Construcción y análisis de una vivienda solar activa adecuada al medio rural de la sierra peruana - Magíster en energía a Luciano RéR - Técnico mecánico Beltrán n Jordán n Guzmán - Técnico electrónico Carlos Vera Medina - Técnico electrónico Roger Flores Sapacayo - Bachiller en mecánica Jorge Montaño o VásquezV C F C
Resumen A. Presentación institucional B. Situaciones de vida C. Situación energética y medio-ambiental D. Tecnologías aplicadas - I. La vivienda solar activa - II. Análisis térmica - III. Toma de medidas en continuo - IV. El sistema de agua y desague - V. El fogón mejorado - VI. El sistema fotovoltaico domiciliario (SFD) - VII. La ducha solar - VIII. Costos de la casa solar activa E. Imágenes F. Conclusiones y agradecimientos
A. Presentación institucional Responsable : Formación: Institución: - Ing. Luciano Ré (Suiza) - Ing. mecánico, magíster en energías - Misión Belén de Immensee (ONG Suiza) - Centro de Formación Campesina de la Prelatura de Sicuani (ONG Perú) Duración proyecto: - 6 años, en su 5 año de ejecución Dirección: - Yauri / Espinar, Calle Bolívar N 500 Dpto. Cusco, Perú Tel.. / Fax: - 084 30 13 54 e-mail: - intisolar@bluemail.ch Pagina web: - www.taller-inti.org Personal: - Técnico mecánico Beltrán Jordán Guzmán - Técnico electrónico Carlos Vera Medina - Técnico electrónico Roger Flores Sapacayo - Bachiller en mecánica Jorge Montaño o VásquezV
B. Situaciones de vida Ubicación : - Provincia de Espinar una de las trece del Departamento Cusco Altitud : - en promedio 4,000msnm División política : - Ocho distritos Recursos : - el 38% de la población vive en situación de extrema pobreza (IMA 1 999) Problemáticas : - Tuberculosis - Bronquitis - Neumonía - Disentería - Infecciones intestinales - Mortalidad infantil 128 Causas : - Escasa higiene - Mala alimentación - 48% % de niños desnutridos crónicos - Educación precaria
Estadisticas de desarrollo humano en la provincia de Espinar Parámetros Variables 1993 2000 2003 Población Habitantes 58,645 63,360 67,941 Ranking 84 87 86 Índice de Desarrollo Humano IDH Ranking 0.441 119 0.517 107 0.507 113 Esperanza de Vida al nacer Años Ranking 56.29 167 63.70 151 65.5 148 Alfabetismo % 73.5 83.7 83.7 Ranking 129 89 94 Matriculación Secundaria % Ranking 51.8 98 67.9 110 73.6 106 Logro Educativo % 66.27 78.4 77.0 Ranking 117 95 99 Ingreso familiar percápita N.S./mes Ranking 79.08 74 221.8 96 193.5 140 194 Provincias a nivel Nacional Fuente: INEI: Mapa de Potencialidades
Estadisticas de desarrollo humano por distrito en la provincia de Espinar Parámetros Variables Espinar Condoroma Copora- que Occoruro Pallpata Pichigua Suyku- tambo Alto Pichigua Población Habitantes 33,508 1,118 14,939 2,244 5,885 4,890 3,418 1,939 Ranking 146 1612 341 1328 784 889 1104 1402 Índice de Desar- rollo Humano IDH Ranking 0.5591 670 0.4668 1409 0.427 1644 0.419 1671 0.527 910 0.458 1456 0.376 1792 0.529 896 Esperanza de Vida al nacer Años Ranking 67.2 1033 62.4 1660 63.6 1550 62.3 1669 63.9 1515 66.0 1234 63.2 1594 65.6 1300 Alfabetismo % 94.1 79.7 71.5 84.3 78.0 66.6 65.1 89.2 Ranking 226 1107 1437 860 1183 1584 1620 536 Matriculación Secundaria % Ranking 87.0 685 63.8 1252 49.8 1535 42.8 1653 89.2 612 59.6 1345 31.0 1771 81.8 841 Logro Educativo % 89.4 69.1 57.1 56.6 85.5 61.9 42.4 84.3 Ranking 485 1242 1563 1575 669 1436 1788 714 Ingreso familiar percápita N.S./mes./mes Ranking 202.5 1157 214.4 992 177.9 1469 181.3 1428 201.5 1176 187.4 1365 179.5 1449 177.9 1468 1,828 distritos a nivel nacional Fuente: INEI: Mapa de Potencialidades
C. Situación energética y medio-ambiental Energía a solar : - 2 200200 [kwh/m2 año] a global horizontal, durante los próximos 5 0005 millones de añosa Energía a equivalente : - Quemado de 2kg de leña por m2 y por díad - Energía a constante durante todo el añoa Energía a en uso : - Quemado de bosta (7kg por familia y por día) d leña, gas y kerosene Energía a calorífica : - Cocción n de alimentos, calentamiento de agua Pastos : - Suelos pobres, sin abono - 71% de la superficie de la provincia, pradera - 8% de la superficie de la provincia, áreas de cultivo Forestación n : - 0.16% de la superficie de la provincia son bosques naturales Petróleo : - Desde 1 9861 Perú es importador de petróleo - En 2020?? se terminarán n todas las reservas de petróleo en el Perú Gas de Camisea: - 20 / 30 años? a Cusco? Arequipa? EE.UU?
D. Tecnologías aplicadas I. La Vivienda solar activa: - El cuerpo humano se siente bien, cómodo, entre 18[ C] y 28[ C] con una humedad relativa que varía entre los 20[%] y 50[%] - El aire no debe de moverse a más de 0.1[m/s] para no provocar sensaciones de frío por de bajo de los 25[ C] - Una casa del siglo XXI debe de contar con los servicios básicos. Agua. Desague. Sistema de cocción y calefacción. Electricidad. Sistema de agua templada - Mejorar la situación n climática al interior del hogar - Mejorar la dinámica familiar al interior de la casa - Cosechar y almacenar la energía a del sol en el adobe - Trabajar a través s de tragaluces activos, uno en cada cuarto - El involucro habitativo está aislado con aire - Alcanzar temperaturas entre 22 C y 12 C día a y noche - Materiales sencillos, biodegradables, barro, paja, esteras, madera, piedras - En total 18 bolsas de cemento, tarrajeo 60%barro y 40% arena - Existen modelos de construcciones antisísmicas smicas en adobe (UNSA Arequipa)
335cm 235cm
Planta
21 diciembre (85) 21 junio (52) 21 junio (52) 21 diciembre (85) 80cm 120cm 210cm 335cm 25cm 95cm 80cm 200cm 80cm 21 junio (52) 21 diciembre (85) Elevaciones
II. Análisis térmica: Coefficientes lambda λ Metal Adobe Vidrio Calamina Cemento Aire Technopor Rollizo Paja 60.000 0.800 1.028 60.000 1.700 0.024 0.038 0.060 0.060 [W/mK] [W/mK] [W/mK] [W/mK] [W/mK] [W/mK] [W/mK] [W/mK] [W/mK] Ejemplo : Temp. Interna Temp. Externa Temp. Suelo 18-5 4 [ C] [ C] [ C] Diff.. Temp. Diff.. Temp. 23 14 [K] [K] Perdidas relativas [W/K] Objeto Paredes Ventanas Ventanas dobles Puertas Puertas aisladas Techo aislado Tragaluces Piso Total estandard Total mejorado Pérdidas [W/K] 75.0 26.9 11.1 14.9 3.2 4.9 5.2 16.9 143.8 116.3 Perdidas reales [W] Objeto Paredes Ventanas Ventanas dobles Puertas Puertas aisladas Techo aislado Tragaluces Piso Total estandard Total mejorado Pérdidas [W] 1'726.0 618.7 255.3 342.2 73.1 112.4 120.6 387.8 3'307.7 2'675.1
Pertas [W] 3'400.0 3'200.0 3'000.0 2'800.0 2'600.0 2'400.0 2'200.0 2'000.0 1'800.0 1'600.0 1'400.0 1'200.0 1'000.0 800.0 600.0 400.0 200.0 0.0 Paredes Ventanas Ventanas dobles Puertas Puertas aisladas Techo aislado Tragaluces Piso Total estandard Total mejorado Teóricamente, para lograr y mantener una temperatura interna de 18[ C C] ] con una tempera- tura externa de -5[ 5[ C] ] es suficiente desarrollar una potencia calorífica de alrededor de 3 000[W], lo que vamos a lograr con el fogón mejorado quemando un kilo de leña por hora durante las tres o cuatro horas de la noche antes de ir a la cama a (de 18.00 a las 22.00)
26 24 22 20 18 16 14 12 10-2 -4-6 -8-10 -12-14 -16 III. Toma de medidas en continuo: III. Toma de medidas en continuo: 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12-14 -16-18 Text. Tm interna Delta T Sin tragaluces Con tragaluces 26 24 22 20 18 16 14 12 Text. Tm interna Delta T 10 8 6 8 4 6 2 4 0 Text. Tm interna Delta T 2 0 09.31 h 10.51 h 12.11 h 13.31 h 14.51 h 16.11 h 17.31 h 18.51 h 20.11 h 21.31 h 22.51 h 00.11 h 01.31 h 02.51 h 04.11 h 05.31 h 06.51 h 08.11 h 09.31 h 10.51 h 12.11 h 13.31 h 14.51 h 16.11 h 17.31 h 18.51 h 20.11 h 21.31 h 22.51 h 00.11 h 01.31 h 02.51 h 04.11 h 05.31 h 06.51 h 08.11 h 09.31 h 09.28 h 10.48 h 12.08 h 13.28 h 14.48 h 16.08 h 17.28 h 18.48 h 20.08 h 21.28 h 22.48 h 00.08 h 01.28 h 02.48 h 04.08 h 05.28 h 06.48 h 08.08 h 09.28 h 10.48 h 12.08 h 13.28 h 14.48 h 16.08 h 17.28 h 18.48 h 20.08 h 21.28 h 22.48 h 00.08 h 01.28 h 02.48 h 04.08 h 05.28 h 06.48 h 08.08 h 09.28 h -2-4 -6-8 -10
26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 Con tragaluces y fogón Text. Tm interna Delta T 09.27 h 10.47 h 12.07 h 13.27 h 14.47 h 17.22 h 18.42 h 20.02 h 21.22 h 22.42 h 04.50 h 01.22 h 02.42 h 04.02 h 05.22 h 06.42 h 08.02 h 09.22 h 10.42 h 12.02 h 13.22 h 14.42 h 16.02 h 17.22 h 18.42 h 20.02 h 21.22 h 16.07 h 22.42 h 04.50 h 01.22 h 02.42 h 04.02 h 05.22 h 06.42 h 08.02 h 09.22 h Fogón, quemado 2kg de leña prendido 17.45 apagado 19.15
IV. El sistema de agua y desague: - El agua es fuente de vida - Fuente de agua propia (manantial) - Tres diferentes sistemas de bombeo, 2 solares y una bomba de ariete - Sistema de tanque de 140[l] sobreelevado, - Tres piletas, jardín, baño y cocina - Un inodoro y una ducha solar de 70[l] instalados - Las aguas servidas vienen colectadas en una poza aséptica de 2m 3
60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Altura de bombeo [m] 6.00 5.90 5.80 5.70 5.60 5.50 5.40 5.30 5.20 5.10 5.00 Potencia hidraulica [W hidr.] Potencia Electrica [W el.] Eficiencia [%] Portada [l/min] Características de la bomba a pistones Shurflo: - 12[V] DC, 7[A], H=50[m], Q=6.5[l/min min] - Flujo de bombeo casi constante entre los 5.5 y 5.9[l/min min] - Eficiencia hasta 25% con una altura de bombeo de 13[m] - Posibilidad de bombeo sin panel, solo con batería de 68[Ah] - Sistema de captación relativamente simple - La bomba tiene un costo de unos 260.-USD 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Altura de bombeo [m] 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 Potencia hidraulica [W hidr.] Potencia Electrica [W el.] Eficiencia [%] Portada [l/min] -Características de la bomba a pistones Flojet: - 12[V] DC, 7[A], H=25[m], Q=12.5[l/min min] Flujo de bombeo casi constante entre los 8 y 11[l/min min] - Eficiencia hasta 35% con una altura de bombeo de 13[m] - Posibilidad de bombeo sin panel, solo con batería de 68[Ah] - Potencia hidraulica de hasta 22[W] - Sistema de captación relativamente simple - La bomba tiene un costo de unos 300.-USD Eficiencia [%] 40 35 30 25 20 15 10 5 0 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Altura de bombeo [m] 12.00 Bomba de ariete 10.00 11/2" - 3/4" 8.00caida entrada 2[m] 6.00 4.00 2.00 0.00 eficiencia bombeo [%] Portada [l/min] -Características de la bomba de ariete: - H=13[m], Q=5[l/min min] - No necesita el suministro de ningún tipo de energía - Hasta un 85% del agua no viene elevada - Sistema de captación relativamente complicado - La bomba tiene un costo de unos 200.-USD
V El fogón mejorado: - Mejora de la armonía familiar - Expulsión de los humos tóxicos - Recuperación de la energía térmica de los humos de escape - Buena eficiencia térmica - Tres hornillas, una chimenea, un recogedor de cenizas
Análisis térmica del fogón mejorado: - Quemado de 2[kg kg] ] de leña - Hervir un litro de agua en 15[min min] - Hervir un litro de agua durante una hora y media - Mientras que la temperatura del fogón sube, la temperatura de la chimenea queda en 35[ C C] - Casi toda la energía térmica sirve para cocinar y calentar la casa (eficiencia elevada) 120.00 110.00 100.00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 Temperaturas agua y fogón T1 T2 T3 To1 To2 To3 130.00 120.00 110.00 100.00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 Temperaturas chimenea T4 T5 T6 T7 T8 17.00 17.08 17.16 17.24 17.32 17.40 17.48 17.56 18.04 18.12 18.20 18.28 18.36 18.44 18.52 19.00 19.08 17.00 17.08 17.16 17.24 17.32 17.40 17.48 17.56 18.04 18.12 18.20 18.28 18.36 18.44 18.52 19.00 19.08
VI. El Sistema Fotovoltaico Domiciliario (SFD): - + Panel Fotovoltaico 51Wp/12VDC 36 celdas Conexiones: 1. Bateria - Regulador 2. Panel - Regulador (Cable Nro12) 3. Caja de conexiones - Regulador 4. Lamparas, Radio, TV b/n - Caja de conexiones Desde el regulador, en la instalacion se utilizan cables Nro14. Las letras indican la polaridad positiva + 4 2 Bateria 53Ah/12VDC Regulador de carga 12VDC/10A Carga + - + - + - 1 + - - La energía es la sangre de la economía - La energía es una llave para el desarrollo - Ayudar a mejorar los logros educativos - Mejorar el habito de lectura - Formación de una conciencia ciudadana - Reducir la tasa de incendios - Utilizar aparatos de multimedia - Activar sistemas de cerco eléctrico - Bombear agua - Costo no superior a los 500.-USD por SFD 3 + - Lampara 1 + - Lampara 2 + - Lampara 3 + - TV + - Convertidor DC-DC Caja de conexiones 5 salidas con fusibles 4x2.5A/1x2A 1x 3/4.5/6/7.5/9VDC rojo negro Lampara 3 Lampara 2 3 Lamparas de luz blanca 11W/7'000h de vida Lampara 1
VII. La ducha solar: Temperaturas tanques 70[l] y 27[l] - La falta de aseo o una forma inadecuada de aseo son causas de enfermedades - El aseo personal con agua fría no es recomendable - La ducha se compone de un tanque de 70[l] (o 27[l]) de lata galvanizada pintada de negro que actúa como ab- sorbedor del espectro solar, un armazón de madera, un plástico que produce el efecto invernadero, una tubería Hydro (PE) que resiste a la helada y los rayos UV - 85[l] de agua a 34[ C C] - 42[l] de agua a 40[ C C] - Eficiencia térmica de: η 27l 51% y η 70l 58% - Agua caliente entre las 09.00 y las 22.00 todo el año - Costo no superior a los 60.-USD Temperaturas [ C] 90.00 85.00 80.00 75.00 70.00 65.00 60.00 55.00 50.00 45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 8.15 h 8.45 h 9.02 h 9.22 h 9.42 h 10.12 h 10.32 h 10.52 h 11.12 h 11.41 h 12.01 h 12.21 h 12.41 h 13.01 h 13.24 h 13.44 h 14.04 h 14.24 h 14.44 h Hora T1 70 T2 70 T3 70 T4 70 T5 70 T6 27 T7 27 T8 27 T9 27 T10 27 T aire
VIII. Costos de la casa solar activa: - El costo de una vivienda es un aspecto básico para la sostenibilidad de un tal proyecto - Construcción de una vivienda cómoda - Una vivienda implementada con todo tipos de conforts para llevar adelante una vida digna - La sierra peruana es uno de los lugares climatológicos más difíciles del mundo - Sequías, fuertes lluvias, granizadas, fuertes vientos, relámpagos - Diferencias de temperaturas entre el día y la noche de alrededor de 50[K] - 170 días de trabajo de los cuales 30 días efectuados por un experto local - El techo (maderas y calaminas) es la inversión más fuerte - Posibilidad de techo en paja? - El SFD también eleva bastante los costos - Costo total para materiales y trabajo no superior a los 2 300.-USD U S D 550.00 500.00 450.00 400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 M u r o s F a ls o te c h o T e c h o Puertas y Vent. Gastos casa solar Materiales y trabajo Pisos In s t. S a n ita ria Fogón In s t. e le c tric a
E. Imágenes
F. Conclusiones y agradecimientos Gracias a este trabajo estamos convencidos, y las mediciones lo demuestran, que hemos logrado presentar una vivienda solar activa, adecuada al medio rural de la sierra peruana bajo diferentes aspectos: En una vivienda de este tipo con integradas las diferentes tecnologías renovables estamos seguros que una familia se puede desarrollar de manera sana y harmoniosa. Mirando a una inversión por de bajo de los 2 500.-USD podemos decir que se ha logrado una casa cómoda, acogedora, saludable que permite y fomenta la comunicación c entre los diferentes miembros de una familia sin recurrir a una inversión demasiado elevada. Con este proyecto esperamos despertar la atención de diferentes instituciones que trabajan apoyando a las personas que más necesitan y que quieren salir adelante simplemente con nuevas ideas y opciones para una mejor y digna vida Agradezco a todo el equipo técnico del Taller Inti de Espinar como también a mi esposa y mi hija por la paciencia y el amor que me han regalado. Taller Inti,, Espinar Cusco noviembre de 2006 Ing. Luciano Ré