Eficiencia Energética de Edificio con Muro Trombe Probado con Arduino

¿A quién va dirigido este proyecto?

Este proyecto va dirigido a los profesores de secundaria.

Temas a tratar en clase

Hemos creado una guía básica para analizar la eficiencia energética que puede obtener un edificio con un muro de Trombe. Pero recomendamos a los profesores de geología, física, química, matemáticas y tecnología que aprovechen esta guía como el inicio para profundizar en temas de sus ámbitos. Te proponemos unos temas para que amplíes este proyecto:

• Geología
  • Estudio de la interacción del Sol con la Tierra, la atmosfera y las estaciones del año.
• Física y química
  • Estudio de la energía
    • Transferencia de energía en forma de calor, relación con la variación de temperatura y cambios de estado. Propagación del calor (conducción, convección y radiación). Materiales aislantes y conductores en la vida cotidiana.
    • Conservación y disipación de la energía en las transferencias energéticas. Rendimiento de las transferencias energéticas en la vida cotidiana.
    • Fuentes de obtención de energía y sostenibilidad. Medidas individuales y colectivas de ahorro energético.
  • Sostenibilidad del sector de la construcción
    • Principales problemas medioambientales (causas, factores que los intensifican y medidas correctoras). Cambio climático. Acuerdos internacionales.
    • Implicaciones sociales de la sobreexplotación de recursos naturales, contaminación, desertificación, pérdida de biodiversidad.
    • Fuentes de energía no contaminantes actuales y futuras. Energías renovables.
    • Gestión sostenible de los recursos en los hogares.
    • Aplicaciones de nuevos materiales en el campo de la construcción de edificios.
• Matemáticas
  • Pensamiento lógico: resolución de problemas usando la razón usando distintas estrategias
  • Representación de funciones: gráficas y tablas
  • Métodos estadísticos de análisis de datos
  • Magnitudes de mesura
• Tecnología
  • Investigación de información y presentación mediante aplicaciones digitales
  • Programación
  • Circuito eléctrico
  • Representar proyecto en croquis y planos y acotar siguiendo las normas estandarizadas
  • Emprendimiento: acciones relacionadas con la comercialización de productos: embalaje, etiquetado, manipulación y transporte; marketing y promoción; cálculo de costos

En este proyecto se pueden trabajar habilidades como:

• Metodología científica
  • Elaborar hipótesis y contrastarlas a través de la experimentación o la observación y la argumentación y elaborar los informes correspondientes.
  • Interpretar los diferentes puntos de vista en una controversia científica a partir de leer críticamente documentos sobre investigaciones hechas por otros y valorar los procedimientos y las razones aportadas.
  • Elaborar informes sobre el trabajo realizado, utilizando con precisión el vocabulario pertinente.
  • Proponer mejoras o nuevos métodos de eficiencia energética para los edificios (como los institutos, pabellones deportivos o los hogares).
  • Exponer y defender en público el proyecto de investigación realizado
• Teorías y hechos experimentales. Controversias científicas. Diferencia entre ciencia y pseudociencia
  • Lectura de búsquedas hechas por otros y análisis de los procedimientos empleados para la recogida de datos y de las evidencias que se muestran. Por ejemplo, ¿qué pros y contras existen si usamos la humedad para mejorar el cálculo de la eficiencia energética de un edificio?
• Proyecto de investigación y experimentación
  • Fases de una investigación. Diseño de un procedimiento experimental
  • Planteamiento de preguntas e identificación de los modelos científicos teóricos que pueden ser más útiles para responderlas
  • Diseño de investigaciones para validar hipótesis que conlleven controlar variables
  • Argumentación de las conclusiones
  • Proyecto en grupo
  • Presentar y defender en público el proyecto de investigación
• Desarrollo de la autonomía en un proyecto práctico y transversal

¿Qué es el muro de Trombe?

El muro de Trombe es un muro o pared orientada al sol, preferentemente al norte en el hemisferio sur y al sur en el hemisferio norte, construida con materiales que puedan acumular calor bajo el efecto de masa térmica, combinado con un espacio de aire, una lámina de vidrio y ventilaciones formando un colector solar térmico.

El funcionamiento es muy sencillo. Durante el día los rayos de sol atraviesan el cristal, y calientan el muro, que debería tener un color oscuro para mejorar la acumulación de calor.

Durante la noche, el muro empieza a desprenderse de la temperatura acumulada en forma de radiación infrarroja. El cristal es semi-opaco a este tipo de radiación, por lo que el calor es devuelto a la estancia a través de las aperturas superiores del muro. Este aire caliente en circulación ascendente provoca que el aire frío de la habitación sea absorbido por las aperturas inferiores, y una vez calentado vuelva a salir por arriba.

En las aperturas de ventilación deben colocarse sistemas de obturación para que en los meses estivales podamos “desactivar” el sistema. Existen sistemas perfeccionados, en los que la inclusión de un tercer grupo de aperturas en la parte superior y conectadas con el aire exterior, provocan una succión del aire de las estancias, y por lo tanto un flujo de aire hacia el exterior que en verano puede refrigerar la casa.

En este proyecto construirás el muro de Trombe para las horas diurnas de invierno. No usamos ninguna compuerta y que sería necesaria por la noche de invierno o día y noche en verano.

Te dejamos algunas referencias para documentarte más a fondo sobre el muro de Trombe.

Algunos estudios científicos que hablan del muro de Trombe en la web Semantic Scholar.

Te mostramos algunas ideas más sobre estilos de Muro de Trombe en Pinterest.

Material utilizado

• Keyestudio UNO (basada y compatible con Arduino), Placa Imagina TdR STEAM, 2 cables de conexión y pantalla LCD. Todo está incluido en el kit TdR STEAM de Innova Didàctic

• 1 cable de conexión para entradas y salidas extra de Innova Didàctic

• 2 sensores de temperatura DS18b20 de Keyestudio (ideal para ambientes hostiles y ideal para adaptarlo al muro de Trombe con su cable de 1 metro de longitud). La alternativa es usar un sensor de temperatura que trae la placa Imagina TdR STEAM o el LM35 de Keyestudio (ya que tiene 3 pines para conectarlo a la placa Imagina TdR STEAM)

• Caja para simular un edificio (debe ser completamente opaca porque no debe dejar pasar la luz)

• Tapa transparente para simular el vidrio y tiene que cerrar por los laterales para que no entre aire. Debe ser larga, pero que quepa en una cara de la caja (puedes comprobarlo en el apartado Montaje)

• Celo o cinta adhesiva similar para enganchar y tapar agujeros
• Cúter, tijeras o cuchillo para hacer los agujeros a la caja
• Pintura o spray de color oscuro (idealmente negro) para pintar una cara de la caja
• [Opcional] Batería portátil USB (disponible en Innova Didàctic). El cable USB para conectar la batería a la placa Keyestudio UNO ya va incluido con el kit TdR STEAM)

Montaje

Primero construirás el muro de Trombe en un edificio (que la caja representará).

Luego montaremos el sistema electrónico para comprobar la eficiencia energética con el Arduino.

Finalmente integraremos el sistema electrónico al edificio.

Construcción del edificio y el muro de Trombe

Primero deberás decidir a dónde hacer los dos agujeros en la caja (en nuestro caso la caja de cartón) que representen las oberturas al interior del edificio.

Las dos oberturas deben estar distantes la una con la otra y deben estar situadas verticalmente, ya que deben permitir un trayecto más largo para el aire.

Entre la obertura inferior y superior circulará el aire de dentro la caja (o el edificio) y la tapa (que representa el panel de vidrio).

Las oberturas que hagas en la caja deben estar contenidas en la tapa transparente, ya que no debe permitir entrar aire exterior por los laterales porque este interfería con el aire que circula en el muro de Trombe.

El sistema electrónico para medir la eficiencia energética (Arduino, pantalla, cableado…) lo montaremos más adelante.

Una vez hayas hecho los dos agujeros, deberás pintar la cara de la caja donde hay los agujeros. Te recomendamos usar un color oscuro porque retendrá el calor generado por los rayos del sol.

Ahora solo queda pegar la tapa transparente a la caja. Nosotros hemos usado cinta adhesiva.

Montaje del sistema de medida con Arduino

Tienes que conectar los pines de la placa Imagina TdR STEAM con la placa Keyestudio UNO (está basada en el Arduino UNO). Recuerda que estas dos placas ya venían en el kit TdR STEAM.

Conecta los componentes del sistema electrónico así:

Los dos cables de conexión para los pines digitales deberás conectarlos a las siguientes clavijas:

• ⚫️ El cable oscuro debe que ir conectado a la clavija G o GND (ground o tierra)
• 🔴 El cable rojo debe ir conectado a la clavija V o VCC (voltaje)
• 🔵 El cable azul se pone a la tercera clavija que queda S (signal o señal) o D3 (pin digital número 3) o D5 (pin digital número 5)

El cable de conexión I2C deberás conectarlo a las siguientes clavijas:

• ⚫️ El cable oscuro debe que ir conectado a la clavija G o GND (ground o tierra)
• 🔴 El cable rojo debe ir conectado a la clavija V o VCC (voltaje)
• 🟡 El cable amarillo se pone a la tercera clavija SDA (Serial Data Line o conexión de datos)
• ⚪ El cable blanco se pone a la cuarta clavija SCL (Serial Clock Line o conexión del reloj para sincronizar el Arduino con la pantalla)

Finalmente, las conexiones deben quedarte así:

• Sensor de temperatura a la entrada de digital D3 de la placa Imagina TdR STEAM con el cable de conexión para pin digital ⚫️🔴🔵
• Sensor de temperatura a la entrada de digital D5 de la placa Imagina TdR STEAM con el cable de conexión para pin digital ⚫️🔴🔵
• Pantalla a la entrada I2C de la placa Imagina TdR STEAM con el cable de conexión I2C ⚫️🔴🟡⚪

Integrar el sistema electrónico con el muro de Trombe

Deberás colocar la placa Keyestudio UNO y la Imagina TdR STEAM con los sensores de temperatura dentro la caja.

Tendrás que hacer dos agujeros pequeños para:

• Colocar la pantalla al exterior de la caja, necesitamos pasar el cable de conexión I2C
• Conectar el PC o la batería portátil al Arduino (placa Keyestudio UNO)

Los agujeros que hagas tápalos con cinta adhesiva para que no entre ni salga aire del exterior.

Fíjate que el agujero para el cable USB está debajo la caja, esta altura te permitirá conectarlo al ordenador portátil que se encuentre a la mesa de trabajo. A lo mejor tú tendrás una torre de ordenador y el cable tendrá que colocarse a otra parte de la caja.

Pantalla enganchada al exterior de la cara pintada de la caja (la cara frontal). La pantalla nos mostrará las dos temperaturas de los sensores para comprobar la circulación del aire y el aumento de su temperatura

Si posicionas la placa Keyestudio UNO a un lugar diferente al nuestro o si usas otra longitud de cables o si usas otros modelos de sensores de temperatura puede que tengas que variar la distribución dentro la caja.

⚠️ Lo más importante que has de considerar al montar el sistema para tomar medidas es:

– Los agujeros deben tener cubiertos las entradas de aire al exterior. No quieres que el aire exterior interfiere con la circulación de aire interior generado por el muro de Trombe y el edificio.

– Coloca los sensores de temperatura donde no los toque los rayos de luz directamente, porque solo queremos medir la temperatura del aire, no la temperatura de los rayos solares.

– Cuando tengas el montaje hecho, cierra bien la caja con la cinta adhesiva.

Programación del sistema medida de eficiencia energética

El programa en ArduinoBlocks lo encontrarás aquí: http://www.arduinoblocks.com/web/project/439675

Crear un nuevo proyecto ArduinoBlocks 

Regístrate en ArduinoBlocks y crea un nuevo proyecto.

Es importante que selecciones el tipo de placa que sea la Imagina TDR STEAM si estás utilizando esta misma placa para este proyecto. Esto permitirá al programa mostrar alguna función personalizada para esta placa.

Introduce el nombre para este proyecto, por ejemplo: Muro de Trombe.

Ya puedes clicar Nuevo Proyecto.

Configuración inicial: número de baudios, configurar la pantalla

Vas a usar el bloque Inicializar para hacer la configuración. Los bloques dentro del Inicializar solo se ejecutarán una sola vez.

Dentro el bloque Inicializar has de poner el bloque Iniciar Baudios y seleccionar la opción de 115200, porque si pones un valor más bajo a veces puede generar errores en la función gráfica (o Plotter) que más adelante usarás. Pero nos gustaría que experimentaras con distintos valores 💪.

También deberás configurar la pantalla (que es del tipo LCD o Liquid-Crystal Display, es decir, pantalla de cristal líquido).

Medir la temperatura generada en el muro de Trombe

Ahora harás que el programa te muestre las temperaturas en tiempo real por la pantalla que previamente has pegado a la caja y mostrarlas en unas gráficas por el ordenador.

Mostrar las temperaturas por la pantalla

Ahora toca usar el bloque Bucle. Como indica su nombre, el Bucle repetirá todos los bloques que estén dentro de él para siempre, bueno hasta que el Arduino se desconecte de la electricidad (desconectando el cable USB).

Usarás la pantalla que has enganchado al exterior de la caja para saber la temperatura que marca cada sensor de temperatura en tiempo real.

Añade dos bloques LCD Imprimir Columna deberás seleccionar columna 0 y fila 0 y otro bloque con fila 1.

En la fila de arriba de la pantalla (o número 0) imprimirás la temperatura del sensor superior (mira las fotos del Montaje para saber cuál es).

En la fila de abajo de la pantalla (o número 1) imprimirás la temperatura del sensor inferior.

Añade dos bloques de texto «____» uno en cada bloque LCD Imprimir Columna Fila con el texto T. Arriba y T. Abajo.

Añade dos bloques más LCD Imprimir Columna Fila a la columna 9 y las filas 0 y 1.

La columna 9 significa que se imprimirán los valores a partir de la columna 9 y las sucesivas (columna 10, 11, 12…).

Pon dos bloques Temperatura (DS18B20) dentro el bloque LCD Imprimir Columna Fila.

Para la fila 0 de la pantalla, debes seleccionar el sensor de temperatura que has situado arriba en la caja y debe estar conectado al pin número 3 (que es el mismo pin de la placa Imagina TdR STEAM con el nombre D3).

Para la fila 0 de la pantalla, debes seleccionar el sensor de temperatura que has situado arriba la caja y debe estar conectado al pin número 5 (que es el mismo pin de la placa Imagina TdR STEAM con el nombre D5).

Hacer la gráfica de las temperaturas

Desde ordenador podrás visualizar las dos temperaturas en tiempo real mediante dos gráficas.

Debes añadir dos bloques Plotter y dos bloques texto «____». El bloque texto sirve para poner un título a la gráfica.

Cada bloque Plotter crea una nueva gráfica. Si tienes dos bloques Plotter significa que se crearán dos gráficas.

Mira el siguiente ejemplo:

Cada línea de la gráfica necesitarás asignarle las temperaturas, por esta razón, debes añadir en los bloques Plotter el bloque Temperatura (DS18B20) en el pin 3 y el pin 5.

Para terminar la programación, debes poner el bloque tiempo Esperar 1000 milisegundos para que el programa espere 1 segundo a ejecutar el siguiente bloque.

¿Cómo convertir segundos a milisegundos?

1 segundo = 1000 milisegundos

2 segundos = 2000 milisegundos

1/2 segundo = 0,5 segundos = 500 milisegundos

Ya has terminado el programa 🎉.

Ya puedes subir el programa a la placa Keyestudio UNO (recuerda tener el ordenador conectado a la placa Keyestudio UNO con el cable USB que hemos puesto en la caja que sino no se subirá nada 😉).

Si aún no sabes cómo subir el programa a la placa en ArduinoBlocks, aquí tienes unos tutoriales introductorios.

Cuando subes el programa, lo que estás haciendo es reemplazar el programa que pueda contener el chip de la placa y grabarle el tuyo. Cada modificación que hagas debes subir el programa a la placa.

Medir la eficiencia energética del muro de Trombe

Hay dos maneras para comprobar si el muro de Trombe calienta el aire de dentro del edificio:

• Mediante la pantalla
• Mediante las gráficas y analizando los datos en el Excel

Para medir la eficiencia energética, transporta el montaje a un lugar donde le toque luz solar directamente.

Mostrar las temperaturas por la pantalla

Para que la pantalla imprime a tiempo real las temperaturas, solo tienes que conectar la batería portátil (en el caso que tengas una) y ya funcionará. También puedes alimentar el sistema electrónico con el ordenador.

Si le toca el sol directamente durante unos minutos, el muro de Trombe permitirá que los rayaos de sol calienten el aire interior.

Después te explicaremos el porqué la temperatura superior está más alta que la inferior.

Temperaturas en las gráficas, recolectar los datos y exportar a Excel

Ahora tendrás que conectar el ordenador al Arduino. Comprueba que el Arduino Connector esté conectado y el COM de este Arduino sea el correcto (si tienes problemas, consulta algún manual aquí).

Clica la flecha del botón Consola y luego Serial Plotter.

Clica Conectar y selecciona 115200 baudios.

Ahora se visualizarán las dos gráficas de las dos temperaturas.

También grabarás los datos de la gráfica para después descargarlos en un fichero. Para recopilar los datos, clica el botón 🔴.

Por defecto el ArduinoBlocks registrará 1000 datos, si quieres incrementar el número, pulsa la lista Max Samples/serie. A 5000 samples/serie puede haber errores.

Hay otra función interesante que es cuando ArduinoBlocks esté registrando los datos, aparecerá un número que irá incrementándose. Este número son los datos que ya se han recopilado.

Puedes ver que a lo largo de los minutos a nosotros la temperatura nos sube.

Puedes disminuir el zoom de las gráficas con la rueda del ratón del ordenador.

La función Plotter del ArduinoBlocks debería mostrar datos cada segundo (¿recuerdas que has puesto un bloque Esperar 1000 milesegundos?), pero si te fijas, a veces muestra varios valores en menos de 1 segundo (o 1000 milisegundos). Esto se debe a que el Plotter está en modo BETA (modo pruebas).

Una vez hayas registrado todos los valores que creas pertinentes, clica el botón stop 🟧. Luego clica el botón CSV para descargar los dos ficheros .csv: un fichero para cada gráfica, o lo que es lo mismo, uno para cada temperatura.

Aquí tienes nuestros archivos para que puedas hacer pruebas.

Ahora para hacer una gráfica en el Excel debes ir a Insertar, luego la sección Gráficos, a Línea y selecciona la primera opción.

Automáticamente el Excel debería generarte una gráfica de línea.

Si quiere ver las dos gráficas en la misma pantalla, crea un Excel nuevo. En una Hoja del nuevo Excel copia los datos de un archivo csv que antes se han descargado, luego haz lo mismo en la otra hoja, pero con el otro archivo.

Haz las gráficas en cada Hoja y luego copia de una hoja a la otra.

Después de modificar algún título de las gráficas y su tamaño, debería quedar de la siguiente forma.

Ahora ya tenemos unas gráficas muy chulas 💘.

Análisis de los datos

Hay una diferencia entre la temperatura de arriba y la de abajo, eso se debe a que el aire caliente tiende a subir y el frío a bajar. Esto se llama movimiento de convección y se encuentra por todas partes en el planeta Tierra.

En las gráficas puedes ver como la temperatura del edificio sube gracias al muro de Trombe gracias a que escalfa el aire en el interior de la tapa y además la pared es negra, que aún incrementa más la temperatura.

¿Cómo es que la temperatura disminuye en algún momento? Pues es debido a que durante la prueba pasaba una nube y tapaba los rayos del sol, esto provocaba que el aire se enfriase.

Podemos ver que si este sistema se aplicara en un edificio real, el edificio en invierno podría calentarse con la ayuda del muro de Trombe, sin gasto de electricidad, aumentando su eficiencia energética.

Retos

• Tapar las oberturas (superior e inferior) del muro de Trombe para ver cambia las temperaturas.
• Dejar entrar aire del exterior dentro la caja y ver cómo afecta a las temperaturas.
• Buscar y analizar otros métodos de climatización de edificios. Hacer hipótesis sobre los problemas y beneficios es estos métodos.
• En el programa ArduinoBlocks, poner dos variables, una para cada temperatura; esto permitirá no repetir los bloques de los sensores y para que verificar que el valor de la pantalla y el de la gráfica son el mismo.

Agradecimientos

La idea fue propuesta por la organización sin ánimo de lucro Robolot Team, se desarrolló por Robolot Team con la ayuda del joven Gurjit e Innova Didàctic.