Construcción y análisis de una vivienda solar activa adecuada al medio rural de la sierra peruana - Magí Magíster en energí energía Luciano Ré Ré Técnico mecá mecánico Beltrá Beltrán Jordá Jordán Guzmá Guzmán Técnico electró electrónico Carlos Vera Medina Técnico electró electrónico Roger Flores Sapacayo Bachiller en mecá mecánica Jorge Montañ Montaño Vá Vásquez C F C Resumen A. Presentación institucional B. Situaciones de vida C. Situación energética y medio-ambiental D. Tecnologías aplicadas - I. - II. - III. - IV. - V. - VI. - VII. - VIII. La vivienda solar activa Análisis térmica Toma de medidas en continuo El sistema de agua y desague El fogón mejorado El sistema fotovoltaico domiciliario (SFD) La ducha solar 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: - [email protected] 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 Vásquez 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 Población Índice de Desarrollo Humano Esperanza de Vida al nacer Alfabetismo Matriculación Secundaria Logro Educativo Ingreso familiar percápita Variables 1993 2000 2003 Habitantes 58,645 63,360 67,941 Ranking 84 87 86 IDH 0.441 0.517 0.507 Ranking 119 107 113 Años 56.29 63.70 65.5 Ranking 167 151 148 % 73.5 83.7 83.7 Ranking 129 89 94 % 51.8 67.9 73.6 Ranking 98 110 106 % 66.27 78.4 77.0 Ranking 117 95 99 N.S./mes 79.08 221.8 193.5 Ranking 74 96 140 194 Provincias a nivel Nacional Fuente: INEI: Mapa de Potencialidades Estadisticas de desarrollo humano por distrito en la provincia de Espinar Parámetros Población Índice de DesarDesarrollo Humano Esperanza de Vida al nacer Alfabetismo Matriculación Secundaria Logro Educativo Ingreso familiar percápita Variables Espinar Condoroma CoporaCoporaque Occoruro Pallpata Pichigua SuykuSuykutambo Alto Pichigua 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 IDH 0.5591 0.4668 0.427 0.419 0.527 0.458 0.376 0.529 Ranking 670 1409 1644 1671 910 1456 1792 896 Años 67.2 62.4 63.6 62.3 63.9 66.0 63.2 65.6 Ranking 1033 1660 1550 1669 1515 1234 1594 1300 % 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 % 87.0 63.8 49.8 42.8 89.2 59.6 31.0 81.8 Ranking 685 1252 1535 1653 612 1345 1771 841 % 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 N.S./mes N.S./mes 202.5 214.4 177.9 181.3 201.5 187.4 179.5 177.9 Ranking 1157 992 1469 1428 1176 1365 1449 1468 1,828 distritos a nivel nacional Fuente: INEI: Mapa de Potencialidades C. Situación energética y medio-ambiental Energía solar : - 2’200 [kWh/m2 año] global horizontal, durante los próximos 5’000 millones de años Energía equivalente : - Quemado de 2kg de leña por m2 y por día - Energía constante durante todo el año Energía en uso : - Quemado de bosta (7kg por familia y por día) leña, gas y kerosene Energía calorífica : - Cocción 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 : - 0.16% de la superficie de la provincia son bosques naturales Petróleo : - Desde 1’986 Perú es importador de petróleo - En “2020”? se terminarán todas las reservas de petróleo en el Perú Gas de Camisea: - 20 / 30 años? 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 climática al interior del hogar - Mejorar la dinámica familiar al interior de la casa - Cosechar y almacenar la energía del sol en el adobe - Trabajar a través de tragaluces activos, uno en cada cuarto - El involucro habitativo está aislado con aire - Alcanzar temperaturas entre 22°C y 12°C día 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 en adobe (UNSA Arequipa) 235cm 335cm Planta 21 j un (5 2 ) e (85) io 80cm 200cm 80cm 210cm 335cm 21 diciembr 95cm 120cm 80cm 21 2121 diciembre (85) jun io (5 2) jun 21 diciembre (85) io (5 2) 25cm Elevaciones Coefficientes lambda λ II. Análisis térmica: Ejemplo : Perdidas relativas [W/K] Temp. Interna Temp. Externa Temp. Suelo Objeto Paredes Ventanas Ventanas dobles Puertas Puertas aisladas Techo aislado Tragaluces Piso Total estandard Total mejorado Metal Adobe Vidrio Calamina Cemento Aire Technopor Rollizo Paja 18 [°C] -5 [°C] 4 [°C] Pérdidas [W/K] 75.0 26.9 11.1 14.9 3.2 4.9 5.2 16.9 143.8 116.3 60.000 [W/mK] 0.800 [W/mK] 1.028 [W/mK] 60.000 [W/mK] 1.700 [W/mK] 0.024 [W/mK] 0.038 [W/mK] 0.060 [W/mK] 0.060 [W/mK] Diff. Diff. Temp. Diff. Diff. Temp. 23 [K] 14 [K] 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 To tal es tan da rd To tal me jor ad o Pi s o ga luc es Tra Te ch oa isla do ad as Pu e rt as ai s l Pu e rt as Ve n ta na sd ob le s Ve n ta na s Pa red es 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 Teóricamente, para lograr y mantener una temperatura interna de 18[°C 18[°C]] con una temperatemperatura externa de -5[°C °C] ] es suficiente desarrollar una potencia calorífica de alrededor de 5[ 3’000[W], lo que vamos a lograr con el fogón mejorado quemando un un kilo de leña por hora durante las tres o cuatro horas de la noche antes de ir a la cama cama (de 18.00 a las 22.00) -10 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Text. -2 -4 -12 -14 -6 -16 -10 -8 h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h Sin tragaluces 0 9 .3 1 1 0 .5 1 1 2 .1 1 1 3 .3 1 1 4 .5 1 1 6 .1 1 1 7 .3 1 1 8 .5 1 2 0 .1 1 2 1 .3 1 2 2 .5 1 0 0 .1 1 0 1 .3 1 0 2 .5 1 0 4 .1 1 0 5 .3 1 0 6 .5 1 0 8 .1 1 0 9 .3 1 1 0 .5 1 1 2 .1 1 1 3 .3 1 1 4 .5 1 1 6 .1 1 1 7 .3 1 1 8 .5 1 2 0 .1 1 2 1 .3 1 2 2 .5 1 0 0 .1 1 0 1 .3 1 0 2 .5 1 0 4 .1 1 0 5 .3 1 0 6 .5 1 0 8 .1 1 0 9 .3 1 h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h -2 -4 -6 -8 0 9 .2 8 1 0 .4 8 1 2 .0 8 1 3 .2 8 1 4 .4 8 1 6 .0 8 1 7 .2 8 1 8 .4 8 2 0 .0 8 2 1 .2 8 2 2 .4 8 0 0 .0 8 0 1 .2 8 0 2 .4 8 0 4 .0 8 0 5 .2 8 0 6 .4 8 0 8 .0 8 0 9 .2 8 1 0 .4 8 1 2 .0 8 1 3 .2 8 1 4 .4 8 1 6 .0 8 1 7 .2 8 1 8 .4 8 2 0 .0 8 2 1 .2 8 2 2 .4 8 0 0 .0 8 0 1 .2 8 0 2 .4 8 0 4 .0 8 0 5 .2 8 0 6 .4 8 0 8 .0 8 0 9 .2 8 III. Toma de medidas en continuo: 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 Text. 2 Tm interna 0 Delta T -2 -4 -6 -10 -8 -12 -14 -16 -18 Con tragaluces 26 24 22 20 18 16 14 12 Tm interna 10 8 Text. Tm interna Delta T 6 4 Delta T 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 0 9 .2 2 h 0 8 .0 2 h 0 6 .4 2 h 0 5 .2 2 h 0 4 .0 2 h 0 2 .4 2 h 0 1 .2 2 h 0 4 .5 0 h 2 2 .4 2 h 2 1 .2 2 h 2 0 .0 2 h 1 8 .4 2 h 1 7 .2 2 h 1 6 .0 2 h 1 4 .4 2 h 1 3 .2 2 h 1 2 .0 2 h 1 0 .4 2 h 0 9 .2 2 h 0 8 .0 2 h 0 6 .4 2 h 0 5 .2 2 h 0 4 .0 2 h 0 2 .4 2 h 0 1 .2 2 h 0 4 .5 0 h 2 2 .4 2 h 20 2 1 .2 2 h 22 2 0 .0 2 h 24 1 8 .4 2 h 1 7 .2 2 h 1 6 .0 7 h 1 4 .4 7 h 1 3 .2 7 h 1 2 .0 7 h 1 0 .4 7 h 0 9 .2 7 h Con tragaluces y fogón 26 Fogón, quemado 2kg de leña prendido 17.45 apagado 19.15 18 16 14 12 10 Text. 8 Tm interna 6 Delta T 4 2 0 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 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 2m3 60.00 6.00 5.90 50.00 5.80 5.70 40.00 5.60 5.50 30.00 5.40 20.00 5.30 5.20 10.00 Potencia hidraulica [W hidr.] Potencia Electrica [W el.] Eficiencia [%] Portada [l/min] 5.10 5.00 0.00 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Características de la bomba a pistones Shurflo: Shurflo: - 12[V] DC, 7[A], H=50[m], Q=6.5[l/min Q=6.5[l/min]] - Flujo de bombeo casi constante entre los 5.5 y 5.9[l/min 5.9[l/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 260.260.-USD Altura de bombeo [m] 70.00 12.00 60.00 10.00 50.00 8.00 40.00 6.00 Potencia hidraulica [W hidr.] 4.00 Potencia Electrica [W el.] 30.00 20.00 10.00 2.00 0.00 0.00 Eficiencia [%] Portada [l/min] 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Altura de bombeo [m] 12.00 40 Bomba de ariete 11/2" - 3/4" caida entrada 2[m] 8.00 35 10.00 30 25 20 6.00 15 eficiencia bombeo [%] 4.00 Portada [l/min] 10 5 2.00 0 0.00 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Eficiencia [%] -Características de la bomba a pistones Flojet: Flojet: - 12[V] DC, 7[A], H=25[m], Q=12.5[l/min Q=12.5[l/min]] Flujo de bombeo casi constante entre los 8 y 11[l/min 11[l/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 300.300.-USD Altura de bombeo [m] -Características de la bomba de ariete: - H=13[m], Q=5[l/min Q=5[l/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 200.200.-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 2[kg]] de leña - Hervir un litro de agua en 15[min 15[min]] - Hervir un litro de agua durante una hora y media - Mientras que la temperatura del fogón sube, la temperatura de la la chimenea queda en 35[°C 35[°C]] - Casi toda la energía térmica sirve para cocinar y calentar la casa casa (eficiencia elevada) Temperaturas chimenea T1 T2 T3 To1 To2 To3 1 7 .0 0 1 7 .0 8 1 7 .1 6 1 7 .2 4 1 7 .3 2 1 7 .4 0 1 7 .4 8 1 7 .5 6 1 8 .0 4 1 8 .1 2 1 8 .2 0 1 8 .2 8 1 8 .3 6 1 8 .4 4 1 8 .5 2 1 9 .0 0 1 9 .0 8 120.00 110.00 100.00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 130.00 120.00 110.00 100.00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 T4 T5 T6 T7 T8 1 7 .0 0 1 7 .0 8 1 7 .1 6 1 7 .2 4 1 7 .3 2 1 7 .4 0 1 7 .4 8 1 7 .5 6 1 8 .0 4 1 8 .1 2 1 8 .2 0 1 8 .2 8 1 8 .3 6 1 8 .4 4 1 8 .5 2 1 9 .0 0 1 9 .0 8 Temperaturas agua y fogón VI. El Sistema Fotovoltaico Domiciliario (SFD): Panel Fotovoltaico 51Wp/12VDC 36 celdas + 2 - 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 500.500.-USD por SFD Conexiones: Regulador de carga 12VDC/10A 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 + Carga + - + - + - 1 + - Bateria 53Ah/12VDC 4 3 - + + + + Lampara Lampara Lampara TV 1 2 3 + Convertidor DC-DC rojo Caja de conexiones 5 salidas con fusibles 4x2.5A/1x2A 1x 3/4.5/6/7.5/9VDC 3 Lamparas de luz blanca 11W/7'000h de vida Lampara Lampara Lampara 3 2 1 negro VII. La ducha solar: - 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 ababsorbedor 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 34[°C]] - 42[l] de agua a 40[°C 40[°C]] - Eficiencia térmica de: η27l 51% y η70l 58% - Agua caliente entre las 09.00 y las 22.00 todo el año - Costo no superior a los 60.60.-USD Temperaturas tanques 70[l] y 27[l] 90.00 85.00 80.00 70.00 T1 70 65.00 T2 70 60.00 T3 70 55.00 T4 70 50.00 T5 70 45.00 T6 27 40.00 T7 27 35.00 T8 27 30.00 T9 27 25.00 T10 27 20.00 T aire 15.00 10.00 5.00 Hora 14.44 h 14.24 h 14.04 h 13.44 h 13.24 h 13.01 h 12.41 h 12.21 h 12.01 h 11.41 h 11.12 h 10.52 h 10.32 h 9.42 h 10.12 h 9.22 h 9.02 h 8.45 h 0.00 8.15 h Temperaturas [°C] 75.00 VIII. Costos de la casa solar activa: 550.00 500.00 450.00 Gastos casa solar Materiales y trabajo 400.00 350.00 300.00 U SD 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 I n s t . e le c t r ic a Fogón I n s t . S a n it a r ia P is o s P u e r ta s y V e n t. Techo F a ls o t e c h o 0.00 M u ro s - 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 2’300.2’300.-USD 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 tecnologías renovables estamos seguros que una familia se puede desarrollar de manera sana y harmoniosa. harmoniosa. Mirando a una inversión por de bajo de los 2’500.2’500.-USD podemos decir que se ha logrado una casa cómoda, acogedora, saludable que permite y fomenta la comunicación comunicación 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 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 como también a mi esposa y mi hija por la paciencia y el amor que me han regalado. Taller Inti, Inti, Espinar Cusco noviembre de 2006 Ing. Luciano Ré