Sistema automática de control térmico para viviendas unifamiliares aprovechando techos de masa térmica

El sol es la fuente de energía más grande del mundo. En México el nivel de la radiación solar es muy alto y en Querétaro los techos son los que reciben la mayor cantidad de ella. El objetivo de esta investigación es realizar un proceso de diseño de un sistema pasivo de techo con masa térmica, con adecuada absorción de radiación solar y un sistema de control de flujo de aire que mejore el confort térmico de los espacios de una vivienda unifamiliar de Santiago de Querétaro. La falta de confort térmico o el uso del aire acondicionado causan efectos negativos para la salud, el segundo consume mucha energía eléctrica y contamina. Para mantener la temperatura óptima de 23° C dentro de los espacios de una vivienda, se analizan las propiedades térmicas de los materiales para absorber, acumular y aislar el calor. Se seleccionan los materiales y se calculan sus espesores requeridos en base a las ecuaciones termodinámicas. Con base en las ecuaciones de sensación térmica se calculan las velocidades de la circulación del flujo de aire óptimas tanto para el periodo de frío como el de calor. Finalmente se realizan simulaciones con el programa ANSYS para comprobar el funcionamiento del sistema de techo. Se define el material, el espesor y el acabado de la capa exterior para controlar la absorción de la radiación solar de tal manera que en invierno se absorba la cantidad necesaria para remplazar la energía calorífica que se pierde por la convección, y en verano se reflejen la mayoría de los rayos solares. Se elige el material y el espesor más adecuado para acumular el calor dentro del sistema de techo y el material y el espesor de la capa interior para aislar el calor hacia el interior. La circulación del flujo de aire implementa un sistema de tubo Venturi y un ventilador para su control. Todo el sistema de techo y los mecanismos adicionales son alimentados por la energía solar.

Sun is the major energy source in the world. The level of solar radiation in Mexico is very high and the roofs are the ones that receive the most of it. The purpose of this research is to carry out a design process of a passive roof system which contains thermal mass, adequate solar absorption and an air flow control system that improves the thermal comfort of the spaces inside a single-family home in Santiago de Querétaro. A thermal discomfort or use of air conditioning cause negative health effects, the latter also consumes large amounts of electricity and pollutes. To maintain the optimal temperature of 23° C inside the spaces of a dwelling, the thermal properties of the materials to absorb, accumulate and isolate the heat are analyzed. The materials are selected, and their required thickness are calculated based on the thermodynamic equations. Usage of the thermal sensitivity equations allows to calculate optimal air flow’s velocities during the cold period as well as during the hot one. At the end, simulations are carried out on ANSYS to verify the performance of the roof system. The material, thickness and finishes of the outer layer are defined to control the absorption of solar radiation in such way that it absorbs the exact amount of solar energy during cold periods to replace the heat energy lost by the convection to the outside and it reflects almost all the solar rays during the hot period. The most suitable material and thickness is chosen to accumulate the heat inside the roof system and the material and thickness of the inner layer is selected to isolate the heat, so it does not transfer to the interior. Circulation of the airflow employs a Venturi tube system and a fan for its control. The entire roof system and additional mechanisms are powered by solar energy.