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Asunto:[encuentrohumboldt] 255/04 - CALCULO DEL CONSUMO DE ENERGÍA A PARTIR DE LO S GRADOS DIA DE CALEFACCION
Fecha:Sabado, 10 de Julio, 2004  20:46:14 (-0300)
Autor:Humboldt <humboldt @............ar>

CALCULO DEL CONSUMO DE ENERGÍA

A PARTIR DE LOS GRADOS DIA DE CALEFACCION[1] 

Alvaro Mauro M.
Departamento de Ingeniería Geográfica.
Facultad de Ingeniería.
Universidad de Santiago de Chile.
INTRODUCCION

Se discute el impacto socioeconómico que las variaciones de la temperatura pueden causar en el consumo de energía a través del cálculo de los grados día de calefacción y que inciden en la calidad de vida de la población considerando la calefacción, el tipo de combustible y la salud .

De acuerdo a cálculos promedios, se determina el calor requerido para calefaccionar una vivienda de características normales para un día con una determinada variación térmica. 

 

ANTECEDENTES 

El uso del término los grados-día de calefacción es una manera de indicar la cantidad relativa de energía calórica que podría usarse en una residencia. Cuando la curva diaria de la temperatura durante el día está por debajo de la temperatura umbral de referencia, definida internacionalmente como 18,3ºC (Givoni,1989) el número de grado-días de calefacción durante el día es la diferencia entre la temperatura umbral de referencia y las temperaturas de la curva que estén por debajo de ese valor durante el día. Este término indicaría la cantidad relativa de energía calórica que la residencia necesitaría durante ese día.

Se ha establecido que las casas modernas, con aislamiento mejor de paredes, las ventanas, y tejados, menos infiltración, requieren tener una temperatura umbral de referencia significativamente más baja.

Hay varios otros factores que influyen en los requisitos de energía durante un día dado, como ganancia solar, el calor guardado del día anterior, entre otros. La cantidad real de gas natural o gas licuado, electricidad y otras formas de energía usadas por un hogar para calentar y calefaccionar las habitaciones depende de varios factores. En primer lugar, del equipo calefactor, luego de las prácticas o costumbres del uso de la calefacción y por otro lado de las características de la construcción de la casa.

En Chile existen estudios relacionados al confort térmico asociado a la construcción de viviendas habitacionales y no desde la perspectiva climatológica ambiental. La mayoría de los antecedentes que podemos recopilar son de la experiencia extranjera, como lo son: el estudio de “confort humano” por Givoni 1989, Sánchez Carmona 1988 estudio sobre “Clima Urbano”, Sarmiento 1985 “Energía Solar. Aplicaciones e Ingeniería de Sistemas Pasivos” quien plantea un procedimiento para determinar la demanda de energía. Desde el plano nacional podemos nombrar el estudio realizado por Villarroel en 1997 sobre “Efecto de la expansión de la Ciudad de Santiago sobre la Temperatura ” y la tesis del año1997 titulada “Propuesta para exigencia de calidad térmica en viviendas chilenas” de la Pontificia Universidad Católica de Chile de Víctor Manuel Campos Prieto.En Chile existen pocos estudios similares al tema, es así como partes específicas de él se deberán abordar desde el plano internacional y otras desde estudios nacionales relacionados. Así, desde el plano internacional el estudio de “confort humano” por Givoni 1989, publicado en “Urban Desing in Different Climates”, el autor plantea que la isla de calor provocada por la ciudad impacta el confort de la población como el consumo de energía ya sea para calentar o enfriar ambientes urbanos. Para determinar, tanto el confort de la población como el consumo de energía introduce el concepto de “grados–días”, el cual corresponde al numero de grados por días que están por arriba para el caso del confort humano, o por debajo para fines de calefacción, de un umbral térmico definido en 18,3ºC, que se van acumulando durante los periodos cuando los valores son positivos (T > 18,3) y durante el periodo de enfriamiento cuando los valores son negativos (T < 18,3). Estas sumas permiten definir los grados de confort humano en el primer caso y de calefacción en el segundo. Este concepto se utilizará para el determinar el grado de confort y la demanda energética .Villarroel 1997 a través del estudio “Efecto de la Expansión Urbana sobre la Temperatura de Santiago-Quinta Normal”, aplico la variable de temperatura media diaria máxima y mínima desde 1860 a la fecha, determinando el efecto de la urbanización sobre el campo térmico, al encontrar que la serie de temperatura muestra un cambio a partir de la expansión de ciudad de Santiago en el área de Quinta Normal.Sánchez Carmona 1988 en la publicación de la “OMM nº 652 sobre Clima Urbano” señala respecto del confort humano:El organismo humano constituye un sistema homeotérmico, es decir, que para su correcto funcionamiento necesita mantener una temperatura constante de alrededor de 37ºC. Cuando el medio ambiente presenta temperaturas que alteran este valor, entonces el ser humano, en general, reacciona frente a estas situaciones climáticas que le son incómodas o poco gratas. Para esto el cuerpo presenta termoregulaciones basadas entre las interacciones de la piel y su entorno. La sensación de frío o calor depende de la intensidad con que estén funcionando los recursos de termoregulación, los cuales dependen a su vez de un limitado numero de variables microclimáticas.

En relación a la demanda energética Sarmiento 1985 plantea el siguiente procedimiento para determinar la demanda de energía:

Se debe determinar las perdidas de calor desde las casas o edificios hacia el medio ambiente. Luego señala que para los efectos de calefacción o ventilación, la experiencia señala que cuando la temperatura ambiente esta por debajo de 18,3C, entonces es necesario calefaccionar. Cada grado promedio diario bajo este valor se designa como grado-día, el que se usa como unidad de calefacción. Luego plantea una formula para calcular las necesidades de energía, en función de la temperatura exterior, la densidad del aire, el calor específico del aire, entre otros.

  

METODOLOGÍA 

La metodología y técnicas a emplear serán:

1.-Recopilación de datos termométricos medios mensuales de las 00UTC, de las 12UTC, máximas y mínimas de la región Metropolitana.

2.-Generación de campos térmicos medios derivados

Para el cálculo de parámetros derivados se utilizaran las siguientes técnicas:

a- La temperatura media mensual según el método de Villarroel (1997)

b- Los grados-día sobre la base de 18,3ºC o umbral de confort según Givoni (1989)

3.- Análisis de las demandas de energía según la metodología de Sarmiento

  

ANALISIS Y RESULTADOS 

1.- Efecto Urbano.

 La expansión urbana más reciente de Santiago ha ocurrido en todas la direcciones, afectando severamente, entre otros, los campos térmicos, hídricos, pluviométricos,de confort humano, radiactivos, eólicos. Lo anterior ocurre debido al cambio de superficie, que trae consigo un desigual balance de energía y por ende la variación de las demás variables atmosféricas.

Se sabe que el fenómeno de la isla de calor es generado por la liberación de calor a la atmósfera tanto por factor antropogénicos como por efecto de la acumulación de radiación solar generada por las construcciones. Es necesario considerar que las construcciones en una ciudad ejercen un efecto sobre la radiación solar incidente que determinar condiciones urbanas distintas a un entorno rural (Mauro y Villarroel, 1999).

Para el análisis de la naturaleza urbana del cambio se estudia la expansión urbana del área metropolitana, encontrándose que la cuidad de Santiago manifiesta un crecimiento sostenido a partir de 1920 (Censos del INE). Según Oke (1984), el clima de la cuidad ha variado producto del cambio del paisaje que las construcciones van introduciendo. Al respecto, este efecto se manifiesta claramente en el gráfico nº1 correspondiente a las temperaturas máximas del mes de Enero del período 1860 a 1995, en donde se observa que el valor de temperatura más alto alcanzado fue en 1920, registrándose un aumento sostenido en la década 1911-1920. A partir de ésta década se observa que durante éste mes la temperatura máxima mantiene una tendencia suave al crecimiento.

Si observamos las temperaturas mínimas correspondientes al mes de Julio del mismo período (gráfico nº 2 ), la tendencia al aumento es mucho más sostenida y definida que durante el mes de Enero y con fluctuaciones mucho más marcada, lo que indica que el efecto urbano es más marcado en el período invernal tanto en la tendencia como en las oscilaciones, por lo que desde el punto de vista del consumo de energía en el ámbito de la calefacción, las demandas pueden llegar a ser más marcadas.

 

2.- Magnitud del cambio térmico

Al analizar la distribución de las desviaciones de las medias móviles, se observa un cambio brusco a partir de 1940, año en que comienza la expansión de Santiago hacia el Oeste, dejando a Quinta Normal (lugar de medición de los datos analizados) dentro de la ciudad.

Al igual que los cambios observados por Turkes et al (1996), con relación a las temperaturas extremas, podemos decir que en Santiago se observa un aumento sostenido de ambas variables dando como resultado, un aumento de la temperatura media. Este aumento sostenido obedece a un cambio de mayor envergadura y que se asocia al efecto del calentamiento global, generándose, además, variaciones que se atribuyen al ciclo de Oscilación del Sur ( Mauro y Villarroel, 1998).

En efecto, además del crecimiento sostenido, tanto de la temperatura mínima como la temperatura máxima, se observa una fluctuación que varía entre períodos quinquenales y decadales, siendo mucho más marcada durante el mes más frío, en donde las oscilaciones son más definidas y por lo tanto el cambio brusco puede significar un consumo energético más alto en estos períodos de fluctuaciones significativas.

Los valores observados presentan variaciones entre un 40 % por debajo de la normal y de un 55% por sobre lo normal en el mes de Julio, mientras que durante Enero las variaciones fluctúan entre un 3,5% y un 5%.

 

3.- Impacto Socioeconómico

Para el análisis del impacto socioeconómico que generan las demandas energéticas producto de las variaciones de temperatura, principalmente para efectos de calefacción durante el período invernal, en el cual se observan las fluctuaciones térmicas más importantes en el contexto del consumo de energía, se utiliza el procedimiento utilizado por Sarmiento (1985), el que señala que para determinar los requerimientos de energía para calefacción, se debe tener en cuenta los siguientes factores:

El calor que se pierde al exterior (qf), el que depende del tamaño de la vivienda (A) y de las características del material, expresado a través del coeficiente de trasferencia de calor del elemento de construcción (U), es decir:

qf =A U

El calor introducido por ventilación o infiltración (qa) y que depende de la densidad del aire(r), del calor específico del aire(C) y de la velocidad del aire (v) introducido a la vivienda por ventilación y/o infiltración., o sea:  

qa = r C v.

El calor requerido para calefacción (qr) debe incorporar las factores señalados por lo que:

qr = qf  + qa

Dado que las calores señalados están expresados en  Kcal/hr ºC, éstos valores deben ser multiplicados por 24 para obtener el valor diario de demanda de energía.

Es necesario señalar que para determinar la cantidad de demanda energética, se debe definir una temperatura umbral a partir de la cual es necesario el uso de calefacción. Este  umbral térmico se conoce como  Grado–Día de Calefacción.

El uso del término grados-día de calefacción es una manera de indicar la cantidad relativa de energía calórica que podría usarse en una residencia. Cuando la curva diaria de la temperatura durante el día está por debajo de la temperatura umbral de referencia, definida internacionalmente como 18,3ºC (Givonni,1989), el número de grados-días de calefacción durante el día es la diferencia entre la temperatura umbral de referencia y las temperaturas de la curva que estén por debajo de ese valor durante el día. Este término indicaría la cantidad relativa de energía calórica que la residencia necesitaría durante ese período.

De acuerdo a cálculos promedios, se puede determinar que el calor requerido para calefaccionar una vivienda de características normales para un día con una variación térmica de 1ºC, alcanza a 14.887,7 Kilocalorías (Kcal)., lo que alcanza a un consumo de 620,2 Kcal. por hora, correspondiente a 1.800 Watts.

Si se considera que la cantidad de 1800 Watts/hora es consumida por el 3% de la población como consumo de energía eléctrica, entonces el consumo de energía eléctrica para calefacción en Chile alcanza a 810 MW cuando la temperatura desciende 1ºC. En Francia, Chauvin et al (1993) señala que la energía eléctrica requerida para calefacción alcanza a 1.000 MW cuando la temperatura desciende 1ºC durante el invierno.

Las significativas fluctuaciones que se observan en el gráfico nº 2 correspondiente al mes más frío, muestran cambios que superan el 55% en períodos quinquenales, es decir, esto significa un incremento o descenso térmico del orden de los 10 ºC. En términos de consumo de energía, esto puede significar un consumo de energía eléctrica del orden de 8.000 MW a nivel nacional.

  

CONCLUSIÓN

 Siguiendo las tendencias y enmarcándonos dentro de un rango que puedan mostrar las temperaturas extremas, es posible planificar el consumo de energía según se esperen aumentos o descensos de la temperatura. Esto puede significar un ahorro de energía que puede alcanzar cifras significativas, según sea el tipo de combustible.

Por otro lado el planificar la demanda de energía, puede significar disminuir los riesgos de enfermedades invernales, en particular en aquellos períodos de descenso térmico.

 

 

REFERENCIAS 
CHAUVIN,F. ,JAVELL,J. Y CALVAYRAC,A. 1992. Influence des conditions meteorologiques sur la consommation electrique francaise. La Meteorologie, April, 7(42):28-36.
GIVONI 1989, Estudio “confort humano” en “Urban Desing in Different Climates”
MAURO, A. y VILLARROEL, L. 1998. Variaciones del Campo Térmico de Santiago (Quinta Normal)  asociados al ciclo “ El Niño/ Oscilación del Sur”. XIX Congreso Nacional de Geografía. Geografía y Medio Ambiente.p.18-19.
MAURO, A. y VILLARROEL, L.1999. Análisis del efecto urbano en las desviaciones de las medias móviles de temperatura de Santiago. Estudios Urbanos. Vol.1 . Universidad Austral de Chile.
SÁNCHEZ CARMONA. 1988. Estudio “Clima Urbano” en la publicación de la “OMM nº 652
SARMIENTO, P. 1985. Energía Solar. Aplicaciones e Ingeniería. Sistemas Pasivos. Ed. Universitarias de Valparaíso. 280 p.
TÜRKES, M., SÜMER, U. AND KILIÇ, G. 1996. Observed Changes in Maximum and Minimum temperatures in Turkey. Int. J. Climat.Vol.16 nº 4. April.p.462-477.

 

 
 

 



[1] Esta ponencia forma parte del Proyecto Dicyt nº  9812MM de la Universidad de Santiago de Chile


Ponencia enviada al Tercer Encuentro Internacional Humboldt. Salta, Argentina. Octubre de 2001.