UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA REPORTE TÉCNICO NÚMERO 7

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1 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA INSTITUTO DE INGENIERÍA SISTEMAS ENERGÉTICOS REPORTE TÉCNICO NÚMERO 7 Evaluación del comportamiento térmico y energético de viviendas construidas por Ingeniería Dennis S. A. de C. V. RESUMEN EJECUTIVO DE RESULTADOS CONVENIO ESPECÍFICO DE COLABORACIÓN UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA E INGENIERÍA DENNIS, S. A. DE C. V. ESTUDIO: DISEÑO Y DESARROLLO TECNOLÓGICO DE PROTOTIPOS DE VIVIENDA DE ALTA EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA EL MERCADO MEDIO RESIDENCIAL, PROYECTO NÚMERO DE LA CONVOCATORIA DEL PROGRAMA INNOVAPYME DE CONACYT. Mexicali, B. C. Julio de.

2 INSTITUTO DE INGENIERÍA DIRECTOR DR. BENJAMIN VALDEZ SALAS COORDINADOR DEL ESTUDIO DR. HÉCTOR E. CAMPBELL RAMÍREZ ASOCIADOS DR. CARLOS PÉREZ TELLO DR. ALEJANDRO A. LAMBERT ARISTA M. I. IVAN RANGEL GAXIOLA M. I. RENÉ DELGADO RENDÓN (ESTUDIANTE DOCTORADO) ING. DIEGO RAMÓN BONILLA GARCÍA (ESTUDIANTE MAESTRÍA) ING. LUIS ANTONIO GONZÁLEZ URIBE (ESTUDIANTE DOCTORADO) ING. MARÍA ELEAZAR RAIGOZA LIMÓN (ESTUDIANTE DOCTORADO) M.I. ARMANDO PÉREZ SÁNCHEZ (ESTUDIANTE DOCTORADO) 2

3 CONTENIDO 1 Resumen 2 Introducción 3 Comportamiento energético de las viviendas (electricidad) 4 Comportamiento del envolvente de las viviendas 5 Calentador solar de agua 6 Sistema Fotovoltaico 3

4 1 RESUMEN En este resumen se presentan los resultados relevantes de la Evaluación del Comportamiento Térmico y Energético de las viviendas construidas por Ingeniería Dennis S. A. de C.V., un estudio para simular y validar experimentalmente el comportamiento térmico y energético de dos prototipos de vivienda acondicionadas para un uso eficiente de la energía contrastadas con dos viviendas similares (testigos) no acondicionadas ubicadas en Mexicali, Baja California. a) Es evidente que viviendas como las estudiadas presentan un comportamiento de eficiencia energética superior a las convencionales cuando se aísla el techo de vigueta y bovedilla así como los 4 muros y se proveen con equipos de aire acondicionado de alta eficiencia y bien dimensionados, así como el uso de refrigeradores e iluminación eficiente. b) El uso de una pulgada de aislamiento con poliestireno en muros (R= 5.67 ft 2 hr F/BTU) no es suficiente y se considera 2 pulgadas (R=9. 0 ft 2 hr F/BTU) es recomendable ya que un espesor mayor no tiene una contribución significativa en abatir las ganancias de calor. La Norma Mexicana NMX-C-460-ONNCCE-2009 señala un valor de 8 ft 2 hr F/BTU (1.40 m 2 K/W) para la zona de Mexicali para el ahorro de energía y de 5.70 ft 2 hr F/BTU como mínima. c) El uso de una pulgada de aislamiento con poliestireno en techos (R=6.63 ft 2 hr F/BTU) no es suficiente y se considera 2 pulgadas (R=9.96 ft 2 hr F/BTU) es recomendable ya que un espesor mayor no tiene una contribución significativa en abatir las ganancias de calor. La Norma Mexicana NMX-C-460-ONNCCE-2009 señala un valor de 15 ft 2 hr F/BTU (2.65 m 2 K/W) para la zona de Mexicali para el ahorro de energía y de 8 ft 2 hr F/BTU como mínima. Este valor para ahorro de energía se puede lograr con 4 pulgadas de poliestireno (R=16.62 ft 2 hr F/BTU), sin embargo la norma mencionada presenta errores de procedimiento en el cálculo de resistencias compuestas (techos de vigueta y bovedilla) en el cual sobreestima el valor de resistencia térmica, por lo cual se recomienda revisar esta norma así como la NOM 020 ENER para su actualización. d) Al evaluar el Índice de Capacidad de Aire Acondicionado Instalado (ICAA), la vivienda de un nivel prototipo con un equipo de 2 TR fue de 39 m 2 de construcción por tonelada de refrigeración (m 2 /TR), sin embargo la simulación indica que una capacidad de 1 TR es suficiente con un ICCA de 78 m 2 /TR, el problema radica que en el mercado no hay equipos para lograr los flujos de aire requeridos, la unidad paquete más baja es de 2-3 TR. Es evidente que aquí existen oportunidades de innovación tecnológica en estos equipos Por otra parte el Índice de consumo de electricidad por unidad de área de construcción (kwh/m 2 ) en promedio para el invierno fue de 3.12 kwh/m 2 y para el verano de 4.71 kwh/m 2. 4

5 e) La vivienda de un nivel testigo con una capacidad de 3 TR presentó un ICAA de 22 m 2 /TR, sin embargo la simulación indica que una capacidad de 1 TR es suficiente con un ICCA de 65 m 2 /TR, por otra parte el Índice de consumo de electricidad por unidad de área de construcción (kwh/m 2 ) en promedio para el invierno fue de 2.87 kwh/m 2, un poco menor que la vivienda 1NEy para el verano de 9.74 kwh/m 2, el doble de la vivienda de 1NE. La potencia promedio reportada para los AA son consistentes con el rendimiento (SEER 13) siendo de 0.9 kw para la vivienda 1NE y de 1 para la vivienda de 1NT. En cuanto a la potencia promedio del refrigerador fue de 143 W para la vivienda 1NE y de 114 W para la vivienda 1NT. f) La vivienda de 2 niveles prototipo con una capacidad de 2.5 TR presentó un ICAA de 39 m 2 /TR, sin embargo la simulación indica que una capacidad de 1.5 TR es suficiente con un ICCA de 65 m 2 /TR. Por otra parte el Índice de consumo de electricidad por unidad de área de construcción (kwh/m 2 ) en promedio para el invierno fue de 1.78 kwh/m 2 y para el verano de 5.34 kwh/m 2, estos últimos valores son mejores que los de la casa de 1NE. La potencia promedio reportada para el AA es consistentes con el rendimiento (SEER 13) siendo de 1.0 kw, en cuanto a la potencia promedio del refrigerador fue de 128 W para la vivienda 2NE g) Se concluye que existe un sobredimensionamiento de los equipos de AA en el mercado al utilizar un ICCA de 20 m 2 /TR recomendándose un valor mínimo de 40 m 2 /TR a mejorarse al evolucionar las tecnologías en AA. h) Para la vivienda 1NE la simulación pronosticó un consumo anual de 3932 kwh y el consumo medido fue de 5085 desviándose significativamente en agosto y septiembre donde el residente realizó las obras de ampliación. Las celdas FV contribuyeron con el 37% del consumo, de tal forma que CFE reportó la diferencia por 3230 kwh. En lo que se refiere a facturación el estimado de la simulación fue por $2584, siendo el valor de consumo de $3833 contribuyendo las celdas FV con $1255 (39%) y facturando CFE $1985. i) Para la vivienda 1NT la simulación pronosticó un consumo anual de 3258 kwh y el consumo medido fue de 2845 kwh mismo valor reportado por CFE. En lo que se refiere a facturación el estimado de la simulación fue por $2420, siendo el valor de consumo de $2107 y facturando CFE $2150. j) Para la vivienda 2NE la simulación pronosticó un consumo anual de 4559 kwh y el consumo medido fue de Las celdas FV contribuyeron con 55% del consumo (2149 kwh), de tal forma que CFE reportó la diferencia por 1762 kwh. En lo que se refiere a facturación el estimado de la simulación fue por $3024, siendo el valor de consumo de $2695 contribuyendo las celdas FV con $1508 (60%) y facturando CFE $1013. k) Las conclusiones relevantes en este aspecto es que en estas viviendas se está abatiendo significativamente los consumos de electricidad contrastando con 5

6 otras viviendas tradicionales. Que una vez lograda la eficiencia energética la contribución de las energías renovables se vuelve significativa si bien queda mucho terreno por avanzar en abatir los costos de inversión en los sistemas FV y en el desarrollo de sistemas de financiamiento, pues al abatir los consumos se entra en los intervalos de bajo precio de las tarifas eléctricas (subsidios), recomendándose en estos casos dirigir el subsidio a los usuarios y no a las tarifas. l) Otra recomendación importante es que el efecto del uso y costumbres de los usuarios impacta significativamente las acciones de ahorro y uso eficiente de la energía (EE) así como el desarrollo de las energías renovables (ER), de tal forma que no es fácil comparar vivienda versus vivienda con usuarios de conducta diferente. Se recomienda desarrollar programas de cultura energética para inducir el mercado de EE y ER. m) La evaluación del comportamiento del envolvente indico que en las viviendas con 2 pulgadas de aislamiento se logra mantener mejor las condiciones de confort que en las viviendas con 1 pulgada de aislamiento tanto en verano como en invierno. Las temperaturas de superficie exterior además de demostrar la importancia del sombreado en el sembrado de las viviendas nos permite validar y mejorar los paquetes de computación (software) utilizados en la simulación. Las temperaturas interiores nos permiten analizar también el comportamiento de los sistemas de acondicionamiento ambiental dado que la energía térmica tiene que transferirse al aire desde las superficies interiores, de allí la importancia de las propiedades de acabado y ópticas así como la circulación de aire. n) El análisis de los perfiles de temperatura validará el hecho de que en regiones como Mexicali desde el punto de vista térmico no es significativo si el aislante es colocado en la parte interior, exterior o integral al envolvente, lo cual permitirá incidir sobre los métodos constructivos y sobre los materiales de construcción. o) En lo que se refiere a calentadores solares de agua, se concluye que su inversión se recupera en tiempo razonable (5-6 años) con respecto a su vida útil por el ahorro de energía convencional (gas o electricidad), pero las lecciones aprendidas nos hacen recomendar: a. Capacitar a fabricantes, proveedores e instaladores para detonar el mercado en regiones como Mexicali donde las temperaturas de invierno operan las válvulas anticongelantes y en verano se alcanzan situaciones de riesgo. Al respecto se recomienda cambiar las válvulas anticongelantes por calefactores eléctricos para impedir que se abata la temperatura debajo de 3 C y para el verano se realizaron pruebas de cobertura del captador con mallas para mantener la temperatura debajo de 60 C, situación mejor que variar el ángulo de inclinación. 6

7 b. Capacitar a fabricantes, proveedores e instaladores en el uso de sistemas de respaldo (calentadores de gas y eléctricos) para que operen adecuadamente con los calentadores solares en los controles de flujo, temperatura y presión. c. Actualizar los diseños hidráulicos de las viviendas para hacerlos compatibles con los sistemas de calentadores solares de agua para evitar pérdidas térmicas así como alteraciones de flujo y presiones. d. Se requiere capacitar a los usuarios para administrar la energía del sistema modificando sus patrones de uso del agua caliente p) Para los sistemas Fotovoltaicos en el simulador HOMER se estimó una producción de 1,955 kwh/año, mientras tanto con el simulador RETScreen se estimó una generación de 1,837 kwh/año, en los monitoreos se obtuvieron valores anuales de 1855 kwh para 1NE y 1949 kwh para 2NE. Se puede observar que los sistemas superan la cantidad de watts generados en comparación con las cantidades que previamente estimó el simulador, si bien los totales anuales son consistentes. q) Las lecciones aprendidas indican que se requiere un mejor conocimiento de la forma en que CFE maneja el banco de energía para realizar mejor los balances al cruzar la información simulada con la medida y la reportada. Las mediciones puntuales nos permitirán evaluar mejor el comportamiento real de la eficiencia tanto de las celdas como de los inversores por efectos de temperatura, polvos, cambios en la radiación por nublados y sombreados, polvo sobre las superficies así como la estabilidad de las líneas de suministro (variaciones de voltaje). r) Finalmente las experiencias de monitoreo nos permitiran desarrollar mejores sistemas no invasivos con transmisión telemétrica de datos y de comandos de control, lo cual tiene que combinarse con el diseño de los sistemas de servicios de la vivienda (El éctricos, agua, gas) de tal forma de avanzar hacia sistemas inteligentes así como en el desarrollo de software de evaluación y control 7

8 2 INTRODUCCIÓN En este séptimo Reporte Técnico se presenta un Resumen Ejecutivo de los resultados relevantes de la Evaluación del Comportamiento Térmico y Energético de las viviendas construidas por Ingeniería Dennis S. A. de C.V., quien solicitó al Departamento de Sistemas Energéticos del Instituto de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California la realización de un estudio para simular y validar experimentalmente el comportamiento térmico y energético de dos prototipos de vivienda acondicionadas para un uso eficiente de la energía contrastadas con dos viviendas similares (testigos) no acondicionadas ubicadas en Mexicali, Baja California, al ser construidas con los materiales y método constructivos utilizados por esta empresa. Los objetivos principales fueron: a) Realizar la simulación del comportamiento térmico de las viviendas mencionadas para evaluar las ganancias de calor, el potencial de ahorro de electricidad y su comportamiento bioclimático en los diferentes casos propuestos, b) Evaluar para cada uno de los casos propuestos la demanda de electricidad de la vivienda, el consumo mensual y la facturación mensual por servicio eléctrico en un verano típico de Mexicali, c) Evaluar y contrastar con las viviendas testigo para cada uno de los dos prototipos propuestos los impactos energéticos, económicos, sociales y ambientales al utilizar nuevos sistemas de iluminación, equipo de aire acondicionado de alta eficiencia, uso de electrodomésticos de alta eficiencia, tecnologías de ventilación, uso de calentadores de agua con sistema solar, uso de celdas fotovoltaicas, el uso de termostatos programables, el uso de monitores de consumo de energía y la medición telemétrica del consumo de energía, y d) Validar la simulación realizada y sus resultados mediante mediciones en campo de los cuatro casos durante el verano y en Mexicali, Baja California. Las viviendas objeto de este estudio están construidas con muros de block de concreto (12x20x40) y techos de vigueta y bovedilla (bovedilla de 17 cm con área de vigueta de 28%) de de uno y dos niveles. La vivienda de un nivel con un área construida de 65 m 2, modelo NATURA el prototipo (modificado con una ampliación en la orientación norte por lo cual el área construida es de 77.8 m 2 )fue acondicionado con 2 pulgadas de aislamiento a base de poliestireno expandido en forma de placas tanto en el techo como en los cuatro muros, se le instaló un equipo de aire acondicionado de eficiencia nominal de 13 kbtu/kwh con capacidad de 2 ton de refrigeración (TR), un panel fotovoltaico de 1.21 kw de capacidad con inversor de 1100 W de capacidad, un calentador solar de 150 litros de capacidad, un calentador de paso operado con gas natural de 5 litros por minuto (Lpm) de capacidad, un refrigerador de 615 dm 3 de capacidad, dos ventiladores de techo y lámparas led para la iluminación interior. En la alimentación eléctrica se 8

9 instaló un medidor bidireccional. La vivienda de un nivel utilizada como testigo, similar a la anterior, fue conservada su situación original con un área construida de 65 m 2 con 1 pulgada de aislamiento a base de poliestireno expandido en forma de placas tanto en el techo como en los cuatro muros, se le instaló un equipo de aire acondicionado de eficiencia 13 kbtu/kwh con capacidad de 3 ton, un calentador de paso operado con gas natural de 5 Lpm de capacidad, un refrigerador de 615 dm3 de capacidad, un ventilador de techo y lámparas fluorescentes para la iluminación interior. En la alimentación eléctrica se instaló un medidor convencional. Para las viviendas de dos niveles el esquema fue similar con un área construida de 97 m2, Modelo TERRA. El prototipo fue acondicionado con 2 pulgadas de aislamiento a base de poliestireno expandido en forma de placas tanto en el techo como en los cuatro muros, se le instaló un equipo de aire acondicionado de eficiencia nominal de 13 kbtu/kwh con capacidad de 2.5 ton de refrigeración (TR), un panel fotovoltaico de kw de capacidad con inversor de 1100 W de capacidad, un calentador solar de 150 litros de capacidad, un calentador de paso operado con gas natural de 6 litros por minuto (Lpm) de capacidad, un refrigerador de 453 dm 3 de capacidad, dos ventiladores de techo y lámparas led para la iluminación interior. En la alimentación eléctrica se instaló un medidor bidireccional. La vivienda de dos niveles utilizada como testigo, similar a la anterior con 1 pulgada de aislamiento a base de poliestireno expandido en forma de placas tanto en el techo como en los cuatro muros, se le instaló un equipo de aire acondicionado de eficiencia 13 kbtu/kwh con capacidad de 3 ton, un calentador de paso operado con gas natural de 6 lpm de capacidad, un refrigerador de 453 dm 3 de capacidad, dos ventiladores de techo y lámparas fluorescentes para la iluminación interior. En la alimentación eléctrica se instaló un medidor convencional. 9

10 3 COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO DE LAS VIVIENDAS. (Electricidad) Las viviendas fueron simuladas en su comportamiento térmico con la metodología descrita en los reportes anteriores y se realizaron monitoreos de sus consumos de electricidad. En la Figura 1 se presentan los resultados obtenidos de Julio de a Junio de para la vivienda de un nivel prototipo (1NE) en las que se presentan los consumos de energía obtenidos por la simulación, el consumo medido 1, la generación del sistema fotovoltaico y el consumo reportado por CFE 2. kwh Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Figura 1 Consumo de Energía de la vivienda 1NE (kwh) Octubre Noviembre Simulación Consumo Generación CFE Diciembre Energía $ $ $ $ $ $ $ $- Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Figura 2 Facturación por Energía de la vivienda 1NE (Pesos) En la Figura 2 se presentan las facturaciones obtenidas en la simulación, para el consumo medido de la vivienda, el valor de la generación y la facturación reportada por CFE para la vivienda 1NE. Agosto Septiembr e Octubre Noviembre Diciembre Simulación $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ Consumo $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $95.96 $ Generación $ $ $ $ $ $67.13 $22.65 $ $ $81.24 $99.96 $99.85 CFE $85.41 $30.21 $ $- $ $ $ $ $ $ $- $ Las mediciones de electricidad por telemetria iniciaron en nov. de 2 CFE está facturando del 27 de un mes al 28 del mes siguiente, las gráficas reportan del día primero al último del mes correspondiente. 10

11 Para esta vivienda la simulación pronosticó un consumo anual de 3932 kwh y el consumo medido fue de 5085 desviándose significativamente en agosto y septiembre donde el residente realizó las obras de ampliación. Las celdas FV contribuyeron con el 37% del consumo, de tal forma que CFE reportó la diferencia por 3230 kwh. En lo que se refiere a facturación el estimado de la simulación fue por $2584, siendo el valor de consumo de $3833 contribuyendo las celdas FV con $1255 (39%) y facturando CFE $1985. Esta vivienda presentó un Índice de Capacidad de Aire Acondicionado Instalado (ICAA) de 39 m 2 de construcción por tonelada de refrigeración (m 2 /TR), sin embargo la simulación indica que una capacidad de 1 TR es suficiente con un ICCA de 78 m 2 /TR, el problema radica que en el mercado no hay equipos para lograr los flujos de aire requeridos, la unidad paquete más baja es de 2-3 TR. Por otra parte el Índice de consumo de electricidad por unidad de área de construcción (kwh/m 2 ) en promedio para el invierno fue de 3.12 kwh/m 2 y para el verano de 4.71 kwh/m 2. En la Figura 3 se presentan los resultados obtenidos de Julio de a Junio de para la vivienda de un nivel Testigo (1NT) en las que se presentan los consumos de energía obtenidos por la simulación, el consumo medido, la generación del sistema fotovoltaico y el consumo reportado por CFE. kwh Energía $ $ $ $ $ $ $ $ $ $50.00 $- Enero Enero Febrero Figura 3 Consumo de Energía de la vivienda 1NT (kwh) Febrero Marzo Marzo Abril Mayo Junio Julio Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembr e Octubre Noviembre Diciembre Simulación $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ Consumo $ $ $ $ $ $ $- $- $26.98 $ $ $ Generación $- $- $- $- $- $- $- $- $- $- $- $- CFE $ $ $ $ $ $ $- $- $26.97 $ $ $ Agosto Septiembre Octubre Figura 4 Facturación por Energía de la vivienda 1NT (Pesos) Noviembre Simulación Consumo Generación CFE Diciembre 11

12 En la Figura 4 se presentan las facturaciones obtenidas en la simulación, para el consumo medido de la vivienda, el valor de la generación y la facturación reportada por CFE para la vivienda 1NT. Para esta vivienda la simulación pronosticó un consumo anual de 3258 kwh 3 y el consumo medido fue de 2845 kwh mismo valor reportado por CFE. En lo que se refiere a facturación el estimado de la simulación fue por $2420, siendo el valor de consumo de $2107 y facturando CFE $2150. Esta vivienda presento un ICAA de 22 m 2 /TR, sin embargo la simulación indica que una capacidad de 1 TR es suficiente con un ICCA de 65 m 2 /TR, por otra parte el Índice de consumo de electricidad por unidad de área de construcción (kwh/m 2 ) en promedio para el invierno fue de 2.87 kwh/m 2, un poco menor que la vivienda 1NEy para el verano de 9.74 kwh/m 2, el doble de la vivienda de 1NE. La potencia promedio 4 reportada para los AA son consistentes con el rendimiento (SEER 13) siendo de 0.9 kw para la vivienda 1NE y de 1 para la vivienda de 1NT. En cuanto a la potencia promedio del refrigerador fue de 143 W para la vivienda 1NE y de 114 W para la vivienda 1NT. En la Figura 5 se presentan los resultados obtenidos de Julio de a Junio de para la vivienda de dos niveles prototipo (2NE) en las que se presentan los consumos de energía obtenidos por la simulación, el consumo medido, la generación del sistema fotovoltaico y el consumo reportado por CFE. En la Figura 6 se presentan las facturaciones obtenidas en la simulación, para el consumo medido de la vivienda, el valor de la generación y la facturación reportada por CFE para la vivienda 2NE. Para esta vivienda la simulación pronosticó un consumo anual de 4559 kwh y el consumo medido fue de Las celdas FV contribuyeron con 55% del consumo (2149 kwh), de tal forma que CFE reportó la diferencia por 1762 kwh. En lo que se refiere a facturación el estimado de la simulación fue por $3024, siendo el valor de consumo de $2695 contribuyendo las celdas FV con $1508 (60%) y facturando CFE $1013. Esta vivienda presentó un ICAA de 39 m 2 /TR, sin embargo la simulación indica que una capacidad de 1.5 TR es suficiente con un ICCA de 65 m 2 /TR. Por otra parte el Índice de consumo de electricidad por unidad de área de construcción (kwh/m 2 ) en promedio para el invierno fue de 1.78 kwh/m 2 y para el verano de 5.34 kwh/m 2, estos últimos valores son mejores que los de la casa de 1NE. La potencia promedio reportada para el AA es consistentes con el rendimiento (SEER 13) siendo de 1.0 kw, en cuanto a la potencia promedio del refrigerador fue de 128 W para la vivienda 2NE. 3 Considerando que no fue ocupada julio y agosto de 4 Consumo entre horas de operación 12

13 kwh Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Figura 5 Consumo de Energía de la vivienda 2NE (kwh) Octubre Noviembre Simulación Consumo Generación CFE Diciembre Energía $ $ $ $ $ $ $- Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembr e Octubre Figura 6 Facturación por Energía de la vivienda 2NE (Pesos) Noviembre Diciembre Simulación $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ Consumo $ $58.76 $70.11 $ $ $ $ $ $ $ $ $ Generación $ $ $ $ $ $45.19 $ $ $ $94.52 $ $ CFE $- $- $48.03 $- $ $ $66.36 $ $ $99.30 $- $- 13

14 4 COMPORTAMIENTO DEL ENVOLVENTE DE LAS VIVIENDAS. En cada vivienda se observan los comportamientos de los muros en cuanto a su ganancia térmica o calentamiento para la casa 1NE prototipo se muestra el contraste del muro sur en invierno y verano (ver Figura 7). En invierno se destaca las mediciones en el punto exterior del muro (S3) ya que permite observar los cambios drásticos de temperatura debido a sombreados o nublados, también se nota una temperatura máxima que no supera los 30 grados. Destaca la temperatura intermedia del muro (S2) y la interior del muro (S1) las cuales se mantienen entre grados durante el día, lo que permite concluir que se conserva una temperatura dentro de la vivienda estable y uniforme gracias a las 2 pulgadas de aislamiento. Muy semejante es también durante Junio cuando el aire acondicionado se utiliza, aunque para la parte externa del muro (S3) se ven los efectos del verano con temperaturas superiores a los 40 grados. Figura 7 Temperaturas en los muros del envolvente vivienda 1NE ( C) Contrastando con la vivienda 1NT se observa para el mismo muro en los mismos días el comportamiento en la Figura 8. Destacan las temperaturas en el interior y medio del muro (S1 y S2) que se vuelven más separadas, es decir, debido al efecto de aislamiento de 1 pulgada se tiene más transferencia de calor hacia el interior en verano y al exterior en invierno. Comparando Febrero de 1NE y 1NT se observa que es más fría la casa de 1NT, en Junio se tienen temperaturas semejantes debido al aire acondicionado. Sin embargo, en 1NT durante Junio la temperatura en medio del muro (S5) es más caliente que la casa 1NE en S2, implicando una mayor cantidad de energía consumida por el aire acondicionado para remover el calor y conservar la vivienda confortable. Respecto a la vivienda 2NE se presenta para los muros sur el comportamiento en invierno mostrado en la Figura 9. En la planta baja se denota la caída de temperatura en S11 que representa la temperatura exterior del muro, indicando un efecto de sombra por otra vivienda que se encuentra al sur, aunque en verano debido a la posición del sol esta sombra desaparece. La temperatura máxima exterior va de 27 grados en invierno 14

15 durante el día hasta 43 en verano. La temperatura en la parte intermedia e interior del muro son estables debido al efecto del aislamiento de 2 pulgadas de espesor. Figura 8 Temperaturas en los muros del envolvente vivienda 1NT ( C) Figura 9 Temperaturas en los muros del envolvente vivienda 2NE en invierno ( C) Para esta misma casa se presenta en verano el comportamiento en los muros sur en la Figura 10. Con respecto a los techos se tienen comportamientos para verano como se observa en la Figura 11. En este caso en particular el comportamiento en techo en la casa 1NE es similar al muro sur de la vivienda debido a que existe un efecto de sombreado causado por el calentador solar y el sistema fotovoltaico, es decir, los puntos de medición están sombreados es por ello que las temperaturas máximas apenas superan los 40 grados en Junio. 15

16 Figura 10 Temperaturas en los muros del envolvente vivienda 2NE en verano ( C) Figura 11 Temperaturas en el techo del envolvente vivienda 1NE en verano ( C) En la vivienda 2NE se destaca las elevadas temperaturas sobre el techo tanto en la sección de viga como en casetón (TV3 y TC4), pero también las temperaturas más o menos uniformes en TV1 y TC1 las cuales representan la parte interior del techo en viga y casetón.(figura 12) En la casa de 1 nivel testigo (1NT) la temperatura en el exterior del techo (V6 y C7) es elevada como es de esperarse, pero destaca más la separación entre V4 y V5 lo que indica (al igual que los muros) que existe una mayor transferencia d e calor entre el exterior de la casa hacia el interior de esta. También se puede ver lo ya mencionado en C4 y C6.(Figura 13) 16

17 Figura 12 Temperaturas en el techo del envolvente vivienda 2NE en verano ( C) Figura 13 Temperaturas en el techo del envolvente vivienda 1NT en verano ( C) La casa de 2 niveles testigo (2N T presenta un comportamiento similar a la vivienda de 1NT en cuanto a los puntos de casetón, es decir, el comportamiento térmico es muy semejante tomando en cuenta que se muestra el mismo día para ambos casos ( Figura 14). Figura 14 Temperaturas en el techo del envolvente vivienda 2NT en verano ( C) Las temperaturas ambiente en el interior de las viviendas se comportan como se muestra en las figuras 15 a 18 comparando entre Abril cuando no se usa el aire 17

18 acondicionado y Junio cuando se requiere la utilización de este. En la vivienda 1NE se observa una curva con una tendencia durante el día, mientras que en verano se muestran las variaciones drásticas en la temperatura ambiente debidas a la entrada del aire acondicionado para regular la temperatura de confort. Figura 15 Temperaturas ambiente interno en la vivienda 1NE ( C) En vivienda 1NT en Abril se comporta semejante a la casa 1NE, sin embargo en Junio se denota mayor participación del aire acondicionado en la casa de 1NT ya que en la grafica se observan mayor numero de picos y valles, mientras que en casa 1NE son picos menores y menos frecuentes. Figura 16 Temperaturas ambiente interno en la vivienda 1NT ( C) En la vivienda de 2 niveles prototipo (2NE) el comportamiento en invierno es semejante a las dos casas anteriores, pero en verano presenta un comportamiento donde se destaca el uso de aire acondicionado por la mañana y tarde, dejando gran parte del día un periodo sin uso del aire acondicionado. 18

19 Figura 17 Temperaturas ambiente interno en la vivienda 2NE ( C) En la casa 2 niveles testigo (2NT), presenta un comportamiento como en el caso de la vivienda 1NT, donde el aire acondicionado opera con mayor frecuencia a diferencia de lo que sucede con las viviendas de 1NE y 2NE. Figura 18 Temperaturas ambiente interno en la vivienda 2NE ( C) 19

20 5 CALENTADOR SOLAR DE AGUA. Se instalaron dos calentadores solares, uno en casa 1NE y el segundo en la 2NE. Su comportamiento se muestra a continuación en la Figura.19. Figura 19 Temperaturas en calentadores solares ( C) Se observa que durante el día la temperatura de salida del captador (SALIDA CSA) alcanza hasta los 40 grados centígrados, esta ganancia térmica se refleja en la temperatura interior del tanque (TANQUE), el agua de entrada al captador (ENTRADA CSA) muestra la temperatura mínima a la que se encuentra el agua en el tanque durante el día, durante la noche las temperaturas en la entrada y salida del CSA bajan debido a que los puntos donde se miden están expuestos al medio ambiente. La curva del CALENTADOR DE PASO representa la temperatura a la salida del sistema de respaldo, permitiendo conocer la hora en que se activa, el periodo de operación y la temperatura máxima alcanzada. De esta forma se observa que el captador eleva la temperatura del agua muy cercana a la que el sistema de respaldo lo hace que es de aproximadamente 45 grados. En el mes de Mayo se hace evidente el incremento de temperatura por arriba de los 70 grados a la salida del captador, y viendo la curva del calentador de paso se denota que este no requiere ser encendido, debido al acumulamiento de energía térmica se espera que el calentador solar alcance temperaturas por arriba de los 80 grados centígrados, lo cual resulta peligroso para el usuario al momento de utilizar el agua caliente. Se colocó una malla sombra en el captador del calentador solar, de manera que se reduce la energía captada y la temperatura que el agua alcanza. Cubriendo sólo la mitad del área del colector se mantienen temperaturas máximas de hasta 60 grados en Junio. Energía aprovechada, almacenada y captada por el sistema. El calentador solar cuenta con un captador de aproximadamente 2m 2 recomendado para una vivienda hasta con 4 ocupantes. Se muestran los valores de energía de interés en la Figura

21 Figura 20 Energía en calentadores solares (kw) Se tomaron como ejemplo 4 días del mes de Abril para que en base al consumo de agua caliente medida y las temperaturas registradas en el sistema de calentamiento solar, se estime la cantidad de energía real utilizada o aprovechada por el usuario, también la energía captada por el sistema y la almacenada al fin del día en el tanque. A partir de estos datos se calcula el promedio de energía consumida, que en cada casa varía significativamente dependiendo de los usos y costumbres. Los mismos calentadores fueron simulados para las condiciones de radiación solar y temperatura predominantes en Mexicali, B.C. cubriendo el periodo de Octubre-Abril. Se obtuvieron los resultados que se muestran en la Figura 21. Considerando un consumo de 100 lts de agua caliente por día en la simulación 1 la cual proyecta el comportamiento para el periodo invernal Octubre-Abril. En el caso de la casa 1NE (130 lts/día) y la casa 2NE (40 lts/día) se simula en base a los consumos promedio registrados en cada una, que comprenden Abril y Mayo. En la simulacion2 se realiza el análisis en base a un consumo de agua caliente esperado (100 lts/día en Abril y 80 lts/día en Mayo). Figura 21 Energía útil en calentadores solares (kw/día) 21

22 La energía aprovechada es la que consume el usuario, se denota que en casa 1NE se aprovecha mayor cantidad de energía debido a la demanda que permite utilizar casi los 150 lts del tanque, mientras que en casa 2NE hay un aprovechamiento reducido debido a una baja demanda de agua caliente, es decir, la casa 2NE consume menos de 1/3 de energía respecto a la casa 1NE. Aunque también la casa 1NE supera el consumo promedio esperado para una vivienda de este tipo, denotando la diferencia entre Simulado1 y casa 1NE. Se analizaron los consumos de agua caliente a partir de Abril, por lo que se calculó el promedio de consumo de agua caliente en cada caso, mostrando un comportamiento como se muestra en la Figura 22. Figura 22 Calentadores solares, consumo de agua caliente (l/día) Se puede observar que la vivienda con mayor consumo de agua caliente por mucho es la casa 1NE). La siguiente vivienda con mayor consumo es la de 1 nivel testigo (1NT) la cual no cuenta con calentador solar, sólo con sistema de calentamiento convencional. Finalmente la vivienda de 2 niveles prototipo (casa 2NE) presenta un bajo consumo de agua caliente, es decir, los usos y costumbres entre cada caso varían significativamente haciendo difícil comparar o definir un comportamiento uniforme. Es clara la reducción en el uso de agua caliente entre Abril y Mayo, ya que la llegada del verano reduce la necesidad del uso de agua caliente para regaderas. 6 SISTEMA FOTOVOLTAICO. El monitoreo continuo del sistema fotovoltaico permitió observar su comportamiento a partir de los promedios diarios de generación de energía, como se ve en la Figura 23. De Enero hasta Mayo se observa que en los dos casos de estudio existen semejanzas en cuanto a la cantidad de watts producidos. La casa 1NE (casa 3749 en la figura) tiene un sombreado por las mañanas debido a la casa vecina de 2 niveles, en consecuencia durante la mañana existen horas durante las cuales el sol no incide sobre los paneles, por ende, las diferencias pueden ser adjudicadas a este efecto de sombreado. La figura también permite observar el incremento en la producción mes a mes. 22

23 Figura 23 Celdas Fotovoltaicas (kwh/día) El sistema fotovoltaico se simuló para un periodo anual para estimar la cantidad de energía generada. En el simulador HOMER se estimó una producción del sistema fotovoltaico de 1,955 kwh/año, mientras tanto con el simulador RETScreen se estimó una generación de 1,837 kwh/año, en los monitoreos se obtuvieron valores anuales de 1855 kwh para 1NE y 1949 kwh para 2NE. En la Figura 24 se comparan la cantidad de energía generada por los dos sistemas fotovoltaicos y lo estimado en la simulación para Febrero y Marzo. Se puede observar que los sistemas, en estos meses superan la cantidad de watts generados en comparación con las cantidades que previamente estimó el simulador, si bien los totales anuales son consistentes. Figura 24 Celdas Fotovoltaicas (W/mes) 23