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• CRISTIAN RODRIGO CAROCA GUZMAN

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Ingeniería en Eficiencia Energética

Trabajo

Indicaciones: el presente trabajo representa el 20% de la nota final del curso. Se deben formar grupos de 4 o 5 personas para la resolución del siguiente problema. Problema Se desea analizar la mejor alternativa de calefacción y aislación térmica para una vivienda en base a las siguientes consideraciones: a) Antecedentes del combustible Composición en peso de los combustibles: Combustible

C

H2

O2

N2

S

Sólido (biomasa)

47

6,5

44

2,5

Líquido (fuel Oil N°6)

87,3

12,6

0,04

0,016

Gaseoso (GLP)

82,35

17,65

Cenizas*

kJ PCIkg

15.500 0,22

41.000 46.100

*

Por simplicidad las cenizas existentes en la biomasa (2,5%) y en el fuel oil (0,01%) se sumaron a la composición de nitrógeno presente. La composición de los gases de salida analizados para cada uno de los combustibles entrega las siguientes características: CO [ppm]

O2 [%v*]

Sólido (biomasa)

300

10,2

Líquido (fuel Oil N°6)

200

10,2

Gaseoso (GLP)

150

10,2

Combustible

*

Volumen de oxígeno expresado en base seca.

gH2 O El aire de entrada ingresa a 20°C y posee una humedad del 60% (9kg ) A.S.

La normativa de emisiones para el CO establece los siguientes valores máximos según el estado físico del combustible: Combustible

CO [ppm]

Sólido (biomasa)

47

Líquido (fuel Oil N°6)

87,3

Gaseoso (GLP)

82,35

Para mejorar las características de lo gases de salida a los valores descritos en la norma, se desea realizar mejoras en el proceso cuyo costo de inversión depende del flujo de contaminantes que se desea reducir. El costo asciende a $300.000 por kilogramo reducido por segundo. Por ejemplo, si el flujo de contaminantes es de: 0,542kghCO y para cumplir la norma se deben obtener valores de 0,054kghCO el costo de inversión anual será de: kg 24h 365d h ∙ d ∙ año ∙ 3.600s ∙ h

(0,542 − 0,054)

$300.000 = $356.240

Nota: la reducción de contaminantes depende de las mejoras en los procesos, como de equipos que permitan reducir las emisiones, como lo hace el convertidor catalítico de los autos.

Mauricio Bustamante Escobedo

Ingeniería en Eficiencia Energética

Trabajo

b) Antecedentes de aislación térmica Para el sistema de aislación térmica consideraremos los valores máximos de transmitancia térmica establecidos por el MINVU para las viviendas sociales (en la zona térmica N°3). Techo Muros Ventanas Puertas W

0,47m2 ℃

W

W

1,90m2 ℃

W

5,8m2 ℃

2,21m2 ℃

El cálculo de la transmitancia térmica Ut se realiza de acuerdo con la siguiente expresión: e 1 R t = R si + ∑ + R se con Ut = λ Rt Donde Rsi: es la resistencia térmica al interior de la habitación. Rse: es la resistencia térmica al exterior de la habitación. e corresponde al espesor de la pared o aislante utilizando, expresado en metros.  es la conductividad térmica de las superficies, expresadas en mWK Considere los siguientes valores para las resistencias térmicas al interior y exterior de la habitación. Utilice la configuración horizontal para la techumbre y vertical para el resto de las superficies.

La vivienda posee las siguientes características: Conductividad térmica Elemento Muro Techumbre Ventanas Puertas

Espesor m

Superficie m2

1,63

0,1

114

Madera

0,157

0,02

140

Vidrio

1,2

0,015

30

0,157

0,05

3

Material

W mK

Hormigón

Madera 3

Volumen de la habitación: 420m .

Mauricio Bustamante Escobedo

Ingeniería en Eficiencia Energética

Trabajo

Las condiciones térmicas asociadas a la ubicación geográfica corresponden a: Parámetro

Valor

Unidades

Grados día

900

[dia]

Ganancias solares

1.500

[ año ]

Ganancias internas

1.700

[ año ]

Renovaciones de aire por hora

K

kWh kWh

2

Para mejorar la aislación de la vivienda se consideran los siguientes materiales: Material Lana Mineral Poliestireno expandido Plancha yeso-cartón

Conductividad térmica W mK

Dimensiones

Costo unitario

0,037 0,0384

2,4m x 15m x 55mm 0,6m x 10m x 50mm

$16.000 $45.000

0,26

120m x 240m x 10mm

$5.000

Para la aislación de las paredes se debe considerar que el aislante (lana mineral o poliestireno) debe ir sujeto con una plancha de tabiquería, en este caso de yeso-cartón. c) Determinación de la demanda de energía La demanda térmica para la vivienda se calcula de acuerdo con la expresión: (∑ Ui ∙ Si + 0,35 ∙ n ∙ V) ∙ 24 ∙ Gd kWh Demanda = − (G + I) [ año ] 1.000 Donde 

Ui es la transmitancia térmica del elemento i en una vivienda [mW2K]



Si es la superficie del elemento i de la vivienda [m2 ]

 

n: número de renovaciones de aire por hora de una vivienda V: volumen de la vivienda [m3 ]



Gd: grados días anuales en la zona térmica en que su ubica la vivienda [℃]



G: Ganancias solares, asociadas a la energía solar [kWh ] año



I: Ganancias internas, asociadas a personas y equipos [kWh ] año



24 y 1.000 son factores de conversión (24horas días y conversión de W a kW)

d) Análisis de escenarios A partir de las condiciones descritas anteriormente se debe determinar: •

Composición de los gases de salida y exceso de aire para cada combustible, con y sin la instalación para la disminución de las emisiones.

•

Costo asociado a la instalación de la mejora en la eficiencia del proceso de combustión basándose en la disminución de las emisiones de CO.

Mauricio Bustamante Escobedo

Ingeniería en Eficiencia Energética

Trabajo

•

Demanda energética para la vivienda en las condiciones actuales.

•

Determinación del requerimiento de aislación para cumplir con los valores máximos de transmitancia térmica en cada una de las superficies (verificar que las ventanas y las puertas ya cumplen con este criterio).

•

Determinar la demanda de energética posterior a la instalación de las mejoras.

•

Analizar la mejor opción de combustible y aislación térmica, en el largo plazo considerando los siguientes costos de los combustibles, expresados en kg de combustible: Fuel Oil N°6

Gas natural

Biomasa

$ 730 [kg]

$ 1.400 [𝑘𝑔]

180 𝑘𝑔

Mauricio Bustamante Escobedo

$