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El uso de tinacos de concreto y polietileno en un clima cálido-subhúmedo .
Generalidades
Se midieron la irradiación solar y las temperaturas correspondientes alcanzadas por cada sistema. Se identificaron los patrones diarios de elevación y reducción de temperatura y se determinó la cantidad de energía adquirida durante el día y el calor disipado durante la noche, a fin de definir la posibilidad de la utilización de tinacos de agua residenciales como fuente de agua caliente en casas habitación en la región de Yucatán. Con este estudio se ha determinado que los períodos del día en que se puede contar con agua caliente a la temperatura de confort para ducharse son limitados y que, de forma interesante, ambos sistemas entregan temperaturas similares en el fondo de los tanques a lo largo del año.
Introducción
El estado de Yucatán se conoce por ser un lugar típicamente caluroso a lo largo del año, teniendo comúnmente temperaturas promedio máximas en un día entre 30 y 35 °C. Dichas temperaturas son consecuencia de la irradiación que llega a la zona, que fluctúa entre 6.19 y 3.61 kWh/m2/día . Estas condiciones favorecen la instalación de sistemas solares para el aprovechamiento de la energía renovable del sol. Una aplicación viable para su aprovechamiento es utilizar calentadores solares residenciales de agua. Sin embargo, se tiene la incógnita respecto a la necesidad de la instalación de estos equipos, pues debido a la sensación de calor predominante en Yucatán se tiene la creencia que un calentador de agua puede incluso no ser necesario.
A la fecha, no se han identificado estudios relacionados con el comportamiento térmico de los depósitos de agua residenciales; por ello, para dar respuesta a esta incógnita, se llevó a cabo un estudio de la evolución térmica del agua en tinacos residenciales en la región de Yucatán a lo largo de un año.
Desarrollo: El uso de tinacos de concreto y polietileno en un clima cálido-subhúmedo
Materiales y métodos
- Depósitos de Agua
Se llevó a cabo el estudio con dos depósitos de agua tipo residencial (de interés social), ya que son los más comunes en la región: uno de polietileno de alta densidad de 450 litros (color beige) y otro de concreto de 400 litros (color natural), los cuales fueron aforados a 360 litros (con 0.62 y 0.96 m de altura de columna de agua para el de polietileno y el de concreto, respectivamente) y colocados sobre techo en un área libre de obstáculos, teniendo entre centros una distancia lineal de 5 metros.
Se instaló en ambos depósitos una conexión de agua de entrada mediante válvula y flotador de manera que automáticamente se mantuvieran llenos, compensado las posibles pérdidas por evaporación. Ninguno de estos dos tinacos proporcionó servicio de agua durante el período de estudio, por lo cual no había afectación en la temperatura por renovación de agua, midiendo así únicamente las variaciones de temperaturas generadas por calentamiento y enfriamiento por influencia de la radiación y el medio ambiente durante los períodos diurnos y nocturnos. La figura 1 presenta fotografías de los depósitos de agua estudiados.
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Fig. N 1 Tinacos de Concreto (b) y Polietileno (a)
Fotografías y dimensiones internas de los depósitos de agua instalados: a) de polietileno (espesor de 0.008m) y b) de concreto (espesor de 0.038m).
Para obtener el perfil de calentamiento del agua se llevó a cabo la instrumentación de cuatro termopares tipo K (calibre 30 con forro de fluoro-etilen-propileno, FEP), en cada uno de los tinacos, colocados a cuatro diferentes niveles de profundidad: superficie, 2/3, 1/3 y fondo de cada tinaco. Cada conjunto de termopares se conectó a un sistema de datalogger Omega HH309A, digitalizando las mediciones con una frecuencia de adquisición de datos de una medición por minuto (0.017 Hz). Se realizaron tres calibraciones de los dispositivos termopares a lo largo del estudio; al inicio, a los 6 meses y al final del estudio, cuidando correspondencia en todo momento.
Para el estudio se obtuvieron datos precisos de la irradiancia y temperatura ambiente mediante una estación meteorológica marca Davis Pro2 Plus ubicada en la ciudad de Mérida, a 21°01’47.8” latitud Norte y 89°38’17.0” longitud Oeste, en la península de Yucatán. La estación se encuentra instalada a 12 metros sobre el nivel del mar en un espacio libre de obstáculos.
Se llevaron a cabo mediciones continuas de las temperaturas en los depósitos de agua durante un año, de septiembre del 2013 a agosto de 2014. Discusión y análisis de resultados Irradiación solar y temperaturas
Durante el período de estudio se registraron valores de irradiancia a lo largo del día, con lo que se estimó la irradiación solar, calculándose entre 1 y 7 kWh/m2/día, graficado en la figura 2. Como es de esperarse, la cantidad de irradiación solar incidente disminuye para el período comprendido de entre noviembre y febrero. La dispersión observada corresponde a datos típicos climáticos con variables combinadas de radiación, nubosidad y ángulo solar a lo largo de un año.
 Fig 2 Irradiación solar diaria en el período septiembre 2013-agosto 2014. |
Respecto a las temperaturas ambiente mostradas en la figura 3, se registraron valores promedio de entre 21 y 33 °C diario, observándose un patrón de respuesta correspondiente a la irradiación solar.
Figura 3. Temperaturas ambiente promedio diaria en el período de septiembre 2013-agosto 2014.
- Patrón de temperaturas
La figura 4 presenta el comportamiento típico del depósito de concreto a lo largo de un día (en este caso para el 30 de julio del 2014). Se puede observar que durante la noche las temperaturas tienden a igualarse y durante el día se separan. A lo largo del día, mientras se recibe la radiación del sol, el nivel superior tiende a separarse en mayor proporción que las otras mediciones, las cuales tienden a mantenerse equidistantes. Durante la noche, las temperaturas tienden a igualarse, observándose la temperatura del fondo ligeramente separada del resto del grupo en todo momento.
Figura 4. Comportamiento térmico típico del depósito de concreto en un día.
La figura 5 presenta el comportamiento térmico típico del depósito de polietileno a lo largo del mismo día estudiado. Durante las primeras horas de la madrugada y durante el día se aprecia un comportamiento similar entre las temperaturas, con los sensores del depósito de concreto. Aunque el comportamiento es similar en ambos depósitos, durante el día es particularmente diferente en el nivel superior, en el que se aprecia un incremento mayor de temperatura con respecto a los otros tres niveles. Se estima que ocurre dicho calentamiento debido al efecto invernadero de la parte superior del depósito que contiene aire caliente, ya que la parte correspondiente superior de este depósito está expuesta al sol.
Figura 5. Comportamiento térmico típico del depósito de polietileno en un día.
La irradiancia y temperatura ambiente reportadas para ese día se muestran en la figura 6. Estas gráficas sugieren que la temperatura del agua en el depósito aumenta conforme recibe la radiación disponible a través del cuerpo del contenedor, mostrando los valores máximos de temperatura en los depósitos alrededor de las 19:00 horas, justo antes de terminar la presencia de la radiación solar. La energía alcanzada por radiación para este día es 6.76 kWh/m2/día y la máxima temperatura ambiente 35 °C.
Figura 6. Irradiancia y temperatura ambiente registrada en un día.
Es importante resaltar que el agua de la que típicamente se dispone en forma inmediata (por tener la descarga en la parte inferior del depósito) es la corres- pondiente al sensor del fondo, siendo para este caso, como se aprecia en la figura 4, valores mínimo y máximo reportados durante el día de 27 y 31 °C, a las 8 y a las 19 horas, respectivamente.
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Diego-AyalaUlisesa Carrillo-Baeza JoséGonzalo
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