Home Improvement
Problem Statement
In the village of San Pablo, Tacana, it is very cold, especially during the night. The homes are made with adobes for the walls, corrugated metal for the roofs, and earth for the floors (sometimes covered with tiles and varnish). Therefore, there are three ways for the houses to lose heat:
1. vapor entering through the floor (increases conductivity of air)
2. heat escaping through the adobes
3. heat escaping through the roof.
In the beginning our group wanted to work on all parts of the house. However, after a few weeks, we realized that the majority of the heat in a house escapes through the roof (calculations below). Therefore, we decided to focus on the floors and roofs. For the floors we created a moisture barrier and for the roofs we tested different types of insulation.
We also worked on a hinged panel to allow light into the first room of Casa Guateca.
Calculations
The following are energy and cost analyses for the insulation and reflective panel projects.
Insulation
For the insulation we calculated the heat loss through the roof and walls using the following formula:
We calculated heat loss through roof:
Assume: A= 60m2, k=25, x=.001m, T=293Kinside – 285Kout=13K
Q= 19.5MJ Do you mean 19.5 MW? I think that the calculation is a power calculation, as the amount of heat you lose should depend on the amount of time.
We then calculated heat loss through the walls:
Assume: A= 300m2, k=1, x=.001m, T=293Kinside – 285Kout=13K
Q= 3.9MJ.
This might be 3.9 MW if the walls were one mm thick. However, I think that the walls are close to a meter thick, so I think that the heat loss would be on the order of 4 kW? The windows would be a much greater consideration, no?
So there’s a lot more heat loss through the roof than through the walls
We then looked at embodied energy of the insulation compared to embodied energy of a space heater.
| Material | Unit Energy | Total Energy |
| Woven Bag | 7 710 MJ/m3 | 3.9MJ |
| Pine Needles | 0 | 0 |
| Wool | 15MJ/kg | 150MJ/bag |
| Pumice Rock | 0.04 MJ/kg | .2MJ |
The total energy cost for a heater is:
-Assume it runs 7hrs/day for 100days of the year, which equals 3780MJ
-Embodied Energy of heater: .7 MJ
-So the total cost is 540MJ+3780.7MJ=4320.7MJ
The total energy cost for insulation is 154.1MJ
So the energy offset is:
4320.7 MJ – 154.1 MJ = 4167 MJ
Finally we did a cost analysis for the insulation.
| Material | Unit Cost (Q.) | Total Cost (Q.) |
| Woven Bag | 6/bag | 6 |
| Pine Needles | 0 | 0 |
| Wool | 25/bag | 2.5 |
| Sawdust | 20/bag | 2 |
| Total | 10.50/bag |
The total cost for the most expensive option of insulation is 10.50(Q/bag)*75bags= 787.5Q assuming we cover the whole underside of the roof. Insulation usually won’t offset any costs because most Pablenses don’t use heaters. However, for homes that have an electrical heater, there will be an offset cost of:
-Assume the heater costs ~480Q and is used 7 hours/day, for 100 days/year
-480Q+ 1.5kW*7hours/day*100days/year*$.15/KWh*8Q/$
=1,740.00 Q
-So the cost offset is: 1740-787.5= 952.50Q
Reflective Panel
For the reflective panel we calculated the amount of light energy gained by first calculating power.
First we calculated power entering through the open section of the roof. We assumed 450 W/m2 since the light entering through the panel isn’t direct sunlight, it’s just light from the sky.
Why did you assume 450 W/m2?
For the reflective panel we assumed a 20% efficiency because of shade and the aluminum coated mylar isn’t perfectly reflective. The panel has the same area as the hole in the roof so the area is equal, and it therefore receives equal power from the sun. The power brought to the room is:
Please look up the reflectivity of the aluminum coated mylar. Does it SEEM to be only 20% reflective?
So in total we’ll receive 540W+240W=780W when there is sunlight. That is about 8 100 W light bulbs of power.
Finally, we can calculate the amount of energy saved through using the reflective panel.
For the dry season we assumed 7 hours of sunlight per day and got:
For the wet season we assumed 5 hours of sunlight per day and got:
So assuming 200 days of dry season and about 150 days of wet season we save a total of:
Next we looked at embodied energies of the two systems:
| Material | Unit Energy | Total Energy |
| Aluminum Coated Mylar | 39 960 MJ/m3 | 6MJ |
| Nails | 32MJ/kg | 16MJ |
| Hinges & Screws | 32MJ/kg | 48MJ |
| Wood | 1380MJ/m3 | 41.4MJ |
| Total | 111.4MJ |
A light bulb has an embodied energy of .3 MJ along with the energy to power the light (assuming you run it for 3hrs/day for 1 yr) 360MJ for a total of 360.3MJ. The total energy to build the panel is 111.4 MJ. The energy offset is 360.3 MJ-111.4 MJ=249.9 MJ.
Finally we compared the cost of the panel to the cost of having a light bulb for one year.
| Material | Unit Cost (Q.) | Total Cost (Q) |
| Aluminum Coasted Mylar | 64/m2 | 8 |
| Nails | 4/lb | 0.5 |
| Hinges & Screws | 91.50 | 183 |
| Glue | Donation | 0 |
| Wood | 30/plank | 150 |
| Total | – | 341.50 |
We found the total cost of the panel: 334.5Q~$41.82.
And the total cost of a light system:
-Convert MJ to KWh
115400*103KJ*1hr/3600s=3205.5kWh
-Assume $0.15/KWh
3205.5KWh*$.15/1KWh=$481.80
So we save:
$481.80-$41.82= $439.98
That’s if you had 8x100W lightbulbs, which you likely would not have.
Vapor Barrier
For the vapor barrier we used the second room in Casa Guateca.
Construction
We dug out 1.5 inches of dirt and then put 1/8 of an inch of sand over the whole floor. Next, we placed a big piece of plastic to cover the entire layer of sand. Finally, we replaced the dirt over the barrier.
Future
In the future, Mace, or any homeowner, can cover this moisture barrier with wood or tiles, and will no longer have trouble with moisture seeping up from the ground.
Insulation
As shown in the calculations above, most of the heat lost in a house is through the roof. For this reason, our group decided to investigate roof insulation.
Types of Insulation
We decided to try two types of insulation: bricks and woven bags full of different materials.
Bricks
We experimented with 4 types of bricks: slip pine, slip wool, mud with pumus rock, and mud with sand. The reasoning behind each brick is explained below.
1.Slip* pine
a. Pine needles are free
b. The tests from the class showed that slip straw is a good insulator, but pine needles are free in San Pablo
2. Slip pine with Sand
a. The sand increases the density of the slip
3. Slip wool
a. Wool seems like a good insulator
*Slip means that the material is coated in mud
Woven Bags
We tried woven bags filled with 3 different materials: pine needles, pieces of paper, and wool. The reasoning behind each material is explained below.
1. Pine needles
a. Free
b. Lightweight
2. Saw Dust
a. Cheaper than wood
b. Wood is bad conductor, and therefore a good insulator
3. Wool
a. Seems like a good insulator
Constructing the Insulation
Our insulation needs to be easily constructed so that it’s replicable. Below are the details of construction.
Bricks
To construct the slip pine and slip wool bricks we started out with a bucket of mud with a milk shake texture. Then, we coated each material with the mud and put it in a brick mold.
For the bricks with pumice rock and sand we simply mixed the materials with the same mud we used for the slip bricks. Then we put each mix in the brick mold to form the bricks.
Many of the bricks didn’t hold together well after drying.
Woven Bags
To build the woven bag insulation we sewed sections into the bags and then filled the sections with material.
Testing the Insulation
Initially we put up a woven bag full of pine needles in the roof of Doña Feli’s house. We put temperature probes up for 24 hours but the results were off due to calibration errors. We then decided to test each of our insulation ideas in a miniature house before putting any more up in a house.
Process
•We tested each type of insulation using a box with a laminate roof
•We warmed the inside of the casita using an electric stove as a heat source
•The insulation was placed on top of the corrugated metal roof, with a pot of water placed on the insulation
• We documented the change in temperature in 20 minutes.
•We then repeated the test with the best 3 insulations, only instead documenting the time needed to change the temperature 5 degrees.
Results
We found that the woven bags worked better than the bricks. We then did some extra tests with the woven bags to determine which bagged material was best. The sawdust yielded the best results.
Future
We determined that the woven bag insulation is best. We put the bags up in Doña Feli’s house and we’re going to see how they are in a few months.
Light Panel
The light panel allows light into the first room of Casa Guateca without the need of electricity during the day. The design is fairly simple: we connected some planks together to make the door, we connected the door to the floor using hinges, we then glued a large piece of aluminum coated mylar to the underside of the door, and finally cut pieces of wood to support the door. Before choosing aluminum coated mylar we tested white paper and the mylar. We decided that the metal, even though it created some glare, provided more light for the room.
Light panel
With panel open
Future
In the future this technology can be implemented in other houses with exposed second floors. It would also be interesting to look into changing sections of roof to plastic instead of corrugated metal.
Mejoramiento de Casas
Declaración de la Problema
En el pueblo de San Pablo, Tacana, hay mucho frío, especialmente durante la noche. Las casas son hechas de adobes para los paredes, lámina de metal para los techos, y tierra para los pisos (a veces cubierto con bloks y barniz). Entonces, hay tres maneras para perder calor:
- 1. vapor entrando por el piso (aumenta conductividad del aire)
2. calentura saliendo por los adobes
3. calentura saliendo por los techos.
Al inicio nuestro grupo quería trabajar en todas las partes de la casa. Pero, después de algunas semanas, dimos cuenta de que la mayoría de la calentura sale por el techo (calculaciones abajo). Entonces, decidimos enfocar en los pisos y techos. Para los pisos hicimos una barrera de vapor. Para los techos probamos diferentes tipos de aislamiento.
También hicimos una puerta para traer luz al primer cuarto de Casa Guateca.
Calculaciones
Los siguientes son análisis de energía y costo para los proyectos de aislamiento y panel reflectivo.
Aislamiento
Para el aislamiento calculamos la pérdida de calor por los techos y paredes usando la formula siguiente:
Calculamos pérdida de calor por el techo:
Suponer: A= 60m2, k=25, x=.001m, T=293Kadentro – 285Kafuera=13K
Q= 19.5MJ
Después calculamos la pérdida de calor por los paredes:
Suponer: A= 300m2, k=1, x=.001m, T=293Kadentro – 285Kafuera=13K
Q= 3.9MJ
Entonces hay mucho más pérdida de calor por el tech en comparación a los paredes.
Después investigamos la energía incorporada en el aislamiento en comparación a la energía de un calefactor eléctrico.
| Material | Energía Por Unidad | Energía Total |
| Costal | 7 710 MJ/m3 | 3.9MJ |
| Hoja de Pino | 0 | 0 |
| Lana | 15MJ/kg | 150MJ/costal |
| Piedra Poma | 0.04 MJ/kg | .2MJ |
Costo total de energía para el calefactor es:
-Supongamos que sea prendida por 7hrs/día 100 días del año, que es igual 3780MJ
-Energía incorporada en calefactor: .7 MJ
-Entonces el costo total es 540MJ+3780.7MJ=4320.7MJ
El costo total de energía es 154.1MJ
Entonces el ahorro de energía es:
4320.7 MJ – 154.1 MJ = 4167 MJ
Finalmente hicimos un análisis de costo para el aislamiento.
| Material | Costo por Unidad (Q.) | Costo Total (Q.) |
| Costal | 6/costal | 6 |
| Hoja de Pino | 0 | 0 |
| Lana | 25/costal | 2.5 |
| Aserrín | 20/costal | 2 |
| Total | 10.50/costal |
El costo total para el aislamiento mas caro es 10.50(Q/costal)*75bags= 787.5Q diciendo que cubriríamos todo el techo. Aislamiento normalmente no va a ahorrar dinero porque la mayoría de Pablenses no usan calefactores. Pero, para casas con un calefactor eléctrico, será un ahorro de:
-suponga que el calefactor cuesta ~480Q y está usado 7 horas/día, por 100 días/año
-480Q+ 1.5kW*horas/día*100días/año*$.15/KWh*8Q/$
=1,740.00 Q
-Entonces el ahorro en total es: 1740-787.5= 952.50Q
Panel Reflectivo
Para el panel reflectivo calculamos la cantidad de energía de lus ganado.
Primero calculamos el poder entrando por la parte del piso abierto. Supongamos 450 W/m2 porque el luz entrando por el panel no viene directamente del sol, solo es luz del cielo.
Para el panel reflectivo suponemos una eficiencia de 20% porque hay sombra y el mylar no es perfectamente reflectivo. El panel tiene la misma area que el oyo entonces la area es igual, y entonces recibe el mismo cantidad de poder del sol. La cantidad traido al cuarto es:
Entonces en total recibimos 540W+240W=780W cuando hay sol. Esto es aproximadamente 8 100 W focos de poder.
Finalmente, podemos calcular la cantidad de energía ahorrada usando el panel reflectivo.
Para el estacíon seco suponimos 7 horas de luz por día y encontramos:
Para la época mojada suponimos 5 horas de luz por día y encontramos:
Entonces presuponiendo 200 días en la época seca y aproximadamente 150 días en la época mojada, ahorramos un total de:
Proximamente exploramos las energías incorporadas en las dos sistemas:
| Material | Energía por Unidad | Energía Total |
| Aluminum Coated Mylar | 39 960 MJ/m3 | 6MJ |
| Clavos | 32MJ/kg | 16MJ |
| Armellas y tornillos | 32MJ/kg | 48MJ |
| Tablas | 1380MJ/m3 | 41.4MJ |
| Total | 111.4MJ |
Un foco tiene .3 MJ de energía incorporada con 360 MJ de energía para manejar la luz (suponiendo que lo usas por 3hrs/día por 1 año). La energía total para el panel es 111.4 MJ. Entonces el ahorro de energía es 360.3 MJ-111.4 MJ=249.9 MJ.
Finalmente comparamos el costo del panel con el costo para tener un foco por un año.
| Material | Costo por Unidad (Q.) | Costo Total (Q) |
| Aluminum Coasted Mylar | 64/m2 | 8 |
| Clavos | 4/lb | 0.5 |
| Armellas y tornillos | 91.50 | 183 |
| Pegamento | Donation | 0 |
| Madera | 30/plank | 150 |
| Total | – | 341.50 |
Encontramos que el costo en total para el panel es:334.5Q~$41.82.
Y el costo en total para el sistema de luz es:
-Convierte de MJ a KWh
115400*103KJ*1hr/3600s=3205.5kWh
-Supone $0.15/KWh
3205.5KWh*$.15/1KWh=$481.80
Entonces ahorramos:
$481.80-$41.82= $439.98
And the total cost of a light system:
-Convert MJ to KWh
115400*103KJ*1hr/3600s=3205.5kWh
-Assume $0.15/KWh
3205.5KWh*$.15/1KWh=$481.80
Barrera de Vapor
Para la barrera de vapor usamos el segundo cuarto de la Casa Guateca. Excavamos una pulgada y media de tierra, y después pusimos 1/8 pulgadas de arena por todo el piso. Próximo, colocamos un gran pedazo de plástico para cubrir el piso entero. Finalmente, regresamos la tierra encima de la barrera.
Futuro
En el futuro, Mace, o cualquier propietario, podría cubrir la barrera con un piso de madero o con bloks, y ya no va a sufrir de vapor entrando de la tierra debajo.
Aislamiento
Como muestran los calculaciones arriba, la mayoría de la calentura en una casa sale por el techo. Por eso, nuestro grupo decidió investigar aislamiento para los techos.
Tipos de Aislamiento
Para nuestro aislamiento decidimos probar dos formas: ladrillos y costales llenos de diferentes materiales.
Ladrillos
Probamos 4 tipos de ladrillos: slip pino, slip lana, lodo con piedra poma y lodo con arena. Los razones por cada tipo están explicados en la lista abajo.
- 1. Slip* pino
a. pino es gratis
b. las pruebas de la clase mostraron que slip paja es un buen aislador, pero tienes comprar paja, entonces decidimos probar pino.
2. Slip* lana
a. lana parece un buen aislador
3. lodo con piedra poma
a. piedra poma mantiene calor
4. lodo con arena
a. los dos son conseguidos fácilmente
*Slip significa que la material está revestida en lodo
Costales
Probamos costales llenas con 3 materiales: hoja de pino, pedacitos de papel y lana. Los razones por cada material están explicados abajo.
- 1. hoja de pino
a. es gratis
b. no pesa mucho
2. pedacitos de papel
a. puede prevenir basura
b. es gratis si reciclas papel usado
3. lana
a. parece un buen aislador
Construyendo el Aislamiento
Nuestro aislamiento tiene que ser fácil de construir para que sean replicables. Estos son los detalles de construcción.
Ladrillos
Para construir los ladrillos de slip pino y slip lana empezamos con un bote de lodo con la textura de un licuado. Después, revistamos cada material en el lodo y lo pusimos en un molde de ladrillo.
Para los ladrillos de lodo con piedra poma y arena simplemente mezclamos el lodo de los slip materiales con piedra poma y arena. Después pusimos cada mezcla en el molde para formar los ladrillos.
Algunos de los ladrillos no mantenieron su forma después de secar.
Costales
Para construir el aislamiento con costales costuramos secciones en el costal y después llenamos los secciones con material.
Probando el Aislamiento
Al inicio pusimos un costal lleno de hoja de pino debajo del techo de Doña Feli. Conectamos probadores de temperatura por 24 horas pero los resultados salieron mal por errores en calibración. Entonces decidimos a probar cada tipo de aislamiento en una casa miniatura antes de colgar más en una casa.
Proceso
•Probamos cada tipo de insulación usando una caja con un techo de lámina
•Calentamos una casita usando una estufa eléctrica
• pusimos nuestro aislamiento encima del techo, con una holla de agua encima del aislamiento
•Documentamos el cambio de temperatura en 20 minutos
•Repitimos las pruebas para los 3 mejores aislamientos, documentando el tiempo para un cambio de temperatura de 5 grados
Resultados
Encontramos que los costales funcionaron mejor que los ladrillos. Hizimos algunas extra pruebas con los costales para encontrar el mejor tipo de aislamiento. El aserrín sirvió mejor.
Futuro
Determinamos que los costales so el mejor aislamiento. Pusimos los costales en la casa de Doña Feli y vamos a ver como están en unos meses.
Puerta de Luz
La puerta de luz sirve para desplazar la necesidad para luz eléctrica en el primer cuarto de Casa Guateca durante el día. El diseño es bastante sencillo: conectamos algunas tablas para hacer la puerta, conectamos la puerta al piso con armellas , pegamos un gran pedazo de material reflectivo en el parte de abajo de la puerta y finalmente cortamos pedazos de madera para soportar la puerta. Antes de escoger el metal probamos papel blanco y el metal. Decidimos que el metal, aunque brillaba un poquito, hizo más luz en el cuarto.
Panel Reflectivo
Panel Abierto
Futuro
En el futuro esta tecnología puede ser implementado en otras casas con techos expuestos. También será interesante investigar cambiar partes de techos a plástico en ves de lamina.
Estimated Project Budget
Prototipo de Hogar dulce hogar.doc