Taller de titulación - Habitáculo temperado

Asignatura(s)	Taller de Titulación de Diseño
Año	2023
Tipo de Curso	Taller de Título
Talleres	Tit. DO
Profesores	Leonardo Aravena, Alfred Thiers
Estudiantes	Paola Chicano
Carreras Relacionadas	Diseño

Estudiantes

Paola Chicano

Parte I: Proceso de investigación y recolección de datos

Glosario

• Temperatura
• Humedad relativa
• Gpp
• dew point
• datalogger
• Inyección abierta
• Extracción abierta
• Inyección cerrada
• Extracción cerrada

Pruebas de inyección y extracción, representación desde el color

Imágenes

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Se tomaron, en varias ocasiones, las temperaturas ambientales y superficiales del habitáculo expuesto a inyección y extracción de aire. En las imágenes anteriores se toman dos días de mediciones para estudiarlas y compararlas.

Ideas previas

La temperatura se transmite por 3 medios, radiación, conducción y convección, en este caso se trabajará con la convección, ya que se piensa hacer fluctuar la masa de aire caliente y reemplazarla por aire frio. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos, la evaporación del agua o de fluidos. Es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido.
Intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico.
Transferencia de calor libre o natural: Es cuando un fluido es más caliente o más frio que el otro. El contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

Se revisan ideas como:

• Regulación de temperatura.
• Eliminar o otorgar humedad
• Aire acondicionado portatil conectado a Arduino con sensor de temperatura/regulador de temperatura, o elemento mecánico con el mismo fin.
• Sondear Habitáculo con Arduino, sensor de temperatura y humedad y adaptador SD para guardado de datos.

Desde lo anterior podemos preguntarnos ¿Qué otros factores están trabajando? ¿Cuanta temperatura y humedad son aceptables?
¿Qué pasa con el acto que acontece en el interior y exterior, el movimiento, la sensación térmica?

También podemos preguntarnos ¿Cómo se ven las masas de temperatura?
Se necesita el dato, pero más el cuerpo, sino la tendencia de los colores.
Más frío y humedo que otra parte.
Que el ojo vea termodinámicamente, no termicamente.

¿Dónde se pondría una estufa?
Se debe lograr saber dónde.

Conclusiones

Luego de haber estudiado conceptos básicos de termodinámica, específicamente en transferencias de calor, la conducción, convección y radiación, siendo en este caso la convección, la herramienta que nos permitiría explicar el comportamiento de la temperatura en el habitáculo.
La convección, es el transporte del calor por medio del movimiento del fluido, también puede ser el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de algún dispositivo mecánico como por ejemplo una bomba o un ventilador. Una transferencia de calor libre o natural, se da porque un fluido es más frio y otro más caliente, manteniéndose así el fluido frio abajo y el fluido caliente sube.
Desde esto nos encontramos con nuestra primera pregunta, ¿Se debe hacer la extracción en el muro más frio o más caliente? Y también, ¿Es más idónea una extracción o una inyección de aire?
Para abordar la primera pregunta, debemos entender que el habitáculo tiene la tendencia de que sus muros norte y oeste, tanto como los sur y este, tienen una correlación en su temperatura, estas variando su temperatura conforme también al calor obtenido por radiación emitido por el sol, dependiendo este cambio de su posición. Por lo cual, se debe hacer la extracción por el muro más caliente y desde su punto más alto, y en el caso de una inyección, debe ser del muro más frio y en su parte superior.
Con respecto a la segunda pregunta, luego de realizar varias pruebas tanto de inyección como extracción, con el habitáculo abierto y cerrado desde distintos puntos para generar ventilación cruzada, se llegó a la conclusión de que aunque la diferencia entre inyección y extracción no es tan considerable, si lo es la sensación térmica al estar expuesto a un método de inyección, es de una temperatura más baja.

Pruebas con cámara termográfica

Se realizaron pruebas con una cámara termográfica, en el Habitáculo de Ciudad Abierta, a modo de entender el comportamiento de la temperatura y sus fluctuaciones a través del tiempo, así tambien como los rangos de temperatura que se presentan en este lugar.

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Pruebas panel solar

Se comprobó el funcionamiento de un panel solar recuperado del FABLAB de la e[ad]. Este arrojo medidas de 21~24 voltios, indicando su correcto funcionamiento, sin embargo, el voltaje de correcto funcionamiento de los ventiladores usados posteriormente para fabricar un inyector y un extractor de aire, trabajan con 12v por ende, a menos de que estos se conecten en serie, corriendo el riesgo de una doble avería, se necesitaría un inversor de voltaje de 24 a 12v.

Ventiladores y tubo de extracción

Para la fabricación de un extractor y un inyector, se utilizan tubos de pvc cortados en 45° para evitar que la lluvia entre a estos, en conjunto de una base, en este caso cortada en primer lugar de una pieza de terciado de 15mm, pero posteriormente fabricada por capas en cortadora láser. En conjunto con esto se instala una malla mosquitera con una abrazadera para evitar la entrada de polvo e insectos. Esto posteriormente se revisará para que la malla quede al interior del tubo, menos expuesta.

Estas medidas nacen de la idea de instalar este dispositivo en un container, dándole la profundidad necesaria (15 cm), como el diámetro de el doblez interior del corrugado del muro del container, siendo este 3 pulgadas o al rededor de 76 mm.

Para lograr la extracción e inyección, solo se debe girar el ventilador para que la dirección del aire sea la contraria.
Se realizan pruebas exponiendo la malla mosquitera al sol para ver su deformación, de lo cual se concluye que no hay deformación apreciable en este caso.
Así mismo se arma una matriz de ventiladores para probar la alimentación y comportamiento de estos.

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Pruebas datalogger extech rht10

datalogger extech rht10

El datalogger extech rht10 es un aparato de medición de temperatura y humedad, el cual toma un registro de esto y lo convierte en gráficos donde se comparan, temperatura, humedad relativa, punto de rocío o dew point y granos de humedad por libra de aire seco o gpp. Esto por medio de un software que permite el análisis de la temperatura entregando gráficos, listas de excel, archivos de texto entre otros, en este software se puede tomar también cualquier punto del gráfico en cuestión y este entregará todos los valores correspondientes a esa fecha y hora.

Habitáculo

Con el datalogger rht10 se realizaron pruebas durante dos semanas, en un rango de 1 semana por medición, en 3 puntos del Habitáculo, partes superior, inferior y exterior, en conjunto con esto se tomaron mediciones también de la hospedería pie de cruz, para obtener así una visión más amplia de la temperatura del terreno. Estas mediciones nos muestran que la temperatura interior puede fluctuar hasta en aproximadamente 10 grados en distintas zonas del Habitáculo. Así mismo, las temperaturas interiores y exteriores pueden variar entre sí en al rededor de 5 grados.

20 08 23 - 25 08 23

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25 08 23 - 01 09 23

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Conclusiones

Se puede ver en el grafico anterior, como la temperatura fluctúa en estos al rededor de 10°C, lo que nos dice que, primeramente, en el interior del Habitáculo, esto varía tanto desde factores ambientales como del posicionamiento y por ende exposición al sol directa e indirecta y a transferencias de temperatura, y así mismo pasa en el caso de los sensores instalados en el exterior del Habitáculo, en su parte inferior, en comparación con el sensor instalado en la hospedería Pie de cruz, en su muro norte, donde corre gran cantidades de viento húmedo proveniente del mar.
Desde esto podemos ver que hay un numero que puede afectar el correcto funcionamiento de la inyección y extracción, por lo cual se puede o debe pensar un elemento externo que permita disminuir estos factores a modo de subir el porcentaje de eficiencia de estos.

Cubo de pruebas

Para realizar pruebas en un contexto desfavorable, se construye un cubo de cartón corrugado de 75³cm³, para posteriormente pintarlo negro y así exponerlo al sol alcanzando altas temperaturas en su interior. Se instala un inyector en la esquina más baja posible del cubo, y en la esquina contraria (en diagonal) se instala el extractor, para luego hacer pruebas de:

• Inyección abierta y cerrada(se tapa o no la salida o entrada de aire)
• Extracción abierta y cerrada
• Ambas

Desde estas pruebas y los gráficos realizados, se concluye que las mejores opciones son la inyección abierta y la inyección y extracción de aire, pero la diferencia de estos dos últimos es casi nula.
Para alimentar ambos ventiladores se utilizó un transformador de 12v, y se cableo de tal manera que pudiesen ser controlados ambos independientemente, por medio de interruptores (toggle switch).

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Conclusiones

Desde las mediciones tomadas, luego de analizar los datos y comparar las bajas de temperatura obtenidas, podemos concluir que tanto inyección y extracción cerradas general incluso un impacto negativo en la disminución de la temperatura, teniendo un porcentaje de eficacia de - 45,83% (-3,3°C) y -25% (-1,8°C) respectivamente. Tomando como resultado esperado la baja de 7,2°C, calculado como: Eficacia= (Resultado alcanzado*100)/Resultado previsto
Luego de esto, la extracción abierta es la menos eficaz de las opciones restantes, teniendo un porcentaje de eficacia de 41,66% (3°C).
Finalmente quedan la inyección abierta, y la inyección y extracción (ambas), se realizaron 3 pruebas en donde solo se utilizaron estas dos, arrojando que aunque en ciertas ocasiones la inyección abierta mostro un buen rendimiento, de un porcentaje de eficacia de 86,11% (6,2°C), el de ambas fue 100% (7,6°C).
Desde esto se pueden tomar dos decisiones, la primera, utilizar solo inyección abierta pero añadiendo un elemento mecánico que permita tanto, redirigir el aire frio producido por el viento, como el de proteger de factores ambientales que hagan variar fuertemente la temperatura del lugar, o por otro lado, utilizar ambas inyección y extracción, los cuales podrían trabajar por si solos, aunque se baraja la posibilidad de añadir este elemento.

Muro Trombe

El muro Trombe o Trombe-Michel, patentado en 1960 por Edward Morse, es un muro que debe estar orientado en la fachada sur en el hemisferio norte y en la fachada norte en el hemisferio sur, se construye con materiales que tengan la habilidad de acumular calor, en conjunto a esto se utiliza también una lámina de vidrio, un espacio de aire y ventilaciones, esto formando un colector solar termico. Un colector solar termico es un objeto diseñado para elevar la temperatura de un fluído por medio de la energía que recibe del sol.

Nueva propuesta de diseño

Integración de la luz

Se propone la integración de la luz para conformar un total del elemento, para ello, se piensa utilizar la luz solar, a modo de

La luz

La luz es parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. No toda luz es visible al ojo humano, esto se llama espectro visible. La luz, en física, se considera para del campo de las radiaciones conocido como espectro electromagnético.

La refracción es la brusca variación que sufre la luz en su dirección al cambiar de medio. Esto se debe a que la luz viaja a distintas velocidades segun por que medio viaja.

La dispersión refractiva es cuando se hace pasar una luz blanca o policromática a través de un medio con caras no paralelas, como por ejemplo un prisma, esto produce la separación de la luz en sus diferentes componentes, es decir colores, según su energía. Cuando el medio tiene paralelas sus caras, esto recompone la luz al salir de él.
Un claro ejemplo de la refracción es el arcoiris.

La propagación de la luz se da siempre en línea recta, desde esto, la posición de la luz, en un determinado momento a lo largo de su transmisión, puede ser predecida por la óptica geométrica.
Cuando la luz se encuentra con objetos aparecen sombras. Al acercar el foco de luz al objeto, se produce una sombra que posee una región más clara y otra más oscura, denominadas umbra y penumbra.

La interferencia se puede estudiar y entender a través del experimento de Young en donde se hace incidir luz monocromática (de un solo color) a través de una rendija estrecha. Al salir la luz difractada de esta, se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con doble rendija, luego al exponerse ante una tercera pantalla, se producen bandas alternativas claras y oscuras. Un ejemplo de la interferencia, son las manchas de aceite, o la cara grabada de un CD, en donde, al iluminarse con luz blanca, se difracta, produciéndose una cancelación por interferencias, desde el ángulo de incidencia de la luz, permitiendo ver separados los colores, como un arcoíris.

Temperar un espacio pequeño de permanencia ocasional

Se propone la creación de un temperador para espacios pequeños de permanencia ocasional, es decir, un elemento que tenga la capacidad de moderar o calmar la intemperie para convertirla en temperie, a modo de ajustarnos al tempus, es decir el tiempo, momento u ocasión. Para entender este modo ocacional del habitar, debemos situarnos antes del uso mismo del espacio, es decir, de la temperatura del lugar, su ventilación e iluminación. Todo espacio en desuso siempre estará fuera de los rangos adecuados para su habitación, como, en este caso, un contenedor instalado a pleno sol. Este elemento está constituido por sistemas de ventilación, iluminación y sus fuentes de energía, las que todas reunidas permiten instalarse en espacios de uso ocasional para mantenerlos en condiciones óptimas para su utilización.

Efecto de Venturi

Para la aceleración del flujo de aire se propone aplicar el efecto Venturi. En 1797, el físico italiano Giovanni Battista Venturi demostró el fenómeno conocido como efecto Venturi. Este fenómeno ocurre cuando un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado experimenta una disminución de presión al aumentar su velocidad al pasar por una zona de sección más pequeña. Cuando la aceleración es significativa, se generan notables disparidades de presión. Si se introduce el extremo de otro conducto en este punto del conducto, se produce una aspiración del fluido de este último, mezclándose con el fluido que circula en el conducto original. La explicación del efecto Venturi se basa en los principios de Bernoulli y la continuidad de masa. Si bien el caudal del fluido es constante, una reducción en la sección conlleva un aumento en la velocidad. De acuerdo con el teorema de conservación de la energía mecánica, el aumento en la energía cinética implica forzosamente una disminución en la energía asociada con la presión.

Vista explotada

Render

Se renderiza el modelo 3d a modo de visualizarlo con más realismo, e ir explorando distintas opciones materiales.

Prototipo

Se fabrica un prototipo que pueda adosarse al muro de un container, este comprendiendo tanto la dimensión del flujo de aire, humedad y luz, esto último accionado por medio de una pestaña obturadora, permitiendo el paso de la luz a través del muro.
La maqueta del muro mide 2 mts de alto, y el prototipo 1 mts.

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Proyecciones

Como proyecciones para el próximo semestre, se fabricaría un prototipo funcional que logre bajar cierta cantidad de grados (en función de la comodidad del usuario), que sea modular, programable y electro independiente.
Esto utilizando la placa de desarrollo arduino para poder programar ya sea controlado por el usuario o por el mismo arduino, de modo que el espacio en cuestión esté temperado correctamente para su habitación.
Se plantea la posibilidad de que este elemento sea electro independiente, es decir, no requiera de una toma de corriente, incluso pensando en la posibilidad de que este mismo tenga una toma de corriente, para esto se utilizaría un panel solar, con su respectiva batería y circuito de carga, con la posibilidad de agregar un inversor de voltaje al circuito para alimentar aparatos eléctricos que funcionen a 220v.

Parte ll: Proceso de prototipado y cierre del elemento

Elementos del sistema

Se debe estudiar si se puede utilizar el panel de 24v o comprar uno de 12v para que el sistema completo sea de 12v, o en su defecto, comprar un inversor de 24 a 12v.
La batería debe conectarse lo más cerca posible del controlador de carga, por lo cuál se plantea la idea de poner el controlador en la caja de la batería.
El interruptor debe ser un elemento de diseño, aprovechar la apertura del elemento.

El panel de control se constituye por 3 elementos principales, controlador de baterías y panel solar, baterías e inversor de 24v a 12v para el panel solar.
Los elementos, inyector y extractor, dejan de ser elementos de control y pasan a ser solo de ventilación e iluminación.
La batería debe ser accesible y debe poder ser removida para su reemplazo.
El encendido de inyector y extractor debe mantenerse en estos elementos a modo de elemento de diseño.

Materialidad

Se propone el material, aluminio compuesto, por su facilidad de trabajar en cnc router y por este mismo medio la capacidad de generar plegabilidad en el elemento, generada desde un plano. Este material esta compuesto por dos laminas de aluminio separadas por una de polietileno, donde su adherencia es tan potente que permite mecanizado, perforación, plegado y curvado, sin perder sus características técnicas.

Prototipado

Conos de reducción

Para hacer llegar el flujo de aire de los ventiladores al muro del conteiner, y a su vez al exterior, se fabricaron e iteraron en el proceso de ajuste de medidas, varios conos de conección y reduccióna, evitando lo más posible la modificación negativa en el flujo de aire. Se determina que la forma cónica no causa un efecto de cuello botella, por ende el flujo no se ve afectado por este y así la distancia entre el muro del espacio y el elemento puede ser de una falange corta.

Fabricación

Para su fabricación aprovechando las cualidaddes de flexibilidad del aluminio compuesto, se routea la primera capa de aluminio junto con la de polietileno, cenerando pliegues para tridimensionalizar el elemento, quedando este con una apertura de 10 grados arriba y abajo, permitiendo el correcto cierrey adosamiento al muro del conteiner. En conjunto a esto se utilizó la impresión 3D para la fabricación de los conos de reducción del elemento.

Instalación

Para su correcta instalación se fabricaron guías de perforación por medio de autocad y router cnc, se utiliza una broca de copa para metal de 3 pulgadas, en conjunto de brocas varias para la correcta perforación del metal, en conjunto a esto, se soldaron tubos de metal de 3 pulgadas al muro del conteiner, donde se encajan los conos de reducción del elemento por medio de un o ring de goma para sellar el flujo de aire.
Estos tubos de metal están cortados a 45° para evitar la entrada del agua, y debiesen llevar una malla mosquitera que proteja los ventiladores de la intemperie, como proyección.

Planos y render

Se diseñaron dos versiones del elemento, la a corresponde al elemento cerrado en 90° y la b dejando 10° arriba y abajo debido a las cualidades de plegado del material, dadas por la profundidad del calado que permite el doblez. Para la fabricación del elemento extractor, se hicieron varias pruebas de corte de las esquinas de este, para ver el encuentro entre las piezas para el cierre completo del elemento. Luego para la instalación del elemento se fabricaron por medio de router cnc, guías de perforación en tercian de 18mm, a modo de posicionar correctamente el elemento en el muro del conteiner.

Comprobaciones

Al revisar los datos obtenidos desde los datalogger, desde los gráficos obtenidos y los datos duros en formato excel, se logra concluir que en el horario que el elemento extractor estuvo funcionando, la temperatura baja de 2°C a 4°C. Esto pensando en que no se efectuó la perforación diagonal al extractor, para generar ventilación cruzada, y que el elemento en su proyección lleva un segundo elemento, el elemento inyector, el cual inyecta aire forzadamente a modo de generar una ventilación cruzada.

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Conteiner norte: Mide a temperatura, humedad relativa, gpp y punto de rocío a proximidad del elemento extractor.

Conteiner medio: Mide la temperatura, humedad relativa, gpp y punto de rocío en la entrada interior del conteiner.

Conteiner afuera: Mide la temperatura, humedad relativa, gpp y punto de rocío en el exterior del espacio conteiner.

Parte lll: Proyecciones

desvelar el elemento

El elemento se presenta cerrado. Al abrirse este desvela en la luz y el aire que entra y sale, al mismo tiempo, se prende el elemento.
Se piensa una celosia desde el uso de un tinglado a modo de "apersianar" (dotar de las cualidades de una persiana el elemento.
El tinglado hace desaparecer el elemento, pero aparecer un simil mueble, camuflándose de su naturaleza de elemento funcional, más alla de su ornamentalidad.

Parametric kerf/kerfing

El kerfing es la técnica de hacer flexible la madera o un material rigido por medio de patrones de corte que permitan esta flexibilidad. En este caso, el material se separa para vislumbrar el elemento.
Los distintos tipos de kerfing dan la oportunidad de vislumbrar de distintas maneras el elemento desde su formalidad y apertura.
El gesto de estirar el material se recoge y muestra de una manera de dejar pasar tanto la luz como el aire.

Conclusiones

Dado los datos obtenidos desde las mediciones hechas, se puede concluir que el elemento extractor logra bajar de 2° a 4° de temperatura, logrando llegar a cierta temperie del espacio.
Se concluye también que, desde lo observado, la temperie es distinta para cada persona, viniendo esto en parte de la sensación térmica, por lo cual el elemento debiese poder regular la temperatura, más allá de solo bajarla, esto obtenible con el control de las rpm de los ventiladores.
El control de encendido y apagado del elemento extractor debe ser un elemento de diseño, el accionar debe venir del gesto de encender, ya sea desde la forma o desde la electrónica, esta última permitiéndole encender y apagar el elemento desde la distancia, o desde el tocar levemente lo que vendría a ser un interruptor.

Bibliografía

1.Real Academia Española. (2024). Temperatura. En Diccionario de la lengua española (23.ª ed.). Recuperado de https://dle.rae.es/temperatura
2. Inteligencia artificial. (2024, febrero 26). En Wikipedia, La enciclopedia libre. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Sensaci%C3%B3n_t%C3%A9rmica
3.Real Academia Española. (2024). Humedad. En Diccionario de la lengua española (23.ª ed.). Recuperado de https://dle.rae.es/humedad
4.Real Academia Española. (s.f.). Humedad. Enclave de Ciencia. Recuperado de https://enclavedeciencia.rae.es/humedad
5.Quest Climate. (s.f.). Agua vapor en cuartos de cultivo, humedad y cómo medirlo, parte 2: Granos por libra. Quest Climate. Recuperado de https://www.questclimate.com/es/agua-vapor-en-cuartos-de-cultivo-humedad-y-c%C3%B3mo-medirlo-parte-2-granos-por-libra/ RAE