Toro y Las Cruces. Sus elevaciones Principales son: Cerro Macuiltepec: 1580 m.s.n.m. Cerro Colorado: 1480 m.s.n.m. Cerro Gordo: 980 m.s.n.m. Precipitación media anual: 1421.1 mm. Corrientes de agua: Sedeño, Sordo, Paso Hondo, La Palma, Ojo Zarco, Negro, Chorreado.

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

Topografía Se encuentra en una accidentada e irregular topografía, la cual hace que las calles de Xalapa sean tortuosas, estrechas y quebradas, y por ubicarse en este tipo de suelo, Xalapa luce especialmente bella, ya que permiten sus pendientes disfrutar de una gran variedad de paisajes, como lucen las cumbres señoriales del Citlaltépetl (Pico de Orizaba), siendo este el volcán más alto de la República Mexicana o el Nauhcampatépetl (Cofre de Perote) que deriva su nombre de la caprichosa forma de su cumbre. Clima El clima es húmedo y variado, teniendo una temperatura máxima de 34.3 °C y una mínima desde los 5 hasta los 10 °C por las mañanas. La altitud de la ciudad oscila desde los 1,250 m.s.n.m hasta los 1,560 m.s.n.m. Teniendo una Temperatura Media Anual de 18 °C y un clima templado húmedo. Las nevadas en invierno son comunes en Perote, Veracruz, ubicado a 35 minutos de esta Capital.

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.2

DESCRIPCIÓN DEL LUGAR OBJETIVO DEL PROYECTO

El edificio de referencia esta situado en la calle Ignacio Allende No.155 en la ciudad de Xalapa, Veracruz, cuenta con cuatro plantas y tiene un área de 736.4 metros cuadrados de superficie de cristal en su fachada principal, que será el objeto de estudio. Como ya se menciono, el edificio esta constituido por cuatro niveles, de los cuales el 2do y el tercero cuentan en su fachada con la mayor dimensión en lo que respecta a vidrios.

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

SITUACIÓN ACTUAL DEL EDIFICIO Actualmente en el edificio divisional se emplean vidrios tintados para mitigar el calor generado por las altas temperaturas, tecnología que es poco eficiente debido a que reduce en muy poca proporción la ganancia calorífica, lo que trae como consecuencia el uso excesivo de los equipos de aire acondicionado, los cuales son consumidores de grandes cantidades de energía eléctrica.

COMPOSICIÓN DE LA FACHADA PRINCIPAL La tabla 3.1 indica las propiedades del vidrio que esta instalado en la fachada principal del edificio divisional, muestra el coeficiente de transferencia de calor, el factor de sombra, el coeficiente de ganancia solar y la cantidad de luz visible que permite pasar el vidrio.

TIPO DE FACHADA

U (W/m2 °K)

COEFICIENTE DE SOMBRA

COEFICIENTE DE GANANCIA DE CALOR SOLAR (SHGC)

TRANSMISIÓN DE LUZ VISIBLE

Vidrio tintado de 8 mm de espesor

1.16

.32

.68

.60

Tabla 3.1 Propiedades del vidrio tintado

En las imágenes 3.4 y 3.5 se puede apreciar la composición y vista de la fachada principal del edificio divisional:

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

Fig. 3.4 Fachada principal del edificio

Fig. 3.5 Fachada principal del edifico

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.3

ANTECEDENTES DEL CONSUMO DE ENERGÍA

En el siguiente apartado se mostraran los consumos e importes de energía eléctrica que presentaron en el edificio de la División Oriente de la CFE en el año 2009 y en los meses que han transcurrido del año 2010, esta información, en particular la del año 2010 será tomada más adelante como referencia para hacer una estimación de la energía que se emplea específicamente en los equipos de enfriamiento.

2009 CONSUMOS: Consumo de Energía ( KWh) del edificio divisional Planta

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviembre

Diciembre

TERCERA

15,133

13,383

14,640

13,766

14,508

16,179

17,369

15,731

15,254

16,323

12,493

12,089

SEGUNDA

22,942

21,966

25,455

25,557

28,003

27,924

29,114

27,116

26,325

29,183

23,620

25,183

PRIMERA PLANTA BAJA

7,520

9,760

8,800

8,640

8,320

8,160

8,320

8,960

8,960

8,960

8,160

8,640

8,480

10,400

10,400

12,640

11,360

12,640

13,760

14,720

12,800

12,960

12,640

8,800

54,075

55,509

59,295

60,603

62,191

64,903

68,563

66,527

63,339

67,426

56,913

54,712

GASTO MENSUAL EN KWh

Tabla 3.2 Consumo de energía del 2009

Fig. 3.9 Consumo de energía 2009

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

IMPORTES: Importe de Energía ( $) del edificio divisional Planta

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviembre

Diciembre

TERCERA

$31,551

$27,507

$27,705

$27,072

$27,320

$28,123

$30,112

$30,250

$28,107

$31,119

$26,801

$28,310

SEGUNDA

$43,840

$41,854

$46,139

$46,538

$47,761

$45,232

$47,924

$47,934

$46,163

$52,698

$47,046

$53,936

PRIMERA

$26,739

$20,015

$17,079

$17,197

$15,722

$14,927

$14,845

$16,129

$17,030

$16,920

$16,060

$17,586

PLANTA BAJA

$32,348

$25,930

$28,056

$34,340

$32,234

$32,260

$33,057

$33,608

$29,648

$31,614

$33,026

$22,804

GASTO MENSUAL EN $

$134,478.00

$115,306.00

$118,979.00

$125,147.00

$123,037.00

$120,542.00

$125,938.00

$127,921.00

$120,948.00

$132,351.00

$122,933.00

$122,636.00

Tabla 3.3 Importe de energía del 2009

Fig. 3.7 Importes de energía del 2009

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

2010 CONSUMOS: Consumo de Energía ( KWh) del edificio divisional Planta

Enero Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto Septiembre

Octubre

TERCERA

11,740

11,599

12,989

14,462

16,493

16,952

16,156

16,315

14,590

14,177

SEGUNDA

24,951

22,139

24,570

24,781

30,070

32,777

32,504

32,225

31,943

28,922

PRIMERA

9,440

8,320

8,960

9,120

8,160

8,960

9,920

8,960

9,920

9,440

PLANTA BAJA

9,760

9,120

9,440

11,200

12,320

17,760

20,000

14,560

15,680

13,280

GASTO MENSUAL EN 55,891 KWh

51,178

55,959

59,563

67,043

76,449

78,580

72,060

72,133

65,819

Tabla 3.4 Consumo de energía del 2010

Fig. 3.8 Consumo de energía del 2010

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

IMPORTES:

Importe de Energía ( $) del edificio divisional Planta

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

TERCERA

$17,085

$18,658

$20,409

$21,450

$23,782

$24,696

$23,454

$23,549

$21,327

$19,258

SEGUNDA

$34,193

$32,768

$37,161

$35,999

$40,633

$44,399

$44,868

$44,039

$44,365

$37,390

PRIMERA PLANTA BAJA

$13,262

$11,647

$13,398

$13,587

$12,384

$12,794

$14,194

$13,437

$14,316

$13,781

$18,784

$17,143

$14,575

$22,633

$24,271

$30,664

$35,445

$27,375

$27,430

$24,495

$83,324.00

$80,216.00

$85,542.69

$93,669.00

$101,070.00

$112,553.00

$117,961.00

$108,400.00

$107,438.00

$94,924.00

GASTO MENSUAL EN $

Tabla 3.5 Importe de energía 2010

Fig. 3.9 Importe de energía 2010

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.4 SUPERFICIE TOTAL PARA EL ANÁLISIS DE RADIACIÓN SOLAR A continuación se presenta la superficie de la fachada principal, se mostrara la cantidad y el numero de placas de vidrio que componen a cada uno de los niveles del edificio así como también el área de estas.

a (m) 2 0.96 1.26 1.21 0.96

PLANTA BAJA h (m) Cantidad 1.88 21 2.04 2 2.39 4 2.45 2 0.1 216

Área x Nivel (m²)

NIVEL 2 A (m²) 78.96 3.92 12.05 5.93 20.74 121.6

a (m)

Cantidad

h (m)

A (m²)

0.96

0.78

20

14.98

0.86

0.78

20

13.42

0.96

1.64

20

31.49

1.78

3.37

20

119.97

1.44

3.37

2

9.71

0.96

0.1

77

7.39

Área x Nivel (m²)

NIVEL 1

196.95

a (m)

h (m)

Cantidad

A (m²)

0.96

0.78

20

14.98

0.86

0.78

20

13.42

a (m)

h (m)

Cantidad

A (m²)

0.96

1.64

22

34.64

0.96

1.64

21

33.06

1.78

3.37

20

119.97

1.78

3.37

20

119.97

1.44

3.37

2

9.71

1.44

3.37

2

9.71

1.78

2.51

2

8.94

0.96

0.57

6

3.28

0.77

1.48

2

2.28

0.96

0.46

1

0.44

2

2.25

1

4.5

0.96

0.25

3

0.72

0.97

0.3

2

0.58

0.96

0.1

377

36.19

0.96

0.1

62

5.95

NIVEL 3

Área x Nivel (m²) Área x Nivel (m²)

203.38

214.96

ÁREA TOTAL (m²) 736.869 Tabla 3.6 Áreas y número de las placas de vidrio

Página | 68

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.4.1 RADIACIÓN SOLAR PROMEDIO EN LA CIUDAD DE XALAPA En la siguiente tabla se mostrarán los promedios de la radiación solar que incidió sobre la ciudad de Xalapa en los meses de enero a octubre del año 2010, se muestran un rango que va desde las 11 a.m hasta las 4 p.m en donde se presentaron los valores mas elevados así como un grafico en donde indican los picos de la radiación. Los promedios que se muestran al final de la tabla se tomarán para desarrollar el balance de energía para el edificio. PROMEDIOS MENSUALES POR HORA HORA

ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE

11:00-11:50

129

147

259

313

409

259

392

457

282

316

12:00-12:50

258

284

443

475

628

443

554

608

441

508

13:00-13:50

356

397

592

605

786

686

680

642

499

636

14:00-14:50

462

452

622

646

821

767

787

645

591

638

15:00-15:50

464

468

603

572

753

769

761

615

539

581

16:00-16:50

402

468

558

477

627

658

699

549

434

545

PROMEDIO

345

369

513

515

671

597

646

586

464

537

Tabla 3.7 Promedios mensuales de radiación solar

Fig. 3.10 Representación grafica de la radiación solar

Página | 69

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

Una vez obtenidos estos promedios, los utilizaremos para realizar los cálculos de transferencia de calor por radiación que ocurren hacia el interior de las oficinas del edificio.

3.5 PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ESTUDIO Como ya se menciono en el capitulo anterior, la mayor ganancia de calor en un edificio o habitación se debe a los acristalamientos, ya que por sus propiedades, permiten que un gran porcentaje de la radiación solar que incide sobre ellos sea transmitida hacia el interior. Debido a esto es necesario el empleo del aire acondicionado para contrarrestar los efectos de la radiación solar. Con base a lo anterior, la metodología que se va desarrollar en las tablas siguientes consta de tomar como premisa que el calor que logra atravesar la placa de vidrio es el que se tiene que combatir con la refrigeración del equipo de aire acondicionado, esto para tener un ambiente equilibrado que proporcione confort dentro de las oficinas. Los primeros cálculos se harán en base al calor que logran transmitir los vidrios tintados que tienen diferentes propiedades al vidrio convencional y después se tomara en cuenta la película de control solar y sus propiedades reflectivas y de transmisión de calor. Esto se explicara de una mejor manera a continuación. En primer lugar se va a realizar el estudio en condiciones normales del edificio, es decir, sin la aplicación de la película aislante, para este procedimiento se tomaran en cuenta el numero de placas de un mismo tamaño por el área de cada una de las secciones de vidrio y esto a su vez se multiplica por el promedio de radiación del mes correspondiente. En tablas se mostraran los diferentes conceptos y valores requeridos por la formula. Los cálculos y resultados estarán especificados para cada uno de los niveles del edificio y se harán tomando en cuenta aproximadamente 6 horas en las que se presentaron las cantidades mas elevadas de radiación solar. La expresión matemática se muestra a continuación:

Página | 70

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

Qrad = Nplacas · Aplacas · SHGC · Rad. Solar Ec. 3.1 El segundo estudio se hará para cuando sea aplicada la película aislante, este procedimiento no se llevara a cabo como el estudio anterior, sino que se tomaran los resultados obtenidos de los primeros cálculos para después multiplicarlos por el coeficiente de ganancia de calor solar de la película aislante, de esta manera se obtendrán los resultados a los que se pudo llegar. A continuación se presentan los cálculos que se desarrollaron para ambos estudios, indicándose los resultados por cada uno de los niveles, así como los resultados finales.

Página | 71

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.5.1

ESTUDIO EN CONDICIONES NORMALES DEL EDIFICIO

En las tablas siguientes se expondrán los cálculos de transferencia de calor por radiación que se hicieron para cada uno de los 10 meses que van del año 2010, las tablas indican las aéreas de las placas, la cantidad de radiación solar promedio que se presento y el coeficiente de ganancia solar del vidrio tintado.

ENERO TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE ENERO PLANTA BAJA a (m) h (m)

Cantidad

A (m²)

RADIACIÓN SOLAR (W/m²)

2 0.96 1.26 1.21 0.96

1.88 2.04 2.39 2.45 0.1

21 2 4 2 216

78.96 3.92 12.05 5.93 20.74

345 345 345 345 345

0.96 0.86 0.96 1.78 1.44 1.78 0.77 2 0.97 0.96

0.78 0.78 1.64 3.37 3.37 2.51 1.48 2.25 0.3 0.1

20 20 22 20 2 2 2 1 2 62

14.98 13.42 34.64 119.97 9.71 8.94 2.28 4.5 0.58 5.95

345 345 345 345 345 345 345 345 345 345

0.96 0.86 0.96 1.78 1.44 0.96

0.78 0.78 1.64 3.37 3.37 0.1

20 20 20 20 2 77

14.98 13.42 31.49 119.97 9.71 7.39

345 345 345 345 345 345

0.96 1.78 1.44 0.96 0.96 0.96 0.96

1.64 3.37 3.37 0.57 0.46 0.25 0.1

21 20 2 6 1 3 377

33.06 119.97 9.71 3.28 0.44 0.72 36.19

345 345 345 345 345 345 345

COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR DEL VIDRIO

TOTAL DE RADIACIÓN SOLAR TRANSMITIDA (W)

EQUIVALENCIA EN BTU/Hr

18,538.26 919.59 2,828.07 1,392.01 4,868.41

63,270.50 3,138.52 9,652.12 4,750.90 16,615.72

3,516.07 3,149.81 8,132.04 28,167.07 2,278.68 2,097.90 535.11 1,056.51 136.64 1,397.41

12,000.24 10,750.22 27,754.40 96,133.34 7,777.08 7,160.08 1,826.32 3,605.84 466.36 4,769.33

3,516.07 3,149.81 7,392.76 28,167.07 2,278.68 1,735.50

12,000.24 10,750.22 25,231.28 96,133.34 7,777.08 5,923.20

7,762.40 28,167.07 2,278.68 770.83 103.68 169.04 8,497.17

26,492.84 96,133.34 7,777.08 2,630.82 353.85 576.93 29,000.58

0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 NIVEL 1 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 NIVEL 2 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 NIVEL 3 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68

Tabla 3.8 Resultados para el mes de enero

Página | 72

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

FEBRERO TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE FEBRERO PLANTA BAJA RADIACIÓN SOLAR (W/m²)

COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR DEL VIDRIO

78.96

369

0.68

19,825.05

67,662.30

2

3.92

369

0.68

983.42

3,356.38

4

12.05

369

0.68

3,024.38

10,322.10

2

5.93

369

0.68

1,488.64

5,080.67

216

20.74

369

0.68

5,206.34

17,769.07

a (m)

h (m)

2

1.88

21

0.96

2.04

1.26

2.39

1.21

2.45

0.96

0.1

Cantidad A (m²)

TOTAL DE EQUIVALENCIA RADIACIÓN SOLAR EN BTU/Hr TRANSMITIDA (W)

NIVEL 1 0.96

0.78

20

14.98

369

0.68

3,760.13

12,833.21

0.86

0.78

20

13.42

369

0.68

3,368.45

11,496.42

0.96

1.64

22

34.64

369

0.68

8,696.51

29,680.92

1.78

3.37

20

119.97

369

0.68

30,122.23

102,806.25

1.44

3.37

2

9.71

369

0.68

2,436.85

8,316.91

1.78

2.51

2

8.94

369

0.68

2,243.53

7,657.08

0.77

1.48

2

2.28

369

0.68

572.26

1,953.09

2

2.25

1

4.5

369

0.68

1,129.85

3,856.13

0.97

0.3

2

0.58

369

0.68

146.13

498.73

0.96

0.1

62

5.95

369

0.68

1,494.41

5,100.38

NIVEL 2 0.96

0.78

20

14.98

369

0.68

3,760.13

12,833.21

0.86

0.78

20

13.42

369

0.68

3,368.45

11,496.42

0.96

1.64

20

31.49

369

0.68

7,905.92

26,982.66

1.78

3.37

20

119.97

369

0.68

30,122.23

102,806.25

1.44

3.37

2

9.71

369

0.68

2,436.85

8,316.91

0.96

0.1

77

7.39

369

0.68

1,855.96

6,334.34

NIVEL 3 0.96

1.64

21

33.06

369

0.68

8,301.21

28,331.79

1.78

3.37

20

119.97

369

0.68

30,122.23

102,806.25

1.44

3.37

2

9.71

369

0.68

2,436.85

8,316.91

0.96

0.57

6

3.28

369

0.68

824.34

2,813.44

0.96

0.46

1

0.44

369

0.68

110.88

378.42

0.96

0.25

3

0.72

369

0.68

180.78

616.98

0.96

0.1

377

36.19

369

0.68

9,086.99

31,013.60

Tabla 3.9 Resultados para el mes de febrero

Página | 73

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

MARZO TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE MARZO PLANTA BAJA RADIACIÓN SOLAR (W/m²)

COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR DEL VIDRIO

TOTAL DE EQUIVALENCIA RADIACIÓN SOLAR EN BTU/Hr TRANSMITIDA (W)

a (m)

h (m)

2

1.88

21

78.96

513

0.68

27,541.71

93,999.02

0.96

2.04

2

3.92

513

0.68

1,366.20

4,662.81

1.26

2.39

4

12.05

513

0.68

4,201.58

14,339.85

1.21

2.45

2

5.93

513

0.68

2,068.07

7,058.26

0.96

0.1

216

20.74

513

0.68

7,232.84

24,685.46

Cantidad A (m²)

NIVEL 1 0.96

0.78

20

14.98

513

0.68

5,223.72

17,828.39

0.86

0.78

20

13.42

513

0.68

4,679.58

15,971.26

0.96

1.64

22

34.64

513

0.68

12,081.52

41,233.85

1.78

3.37

20

119.97

513

0.68

41,846.94

142,822.32

1.44

3.37

2

9.71

513

0.68

3,385.37

11,554.16

1.78

2.51

2

8.94

513

0.68

3,116.79

10,637.51

0.77

1.48

2

2.28

513

0.68

795.00

2,713.30

2

2.25

1

4.5

513

0.68

1,569.63

5,357.09

0.97

0.3

2

0.58

513

0.68

203.01

692.85

0.96

0.1

62

5.95

513

0.68

2,076.09

7,085.64

NIVEL 2 0.96

0.78

20

14.98

513

0.68

5,223.72

17,828.39

0.86

0.78

20

13.42

513

0.68

4,679.58

15,971.26

0.96

1.64

20

31.49

513

0.68

10,983.20

37,485.32

1.78

3.37

20

119.97

513

0.68

41,846.94

142,822.32

1.44

3.37

2

9.71

513

0.68

3,385.37

11,554.16

0.96

0.1

77

7.39

513

0.68

2,578.37

8,799.91

NIVEL 3 0.96

1.64

21

33.06

513

0.68

11,532.36

39,359.59

1.78

3.37

20

119.97

513

0.68

41,846.94

142,822.32

1.44

3.37

2

9.71

513

0.68

3,385.37

11,554.16

0.96

0.57

6

3.28

513

0.68

1,145.20

3,908.53

0.96

0.46

1

0.44

513

0.68

154.03

525.71

0.96

0.25

3

0.72

513

0.68

251.14

857.13

0.96

0.1

377

36.19

513

0.68

12,623.98

43,085.26

Tabla 3.10 Resultados para el mes de marzo

Página | 74

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

ABRIL TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE ABRIL PLANTA BAJA COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR DEL VIDRIO

TOTAL DE RADIACIÓN SOLAR TRANSMITIDA (W)

EQUIVALENCIA EN BTU/Hr

515

0.68

27,632.55

94,309.05

3.92

515

0.68

1,370.71

4,678.19

12.05

515

0.68

4,215.43

14,387.15

2

5.93

515

0.68

2,074.89

7,081.54

216

20.74

515

0.68

7,256.69

24,766.88

RADIACIÓN Cantidad A (m²) SOLAR (W/m²)

a (m)

h (m)

2

1.88

21

78.96

0.96

2.04

2

1.26

2.39

4

1.21

2.45

0.96

0.1

NIVEL 1 0.96

0.78

20

14.98

515

0.68

5,240.95

17,887.19

0.86

0.78

20

13.42

515

0.68

4,695.01

16,023.94

0.96

1.64

22

34.64

515

0.68

12,121.37

41,369.86

1.78

3.37

20

119.97

515

0.68

41,984.96

143,293.38

1.44

3.37

2

9.71

515

0.68

3,396.54

11,592.27

1.78

2.51

2

8.94

515

0.68

3,127.07

10,672.59

0.77

1.48

2

2.28

515

0.68

797.62

2,722.25

2

2.25

1

4.5

515

0.68

1,574.80

5,374.76

0.97

0.3

2

0.58

515

0.68

203.67

695.14

0.96

0.1

62

5.95

515

0.68

2,082.94

7,109.01

NIVEL 2 0.96

0.78

20

14.98

515

0.68

5,240.95

17,887.19

0.86

0.78

20

13.42

515

0.68

4,695.01

16,023.94

0.96

1.64

20

31.49

515

0.68

11,019.43

37,608.96

1.78

3.37

20

119.97

515

0.68

41,984.96

143,293.38

1.44

3.37

2

9.71

515

0.68

3,396.54

11,592.27

0.96

0.1

77

7.39

515

0.68

2,586.88

8,828.93

NIVEL 3 0.96

1.64

21

33.06

515

0.68

11,570.40

39,489.41

1.78

3.37

20

119.97

515

0.68

41,984.96

143,293.38

1.44

3.37

2

9.71

515

0.68

3,396.54

11,592.27

0.96

0.57

6

3.28

515

0.68

1,148.98

3,921.42

0.96

0.46

1

0.44

515

0.68

154.54

527.44

0.96

0.25

3

0.72

515

0.68

251.97

859.96

0.96

0.1

377

36.19

515

0.68

12,665.62

43,227.37

Tabla 3.11 Resultados para el mes de abril

Página | 75

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

MAYO TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE MAYO PLANTA BAJA COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR DEL VIDRIO

TOTAL DE RADIACIÓN SOLAR TRANSMITIDA (W)

EQUIVALENCIA EN BTU/Hr

671

0.68

36,011.56

122,906.34

3.92

671

0.68

1,786.35

6,096.75

4

12.05

671

0.68

5,493.68

18,749.76

2.45

2

5.93

671

0.68

2,704.06

9,228.87

0.96

0.1

216

20.74

671

0.68

9,457.14

32,276.92

0.96

0.78

20

14.98

671

0.68

6,830.16

23,311.11

0.86

0.78

20

13.42

671

0.68

6,118.68

20,882.87

0.96

1.64

22

34.64

671

0.68

15,796.92

53,914.42

1.78

3.37

20

119.97

671

0.68

54,716.04

186,744.17

1.44

3.37

2

9.71

671

0.68

4,426.47

15,107.39

1.78

2.51

2

8.94

671

0.68

4,075.29

13,908.84

0.77

1.48

2

2.28

671

0.68

1,039.48

3,547.72

2

2.25

1

4.5

671

0.68

2,052.33

7,004.54

0.97

0.3

2

0.58

671

0.68

265.43

905.92

0.96

0.1

62

5.95

671

0.68

2,714.55

9,264.67

RADIACIÓN Cantidad A (m²) SOLAR (W/m²)

a (m)

h (m)

2

1.88

21

78.96

0.96

2.04

2

1.26

2.39

1.21

NIVEL 1

NIVEL 2 0.96

0.78

20

14.98

671

0.68

6,830.16

23,311.11

0.86

0.78

20

13.42

671

0.68

6,118.68

20,882.87

0.96

1.64

20

31.49

671

0.68

14,360.84

49,013.11

1.78

3.37

20

119.97

671

0.68

54,716.04

186,744.17

1.44

3.37

2

9.71

671

0.68

4,426.47

15,107.39

0.96

0.1

77

7.39

671

0.68

3,371.29

11,506.13

0.96

1.64

21

33.06

671

0.68

15,078.88

51,463.76

1.78

3.37

20

119.97

671

0.68

54,716.04

186,744.17

1.44

3.37

2

9.71

671

0.68

4,426.47

15,107.39

0.96

0.57

6

3.28

671

0.68

1,497.38

5,110.51

0.96

0.46

1

0.44

671

0.68

201.40

687.38

0.96

0.25

3

0.72

671

0.68

328.37

1,120.73

0.96

0.1

377

36.19

671

0.68

16,506.21

56,335.19

NIVEL 3

Tabla 3.12 Resultados para el mes de mayo

Página | 76

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

JUNIO TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE JUNIO PLANTA BAJA RADIACIÓN SOLAR (W/m²)

COEFICIENTE TOTAL DE DE GANANCIA EQUIVALENCIA RADIACIÓN SOLAR SOLAR DEL EN BTU/Hr TRANSMITIDA (W) VIDRIO

a (m)

h (m)

2

1.88

21

78.96

597

0.68

32,060.86

109,422.72

0.96

2.04

2

3.92

597

0.68

1,590.37

5,427.90

1.26

2.39

4

12.05

597

0.68

4,890.99

16,692.78

1.21

2.45

2

5.93

597

0.68

2,407.41

8,216.40

0.96

0.1

216

20.74

597

0.68

8,419.63

28,735.94

Cantidad A (m²)

NIVEL 1 0.96

0.78

20

14.98

597

0.68

6,080.84

20,753.73

0.86

0.78

20

13.42

597

0.68

5,447.42

18,591.88

0.96

1.64

22

34.64

597

0.68

14,063.90

47,999.66

1.78

3.37

20

119.97

597

0.68

48,713.34

166,257.12

1.44

3.37

2

9.71

597

0.68

3,940.85

13,450.01

1.78

2.51

2

8.94

597

0.68

3,628.20

12,382.95

0.77

1.48

2

2.28

597

0.68

925.44

3,158.51

2

2.25

1

4.5

597

0.68

1,827.18

6,236.10

0.97

0.3

2

0.58

597

0.68

236.31

806.54

0.96

0.1

62

5.95

597

0.68

2,416.75

8,248.28

0.96

0.78

20

14.98

597

0.68

6,080.84

20,753.73

0.86

0.78

20

13.42

597

0.68

5,447.42

18,591.88

0.96

1.64

20

31.49

597

0.68

12,785.36

43,636.05

1.78

3.37

20

119.97

597

0.68

48,713.34

166,257.12

1.44

3.37

2

9.71

597

0.68

3,940.85

13,450.01

0.96

0.1

77

7.39

597

0.68

3,001.44

10,243.83

NIVEL 2

NIVEL 3 0.96

1.64

21

33.06

597

0.68

13,424.63

45,817.85

1.78

3.37

20

119.97

597

0.68

48,713.34

166,257.12

1.44

3.37

2

9.71

597

0.68

3,940.85

13,450.01

0.96

0.57

6

3.28

597

0.68

1,333.11

4,549.86

0.96

0.46

1

0.44

597

0.68

179.31

611.97

0.96

0.25

3

0.72

597

0.68

292.35

997.78

0.96

0.1

377

36.19

597

0.68

14,695.37

50,154.85

Tabla 3.13 Resultados para el mes de junio

Página | 77

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

JULIO TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE JULIO PLANTA BAJA RADIACIÓN SOLAR (W/m²)

COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR DEL VIDRIO

78.96

646

0.68

34,658.75

118,289.25

2

3.92

646

0.68

1,719.24

5,867.72

2.39

4

12.05

646

0.68

5,287.30

18,045.40

1.21

2.45

2

5.93

646

0.68

2,602.48

8,882.18

0.96

0.1

216

20.74

646

0.68

9,101.87

31,064.41

6,573.57

22,435.41

a (m)

h (m)

2

1.88

21

0.96

2.04

1.26

Cantidad A (m²)

TOTAL DE EQUIVALENCIA RADIACIÓN SOLAR EN BTU/Hr TRANSMITIDA (W)

NIVEL 1 0.96

0.78

20

14.98

646

0.68

0.86

0.78

20

13.42

646

0.68

5,888.83

20,098.39

0.96

1.64

22

34.64

646

0.68

15,203.50

51,889.07

1.78

3.37

20

119.97

646

0.68

52,660.58

179,728.95

1.44

3.37

2

9.71

646

0.68

4,260.18

14,539.87

1.78

2.51

2

8.94

646

0.68

3,922.20

13,386.34

0.77

1.48

2

2.28

646

0.68

1,000.43

3,414.45

2

2.25

1

4.5

646

0.68

1,975.23

6,741.41

0.97

0.3

2

0.58

646

0.68

255.46

871.89

0.96

0.1

62

5.95

646

0.68

2,612.57

8,916.64

0.96

0.78

20

14.98

646

0.68

6,573.57

22,435.41

0.86

0.78

20

13.42

646

0.68

5,888.83

20,098.39

0.96

1.64

20

31.49

646

0.68

13,821.36

47,171.88

1.78

3.37

20

119.97

646

0.68

52,660.58

179,728.95

1.44

3.37

2

9.71

646

0.68

4,260.18

14,539.87

0.96

0.1

77

7.39

646

0.68

3,244.65

11,073.89

NIVEL 2

NIVEL 3 0.96

1.64

21

33.06

646

0.68

14,512.43

49,530.48

1.78

3.37

20

119.97

646

0.68

52,660.58

179,728.95

1.44

3.37

2

9.71

646

0.68

4,260.18

14,539.87

0.96

0.57

6

3.28

646

0.68

1,441.13

4,918.53

0.96

0.46

1

0.44

646

0.68

193.84

661.56

0.96

0.25

3

0.72

646

0.68

316.04

1,078.63

0.96

0.1

377

36.19

646

0.68

15,886.14

54,218.90

Tabla 3.14 Resultados para el mes de julio

Página | 78

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

AGOSTO TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE AGOSTO PLANTA BAJA COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR DEL VIDRIO

TOTAL DE RADIACIÓN SOLAR TRANSMITIDA (W)

EQUIVALENCIA EN BTU/Hr

586

0.68

31,470.33

107,407.27

3.92

586

0.68

1,561.08

5,327.92

4

12.05

586

0.68

4,800.90

16,385.32

2.45

2

5.93

586

0.68

2,363.06

8,065.07

0.1

216

20.74

586

0.68

8,264.55

28,206.65

RADIACIÓN Cantidad A (m²) SOLAR (W/m²)

a (m)

h (m)

2

1.88

21

78.96

0.96

2.04

2

1.26

2.39

1.21 0.96

NIVEL 1 0.96

0.78

20

14.98

586

0.68

5,968.84

20,371.47

0.86

0.78

20

13.42

586

0.68

5,347.09

18,249.44

0.96

1.64

22

34.64

586

0.68

13,804.86

47,115.56

1.78

3.37

20

119.97

586

0.68

47,816.09

163,194.85

1.44

3.37

2

9.71

586

0.68

3,868.27

13,202.28

1.78

2.51

2

8.94

586

0.68

3,561.38

12,154.87

0.77

1.48

2

2.28

586

0.68

908.40

3,100.34

2

2.25

1

4.5

586

0.68

1,793.52

6,121.24

0.97

0.3

2

0.58

586

0.68

231.96

791.68

0.96

0.1

62

5.95

586

0.68

2,372.23

8,096.35

NIVEL 2 0.96

0.78

20

14.98

586

0.68

5,968.84

20,371.47

0.86

0.78

20

13.42

586

0.68

5,347.09

18,249.44

0.96

1.64

20

31.49

586

0.68

12,549.87

42,832.32

1.78

3.37

20

119.97

586

0.68

47,816.09

163,194.85

1.44

3.37

2

9.71

586

0.68

3,868.27

13,202.28

0.96

0.1

77

7.39

586

0.68

2,946.16

10,055.15

NIVEL 3 0.96

1.64

21

33.06

586

0.68

13,177.36

44,973.94

1.78

3.37

20

119.97

586

0.68

47,816.09

163,194.85

1.44

3.37

2

9.71

586

0.68

3,868.27

13,202.28

0.96

0.57

6

3.28

586

0.68

1,308.55

4,466.05

0.96

0.46

1

0.44

586

0.68

176.00

600.70

0.96

0.25

3

0.72

586

0.68

286.96

979.40

0.96

0.1

377

36.19

586

0.68

14,424.70

49,231.05

Tabla 3.15 Resultados para el mes de agosto

Página | 79

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

SEPTIEMBRE TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE SEPTIEMBRE PLANTA BAJA RADIACIÓN SOLAR (W/m²)

COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR DEL VIDRIO

78.96

464

0.68

24,930.01

85,085.37

2

3.92

464

0.68

1,236.65

4,220.65

2.39

4

12.05

464

0.68

3,803.15

12,980.05

1.21

2.45

2

5.93

464

0.68

1,871.96

6,388.95

0.96

0.1

216

20.74

464

0.68

6,546.97

22,344.61

4,728.37

16,137.77

a (m)

h (m)

2

1.88

21

0.96

2.04

1.26

Cantidad A (m²)

TOTAL DE EQUIVALENCIA RADIACIÓN SOLAR EN BTU/Hr TRANSMITIDA (W)

NIVEL 1 0.96

0.78

20

14.98

464

0.68

0.86

0.78

20

13.42

464

0.68

4,235.83

14,456.75

0.96

1.64

22

34.64

464

0.68

10,935.87

37,323.77

1.78

3.37

20

119.97

464

0.68

37,878.72

129,278.91

1.44

3.37

2

9.71

464

0.68

3,064.35

10,458.52

1.78

2.51

2

8.94

464

0.68

2,821.23

9,628.79

0.77

1.48

2

2.28

464

0.68

719.61

2,456.01

2

2.25

1

4.5

464

0.68

1,420.78

4,849.09

0.97

0.3

2

0.58

464

0.68

183.75

627.15

0.96

0.1

62

5.95

464

0.68

1,879.22

6,413.73

NIVEL 2 0.96

0.78

20

14.98

464

0.68

4,728.37

16,137.77

0.86

0.78

20

13.42

464

0.68

4,235.83

14,456.75

0.96

1.64

20

31.49

464

0.68

9,941.70

33,930.70

1.78

3.37

20

119.97

464

0.68

37,878.72

129,278.91

1.44

3.37

2

9.71

464

0.68

3,064.35

10,458.52

0.96

0.1

77

7.39

464

0.68

2,333.87

7,965.44

0.96

1.64

21

33.06

464

0.68

10,438.78

35,627.24

1.78

3.37

20

119.97

464

0.68

37,878.72

129,278.91

1.44

3.37

2

9.71

464

0.68

3,064.35

10,458.52

0.96

0.57

6

3.28

464

0.68

1,036.60

3,537.90

0.96

0.46

1

0.44

464

0.68

139.43

475.86

0.96

0.25

3

0.72

464

0.68

227.33

775.85

0.96

0.1

377

36.19

464

0.68

11,426.89

38,999.62

NIVEL 3

Tabla 3.16 Resultados para el mes de septiembre

Página | 80

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

OCTUBRE TABLA DE RESULTADOS PARA EL MES DE OCTUBRE PLANTA BAJA RADIACIÓN SOLAR (W/m²)

COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR DEL VIDRIO

78.96

537

0.68

28,848.29

98,458.31

2

3.92

537

0.68

1,431.02

4,884.01

2.39

4

12.05

537

0.68

4,400.90

15,020.13

1.21

2.45

2

5.93

537

0.68

2,166.18

7,393.10

0.96

0.1

216

20.74

537

0.68

7,575.96

25,856.53

5,471.53

18,674.16

a (m)

h (m)

2

1.88

21

0.96

2.04

1.26

Cantidad A (m²)

TOTAL DE EQUIVALENCIA RADIACIÓN SOLAR EN BTU/Hr TRANSMITIDA (W)

NIVEL 1 0.96

0.78

20

14.98

537

0.68

0.86

0.78

20

13.42

537

0.68

4,901.58

16,728.93

0.96

1.64

22

34.64

537

0.68

12,654.66

43,189.98

1.78

3.37

20

119.97

537

0.68

43,832.15

149,597.78

1.44

3.37

2

9.71

537

0.68

3,545.97

12,102.29

1.78

2.51

2

8.94

537

0.68

3,264.65

11,142.15

0.77

1.48

2

2.28

537

0.68

832.71

2,842.02

2

2.25

1

4.5

537

0.68

1,644.09

5,611.23

0.97

0.3

2

0.58

537

0.68

212.64

725.72

0.96

0.1

62

5.95

537

0.68

2,174.58

7,421.78

NIVEL 2 0.96

0.78

20

14.98

537

0.68

5,471.53

18,674.16

0.86

0.78

20

13.42

537

0.68

4,901.58

16,728.93

0.96

1.64

20

31.49

537

0.68

11,504.24

39,263.62

1.78

3.37

20

119.97

537

0.68

43,832.15

149,597.78

1.44

3.37

2

9.71

537

0.68

3,545.97

12,102.29

0.96

0.1

77

7.39

537

0.68

2,700.69

9,217.37

0.96

1.64

21

33.06

537

0.68

12,079.45

41,226.80

1.78

3.37

20

119.97

537

0.68

43,832.15

149,597.78

1.44

3.37

2

9.71

537

0.68

3,545.97

12,102.29

0.96

0.57

6

3.28

537

0.68

1,199.53

4,093.95

0.96

0.46

1

0.44

537

0.68

161.34

550.65

0.96

0.25

3

0.72

537

0.68

263.05

897.80

0.96

0.1

377

36.19

537

0.68

13,222.86

45,129.22

NIVEL 3

Tabla 3.17 Resultados para el mes de octubre

Página | 81

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

Como se puede apreciar en las tablas anteriores la mayor cantidad de radiación solar recibida por el edificio fue en los meses de mayo y julio mientras que en los meses de enero y febrero se presentaron las ganancias mas bajas. En la siguiente tabla se da un resumen de la ganancia de calor por radiación solar en cada uno de los niveles del edificio.

GANANCIA DE CALOR POR RADIACIÓN (kW) ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE PLANTA BAJA NIVEL 1

599

611

975

936

1,165

1,086

1,174

1,066

845

933

1,060

1,079

1,724

1,655

2,059

1,920

2,076

1,885

1,493

1,649

NIVEL 2

971

989

1,580

1,516

1,886

1,759

1,902

1,727

1,368

1,511

NIVEL 3

1,003

1,021

1,632

1,566

1,948

1,817

1,964

1,783

1,413

1,560

TOTAL (KW)

3,633

3,700

5,912

5,673

7,057

6,582

7,116

6,461

5,118

5,654

Tabla 3.18 Ganancias de calor por radiación

A continuación se presentan los valores de la ganancia solar directa o energía total que fue recibida por el edificio durante los 10 meses de estudio, estos resultados fueron obtenidos tomando en cuenta las 6 horas de incidencia que se mostraron en la tabla 3.7.

GANANCIA SOLAR (KW)

HORAS DE INCIDENCIA

ENERGÍA SOLAR DIRECTA (KWH)

PLANTA BAJA

9,390

6

56,339

NIVEL 1

16,600

6

99,603

NIVEL 2

15,210

6

91,259

NIVEL 3

15,706

6

94,238

TOTAL (KWH)

341,439

Tabla 3.19 Energía solar directa en condiciones normales

Página | 82

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.5.2

ESTUDIO CON LA PELÍCULA DE CONTROL SOLAR

Una vez realizados los cálculos para las condiciones normales del edificio se hará el cálculo utilizando la película de control solar, cuyas propiedades ya se mencionaron en el capitulo 2. Para este estudio solo se tomaran los valores de la energía solar total que fue ganada por el edifico en condiciones normales, que se presentaron en la tabla anterior, y el coeficiente de ganancia solar. La expresión matemática que se va a utilizar es:

Qdir = Qincidente · SHGC

Ec. 3.2

En la tabla que sigue que presentan los cálculos realizados para el análisis usando el aislante térmico y las propiedades del mismo.

GANANCIA SOLAR (KWh)

COEFICIENTE DE GANANCIA SOLAR

GANANCIA SOLAR DIRECTA (KWh)

PLANTA BAJA

56,339

0.46

25,916.07

NIVEL 1

99,603

0.46

45,817.19

NIVEL 2

91,259

0.46

41,979.34

NIVEL 3

94,238

0.46

43,349.28

TOTAL (KWh)

157,062

Tabla 3.19 Energía solar directa con Hüper Optik

Se puede observar que la cantidad de energía total que es recibida por los cristales del edificio cuando es aplicada la película aislante disminuye significativamente, con lo cual logramos que el ambiente en el interior sea agradable y no sea necesario utilizar o se usen en menor proporción los equipos de aire acondicionado.

Página | 83

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

Diferencia de energía resultado del balance Una vez realizados los dos estudios energéticos se procede a elaborar el cálculo en donde se compruebe si existe un ahorro de energía y cual es su proporción, el procedimiento consiste en una simple diferencia entre la energía que se recibe con el implemento de la película aislante y la energía que es recibida teniendo condiciones normales en el edificio, esta información se ve en la tabla que sigue:

AHORRO DE ENERGÍA Anual Sin Hüper Optik

Anual Con Hüper Optik

AHORRO KWh

PLANTA BAJA

56,339.27

25,916.07

30,423.21

NIVEL 1

99,602.59

45,817.19

53,785.40

NIVEL 2

91,259.44

41,979.34

49,280.10

NIVEL 3

94,237.57

43,349.28

50,888.29

TOTAL (KWh)

184,376.99

Tabla 3.20 Ahorro de energía

Como se aprecia en la tabla es evidente y significativo el ahorro de energía que se pudo lograr con la implementación de la película Hüper Optik en los 10 meses que se estudiaron, este ahorro además de traer beneficios económicos para la empresa también brinda muchos beneficios al medio ambiente ya que se dejan de emitir gases de efecto invernadero.

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.5.3 AHORRO

A continuación se mostraran los diferentes tipos de ahorros que se obtuvieron a partir del estudio realizado en el edifico, también se señalaran los costos que conlleva el uso de los equipos de refrigeración para disminuir el calor que ha sido generado tanto con la aplicación del aislamiento térmico como sin el. Por otro lado, es importante señalar que para realizar los cálculos relacionados con los costos, se reviso la tarifa eléctrica a la cual esta conectado el edificio, siendo esta la HM y de a cuerdo a CFE "esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en media tensión, con una demanda de 100 kilowatts o más". Cabe mencionar que el precio de esta tarifa no es un valor fijo, es decir, es variable de acuerdo a la hora del día, por lo que para la elaboración de este trabajo se tomo un precio promedio por kWH consumido en cada nivel del edificio.

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.5.3.1

COSTO DE LA PELÍCULA HÜPER OPTIK

Para comenzar el análisis de costos primero debemos saber cual es el precio del producto que se va a utilizar, que en este caso será una película aislante, para esto se realizaron las mediciones correspondientes para conocer la totalidad de superficie que será cubierta por este material (descrito en el capitulo 3), una vez obtenida esta información se solicito una cotización a la empresa HÜPER OPTIK sucursal en la ciudad de Veracruz, la que se describirá a continuación. Cabe señalar que los precios que se exponen en la cotización se manejan en dólares, y para realizar la evaluación económica se acudió a la página del BANCO DE MÉXICO en donde se obtuvo el precio del mismo el día 1 de noviembre tomándose el valor de $12.35 pesos.

Página | 86

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.5.3.2

COSTOS POR REFRIGERACIÓN

En las siguientes tablas se presentaran los costos estimados por refrigeración en el edificio para los 10 meses de estudio del año 2010, estos valores fueron obtenidos para condiciones normales y para cuando se instalo la película aislante Hüper Optik. Condiciones normales En la tabla se indican en primer lugar el calor ganado por cada uno de los niveles, luego su equivalencia unidades británicas y en la ultima columna los gastos que se generaron por contrarrestar ese calor con los equipos de aire acondicionado. GANANCIA SOLAR DIRECTA

EQUIVALENTE EN BTU/Hr

COSTO ANUAL POR REFRIGERACIÓN $

PLANTA BAJA

56,339

192,284.21

$102,886.68

NIVEL 1

99,603

339,940.58

$145,617.94

NIVEL 2

91,259

311,465.65

$126,922.26

NIVEL 3

94,238

321,629.94

$138,333.50

TOTAL $

$513,760.38

Tabla 4.1 Costos por refrigeración en condiciones normales

Como se puede apreciar en la tabla anterior, los gastos generados por disminuir el calor fueron considerablemente elevados tomando en consideración que el gasto total del edificio para sus usos propios fue de $985,097.69 pesos, lo que quiere decir que del total de la energía del edificio un 52.15% fue destinado para refrigeración.

Fig. 4.1 Uso de la energía

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CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

Costos con Hüper Optik Ahora se mostraran los valores para cuando esté instalada la película de control solar, al igual que la tabla anterior se indicaran los valores de la energía solar que se tratara de reducir, el valor que representa en el sistema británico y el importe generado por el uso de la energía que se empleó en refrigeración.

GANANCIA SOLAR DIRECTA

EQUIVALENTE EN BTU/Hr

COSTO ANUAL POR REFRIGERACIÓN $

PLANTA BAJA

25,916

88,450.74

47,327.87

NIVEL 1

45,817

156,372.67

66,984.25

NIVEL 2

41,979

143,274.20

58,384.24

NIVEL 3

43,349

147,949.77

63,633.41

TOTAL $

$236,329.77

Tabla 4.2 Costos por refrigeración con Hüper Optik

Como notamos en esta tabla, el costo que tiene que absorber la empresa por conceptos de refrigeración cuando se supone estaría instalada la película aislante disminuyen en gran porcentaje con respecto a las condiciones normales, esto equivale a tener un magnifico ahorro de energía y por consiguiente un ahorro económico. Es evidente que con la instalación de la película de control solar el consumo de energía en aire acondicionado se reduce en gran proporción, lo que trae consigo un resultado positivo para la empresa en cuando a economía se refiere, ya que entre menor cantidad de energía se consume menor es gasto que tienen que hacer.

Página | 88

CAPITULO III BALANCE TÉRMICO

3.5.3.3

AHORRO ECONÓMICO

En este apartado se hará un comparativo de costos de la energía utilizada para la refrigeración, en condiciones normales y con la película Hüper Optik, para obtener el ahorro neto que se hubiese obtenido en los 10 meses de estudio. AHORRO ECONÓMICO Anual Sin Hüper Optik $

Anual Con Hüper Optik $

AHORRO $

PLANTA BAJA

102,886.68

47,327.87

55,558.81

NIVEL 1

145,617.94

66,984.25

78,633.69

NIVEL 2

126,922.26

58,384.24

68,538.02

NIVEL 3

138,333.50

63,633.41

74,700.09

TOTAL $

$277,430.60

Tabla 4.3 Ahorro económico

Como se observa en la tabla gracias a la aplicación del aislante térmico se logro una importante reducción de $277,430.60 en costos, esto representa el 54% del total que se gasto en el uso de los equipos de enfriamiento. En la siguiente figura se muestran los ahorros que se lograron obtener en los 10 meses.

Fig. 4.2 Ahorro

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CAPITULO IV COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

CAPITULO IV COSTO – BENEFICIO DEL PROYECTO

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CAPITULO IV COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

En este capitulo se describirá el análisis de costo-beneficio del proyecto de ahorro de energía, mediante dos métodos que nos ayudaran a saber la viabilidad del proyecto y el tiempo en que podremos recuperar la inversión inicial. Estos métodos serán el del Valor Presente Neto (VPN) y el de la Tasa Interna de Retorno (TIR).

Página | 91

CAPITULO IV COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

4.1

ESTUDIO ECONÓMICO

Debido a que no se pudo obtener la información requerida para poder hacer proyecciones de costos de energía y por consiguiente sacar los ahorros, se supondrá que los ahorros y los consumos de energía que se obtuvieron para el año 2010 serán los mismos para los siguientes 10 años. Esta información será de vital importancia ya que con ella se trataran de estimar el tiempo de recuperación de la inversión y por consiguiente la viabilidad del proyecto. En el apartado siguiente se hablara de los dos métodos que se emplearán para obtener la rentabilidad del proyecto, se dará una breve explicación para después aplicarlos.

Página | 92

CAPITULO IV COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

4.2

MÉTODO DEL VALOR PRESENTE NETO.

El Valor presente neto es un método de evaluación de proyectos de inversión que consiste en determinar el valor presente de los flujos de fondos del negocio, usando la tasa de descuento acorde al rendimiento mínimo esperado, la cual debe ser mayor a la tasa de interés. Para calcular el valor presente neto, la inversión requerida inicial debe considerarse con signo negativo desde el periodo cero, de manera que un resultado positivo significará rendimientos superiores a la tasa de descuento utilizada; por el contrario, un resultado negativo indicará que el rendimiento estará por debajo de la tasa de descuento demostrando así que el proyecto no es viable. En el proceso de los flujos de fondos, las cantidades que signifiquen inversión deberán mostrarse con signo negativo, en tanto que la generación de fondos deben tener signo positivo; esto se debe a que una inversión es una salida de flujos y la generación son entradas. La fórmula para calcular el Valor Presente Neto se da a continuación:

Donde: VPN = es el Valor Presente Neto Ft = es el flujo de efectivo neto o total Io = es la inversión inicial n = es el numero de periodos considerados i = Tipo de interés

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CAPITULO IV COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

Criterios usados por el VPN 

 

Si resulta que el VPN es positivo (VPN>0), la rentabilidad de la inversión es mayor que la tasa actualizada o de rechazo. En consecuencia, el proyecto se acepta. Si el VPN es cero (VPN=0), entonces la rentabilidad es igual a la tasa de rechazo, por lo que el proyecto puede considerarse aceptable. Si el VPN es negativo (VPN a 0, esto nos indica que la rentabilidad de la inversión es mayor que la tasa actualizada o de rechazo.

Página | 95

CAPITULO IV COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

4.3

MÉTODO DE LA TASA INTERNA DE RETORNO (TIR)

La tasa interna de retorno (TIR), es la tasa que iguala el valor presente neto a cero. La tasa interna de retorno también es conocida como la tasa de rentabilidad producto de la reinversión de los flujos netos de efectivo dentro de la operación propia del negocio y se expresa en porcentaje. También es conocida como Tasa crítica de rentabilidad cuando se compara con la tasa mínima de rendimiento requerida (tasa de descuento) para un proyecto de inversión específico. La evaluación de los proyectos de inversión cuando se hace con base en la Tasa Interna de Retorno, toman como referencia la tasa de descuento. Si la Tasa Interna de Retorno es mayor que la tasa de descuento, el proyecto se debe aceptar pues estima un rendimiento mayor al mínimo requerido, siempre y cuando se reinviertan los flujos netos de efectivo. Por el contrario, si la Tasa Interna de Retorno es menor que la tasa de descuento, el proyecto se debe rechazar pues estima un rendimiento menor al mínimo requerido. Se calcula con la siguiente expresión:

Donde: Ft = es el flujo de efectivo neto o total Io = es la inversión inicial n = es el numero de periodos considerados TIR = Tasa Interna de Retorno

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CAPITULO IV COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

4.3.1 APLICACIÓN AL PROYECTO DE LA TIR Ahora se desarrollara la formula 4.2 con los valores ya obtenidos:

TIR = 13 % De acuerdo a lo que se menciono con anterioridad, EL PROYECTO DEBE ACEPTARSE ya que el resultado de los cálculos muestra que la TIR es mayor a la tasa de interés que manejamos del 4.5%.

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CAPITULO IV COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

4.4

TIEMPO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN

El Período de Recuperación, es el número de años que la empresa tarda en recuperar la inversión en un determinado proyecto. Es utilizado para medir la viabilidad de un proyecto. El Periodo de Recuperación basa sus fundamentos en la cantidad de tiempo que debe utilizarse, para recuperar la inversión, sin tener en cuenta los intereses. Es decir, que si un proyecto tiene un costo total y por su implementación se espera obtener un ingreso futuro, identifica el tiempo total en que se recuperará la inversión inicial. Este método selecciona aquellos proyectos mutuamente excluyentes cuyos beneficios permiten recuperar más rápidamente la inversión, es decir, cuanto más corto sea el periodo de recuperación de la inversión mejor será el proyecto, o bien, la decisión de invertir se toma comparando este período de recuperación con algún estándar predeterminado. Es importante señalar que en la evaluación de cualquier proyecto de inversión se deben tomar en cuenta las erogaciones que se deben realizar por las tasas impositivas, es decir, siempre considerar el efecto fiscal.

Ventajas de la herramienta:  

 

Es fácil de calcular y aplicar. Es barato, por eso se emplea en la actualidad para evaluar decisiones de pequeños gastos de capital cuando el costo de los otros métodos de evaluación de proyectos, es superior a los beneficios de escoger mejores elecciones entre las alternativas. Proporciona una medición de la liquidez del proyecto o de la velocidad con que el efectivo invertido es reembolsado. Es útil para las organizaciones con escasa disponibilidad de efectivo.

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CAPITULO IV COSTO-BENEFICIO DEL PROYECTO

Desventajas:  

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El defecto de los métodos estáticos (no tienen en cuenta el valor del dinero en el tiempo). Ignora el hecho de que cualquier proyecto de inversión puede tener corrientes de beneficios o pérdidas después de superado el periodo de recuperación o reembolso, lo cual es un sesgo para los proyectos a largo plazo. Si la organización establece una fecha como límite de selección, sólo se aceptarán proyectos de corta duración.

Se calcula:

Incorporando los valores reales, la fórmula será:

Ya realizados los cálculos finales, se observa que con los ahorros que se logren en los 15 años que dura la película se puede recuperar la inversión que se hizo en un periodo corto, lo cual habla de la viabilidad del proyecto.

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CONCLUSIÓN

Una vez que se ha realizado el estudio energético en el edificio central de la división de distribución oriente, se determino que con la película aislante Hüper Optik se logra reducir en una gran proporción la cantidad de radiación solar que ingresa a las oficinas, disminuyendo así el calor en el interior, con lo cual se cumple el objetivo de reducir la energía destinada a los equipos de enfriamiento. También se hizo un estudio económico por medio de tres métodos de valoración de inversiones, llegándose a la conclusión de que el proyecto de ahorro de energía puede llevarse a cabo, ya que ofrece la posibilidad de recuperara la inversión hecha, gracias a sus ahorros, en aproximadamente 5.45 años, con lo cual se logra determinar que es factible la instalación de la película de control solar Hüper Optik en el edificio divisional de CFE.

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BIBLIOGRAFÍA  

HOLMAN, J.P, "Transferencia de calor", Editorial Mc Graw Hill. Octava edición. España. 1998 ESPINOZA MENDOZA, ADRIAN, “Calculo y selección de un aerogenerador interconectado a la red para la casa de la universidad veracruzana el conejo”. Universidad Veracruzana. México. 2010

Paginas consultadas en internet:

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