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Perfil horario de la contribución antropogénica al balance superficial energético de la región urbana de la Ciudad de México
Gloria Victoria Salas Cisneros
Sede Regional Centro
14 de Octubre de 2015
Temario
• Introducción
• Objetivos
• Antecedentes
• Situación actual
• Metodología
• Análisis de resultados
• Conclusiones y posibles mejoras
Introducción
Temperatura media anual
Temperatura media anual (Tacubaya) ∆T= 3° en 100 años
Temperatura media anual (Guadalajara) ∆T= 5° en 50 años
Capa superficial
Balance superficial de energía de la Ciudad de México
(A. Tejeda-Martínez y E. Jáuregui, 2004)
Fuentes de calor - BSE
Fuentes de calor antropogénico
Situación actual
Los valores mayores de QF típicamente se encuentrandurante el invierno en los centros urbanos deciudades ubicadas en latitudes altas, debidoprincipalmente al mayor uso de energía para lacalefacción durante esa estación (Taha, 1997). En lamayoría de las grandes ciudades de EE.UU., estefactor se encuentra en un rango de 20 a 40 Wm-2 enverano y entre 70 y 210 Wm-2 en el invierno.
Calor antropogénico y radiación neta
CiudadCalor antropogénico Radiación neta
Wm-2
Chicago 53 -
Cincinnati 26 -
Los Ángeles 21 108
Fairbanks 19 18
San Luis 16 -
Manhattan, Nueva York 117-159 93
Moscú 127 -
Montreal 99 52
Budapest 43 46
Osaka 26 -
Vancouver 19 -
Berlín 21 57
Singapur 17-113Fuente: Información de Taha (1997)
Calor antropogénico en ciudades tropicales
QFMax=113 W/m2
Metodologías
• Método de inventario o Top-dwon, que se basaprincipalmente en información sobre el consumo deenergía, o datos resultantes de encuestas de consumo, estainformación es proporcionada generalmente por las mismasempresas del sector eléctrico; por la agregación de lainformación puede ser considerada una metodología dearriba hacia abajo.
• Método de balance energético en un volumen de control, elcual consiste en la medición de la radiación neta. Estemétodo puede combinarse con información satelital.
• Por último, está la estimación basada en la construcción demodelos energéticos para la edificación urbana. Con esteenfoque se trata de dar mayor certidumbre al calorgenerado por la edificación, mediante la modelación delconsumo energético y el calor expulsado, metodologíabottom-up.
Modelo (Grimmond, 1992)
(Smith et al., 2009)
a) Flujo deltráfico
b) Consumoenergéticodoméstico yno-doméstico
c) Tasametabólica
humana
Perfiles de las fuentes de calor antropogénico
Modelo: Información satelital
Objetivo
• Estimación horaria de la contribución antropogénicaal balance energético superficial del suelo urbano dela Ciudad de México desagregada en las principalesfuentes de calor antropogénico.
Antecedentes: Evolución de la población urbana y rural en México
Densidad de población en ZM
Emisiones (Gg de CO2e)asociadas al consumo de combustibles fósiles (PJ)
TCMA:2.3%
Parque vehicular en distintas Zonas Metropolitanas de México, 1990-2010
TCMA: 5.3%
Balance energético superficialhorario de la Ciudad de México
1998 , QF 20 W/m2
20 W/m2
Para la Ciudad de México en 1998 se estimó el valor de la componente antropogénica del balance superficial en 20 W/m2
Metodología y validación de la estimación de la componente de calor antropogénico del BSE
Edificación
Industria
Transporte
Inventarios
QFE
QFI
QFV
QF
Balance
Residual de
Energía
Validación
local
Modelación de
los sistemas de
Transporte
Metabolismo H.
Modelación de la
actividad de
humana
QFM
Consumo
energético
Consumo
energético
Consumo energético de la Ciudad de México (2010)
Sector
Ciudad de México Nacional
Electricidad Combustibles Total ElectricidadCombustibles fósiles y
renovablesTotal
PJ
Industria 122.00 65.00 187.00 414.54 739.72 1,154.26
Transporte 10.00 322.00 332.00 4.27 2,166.46 2,170.73
Residencial 52.00 71.00 123.00 177.90 569.15 747.05
Comercio y servicios 50.00 14.00 64.00 75.11 74.53 149.64
Agricultura y forestal - - - 30.98 116.52 147.50
Otros 45.93 45.93
Total 234.00 472.00 706.00 702.80 3,666.38 4,415.11
Participación porcentual Sector %
Industria 52.1 13.8 26.5 59.0 20.2 26.1
Transporte 4.3 68.2 47.0 0.6 59.1 49.2
Residencial 22.2 15.0 17.4 25.3 15.5 16.9
Comercio y servicios 21.4 3.0 9.1 10.7 2.0 3.4
Agricultura y forestal - - - 4.4 3.2 3.3
Otros - - - 6.5 - 1.0
16 % Nacional
Ciudad de México
2010
25% uso de suelo urbano (5,065 km2)
50% de la población está
en los municipios conurbados
físicamente (20 M)
Actividad horaria Emisiones de CO para fuentes
móviles en la ZMVM
Curvas de demanda horaria de energía eléctrica del SEN
(Central)
Emisiones de CO para fuentes puntuales en la
ZMVM
Emisiones de COV para fuentes de área en la
ZMVM
Actividad horaria
ZMVM, 2010
Hora
Fuentes de Emisiones Distribución horaria porcentual
Emisiones de
CO totales
(Móviles)
Puntuales
Área
(Comercial,
industrial y
servicios)
Área
(Residencial)
Emisiones de CO Emisiones de COV
fuentes de área
Totales (F.
Móviles)
Fuentes
puntuales
Comercial
industrial y
servicios
Residencial
Toneladas por hora de CO
(t/h)
Toneladas por hora de COV
(t/h)%
00:00 5 0.61 4.50 4.00 0.10 3.15 2.23 2.33
01:00 8.4 0.6 4.50 4.50 0.16 3.09 2.23 2.62
02:00 8.8 0.59 4.50 4.50 0.17 3.04 2.23 2.62
03:00 9.7 0.59 4.50 4.50 0.19 3.04 2.23 2.62
04:00 43.2 0.59 5.50 5.50 0.84 3.04 2.73 3.21
05:00 171 0.6 4.50 6.50 3.33 3.09 2.23 3.79
06:00 436.1 0.59 4.50 8.00 8.50 3.04 2.23 4.66
07:00 541.7 0.88 5.50 8.50 10.55 4.54 2.73 4.96
08:00 384.9 1.01 9.50 8.50 7.50 5.21 4.71 4.96
09:00 257.6 1.04 14.00 8.75 5.02 5.36 6.95 5.10
10:00 209.7 1.07 14.50 9.00 4.09 5.52 7.20 5.25
11:00 189.4 1.07 14.50 9.00 3.69 5.52 7.20 5.25
12:00 275.8 1.06 14.50 9.00 5.37 5.47 7.20 5.25
13:00 348.9 1.05 14.50 9.00 6.80 5.42 7.20 5.25
14:00 366.5 1.04 14.50 8.75 7.14 5.36 7.20 5.10
15:00 277.1 0.9 11.50 8.75 5.40 4.64 5.71 5.10
16:00 232.6 0.83 11.50 8.75 4.53 4.28 5.71 5.10
17:00 253 0.8 10.50 8.50 4.93 4.13 5.21 4.96
18:00 376.3 0.79 6.50 8.50 7.33 4.07 3.23 4.96
19:00 251.4 0.77 5.50 8.50 4.90 3.97 2.73 4.96
20:00 222.3 0.77 5.50 7.50 4.33 3.97 2.73 4.37
21:00 150.6 0.75 5.50 4.50 2.93 3.87 2.73 2.62
22:00 84.5 0.71 5.50 4.50 1.65 3.66 2.73 2.62
23:00 27.9 0.68 5.50 4.00 0.54 3.51 2.73 2.33
Total 5,132.40 19.40 201.50 171.50 100 100.0 100.00 100.00
Distribución horaria
Distribución horaria de combustión de combustibles fósiles la Ciudad de México, 2010
(1.00)
1.00
3.00
5.00
7.00
9.00
11.00
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
Po
rce
nta
je (
%)
Hora
Transporte (CO) Industria (CO) Comercial, industrial y servicios (COV) Residencial (COV)
Demanda eléctrica horaria correspondiente al subsistema Central del SEN (2010)
-
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
-1 4 9 14 19 24
MW
h/h
Hora del día
Consumo eléctrico
Distribución horaria % del calor por el metabolismo humano
-
1
2
3
4
5
6
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00
%
Hora
7 a 23 hr 115 W/p
23 a 7 hr 72 W/p
Subcomponente vehicular (QFV)
Donde:nij es el número de vehículos,Li es la distancia recorrida por año por tipo de vehículo,Efij es la eficiencia energética vehicular por tipo y por año-modelo, A es el área con uso de suelo urbano.
Donde:Ce Es el consumo de energía eléctrica por el transporte.
Análisis de resultados:Contribución antropogénica horaria al BSE por fuente
-
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Wm
-2
HoraFuentes móviles (Combustibles) Industria (Combustibles)Residencial (Combustibles) Comercial (Combustibles)Metabolismo humano Contribución antropogénica (Combustibles)Fuentes móviles (Energía E.) Industria (Energía E.)Residencial (Energía E.) Comercial y servicios (Energía E.)Contribución antropogénica (Energía E.) Total
[9.6 Wm-2, 37.68 Wm-2],
Contribución antropogénica al BSE de la Ciudad de México por subcomponente,2010
-
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Wm
-2
Hora
Transporte Industria Residencial Comercial y Servicios Metabolismo Humano Total
Validación del modelo
• El valor estimado experimentalmente fue de 20Wm-2.
• Valor promedio horario de 22.1 (4.9) Wm-2,
• Diferencia del 13% que está dentro del rango dadopor la incertidumbre asociada al valor.
Conclusiones
-
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Wm
-2
HoraFuentes móviles (Combustibles) Industria (Combustibles)Residencial (Combustibles) Comercial (Combustibles)Metabolismo humano Contribución antropogénica (Combustibles)Fuentes móviles (Energía E.) Industria (Energía E.)Residencial (Energía E.) Comercial y servicios (Energía E.)Contribución antropogénica (Energía E.) Total
f >I >D >
f <<I <<D <
22.08 (4.94) Wm-2.
50%
26% 24%
f<I <D <
Conclusiones
• De acuerdo al perfil horario obtenido para QF se observa unincremento considerable en las primeras horas del día, quecoincide con el periodo de mayor incidencia de la radiación solar enla Ciudad de México estas características en combinación con lascondiciones atmosféricas adecuadas para la presencia de la ICUpodría exacerbar su intensidad.
• Los valores estimados para QF mediante este modelo pueden estarsubestimando en algunas zonas que concentran la mayor densidadde tráfico o de la actividad industrial.
Mejoras
• Por ser un modelo pionero que proporciona una estimación de QF
de manera horaria, por subcomponente para la Ciudad de México ycon una incertidumbre promedio del 22%, podría integrarse amodelos climáticos locales para hacerlos más robustos.
• También, la estimación sistemática de QF adaptando este modelo auna menor resolución podría proporcionar las bases para undesarrollo urbano integral de la Ciudad de México y de regiones enproceso de urbanización.
• Considerar los procesos de generación de calor latente y sensible(QE y QH) así como de transferencia del calor generados al interiorde la edificación, ya que los materiales utilizados en la construcciónpueden hacer que estos procesos se realicen a tasas muy diferentesdebido a sus propiedades termales.
“Gracias por su atención”
GLORIA VICTORIA SALAS CISNEROS
JEFE DE DEPTO. DE PROSPECTIVAS DE EMISIONES EN LAS CATEGORÍAS DE ENERGÍA Y PROCESOS INDUSTRIALES
www.inecc.gob.mx
Isla urbana de calor
Incertidumbre porcentual promedio asociada alas subcomponentes de calor antropogénico
Componente
Incertidumbre
C. de
combustibleC. de E. Eléctrica Metabolismo Total
%
- - 22.4
39.4 10.2 - 38.6
10.4 10.0 - 10.2
11.2 11.2 - 11.2
11.2 11.5 - 11.4
- - 31.6 31.6
Contribución antropogénica horaria al balance superficial energético de la Ciudad de México por fuente y energético (2010)
-
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Wm
-2
Hora
Fuentes móviles (Combustibles) Industria (Combustibles)Residencial (Combustibles) Comercial (Combustibles)Metabolismo humano Contribución antropogénica (Combustibles)Fuentes móviles (Energía E.) Industria (Energía E.)Residencial (Energía E.) Comercial y servicios (Energía E.)Contribución antropogénica (Energía E.) Total
Usos de suelo en la Ciudad de México (2010)
Uso de suelo D.F.Edo. De
México*
Cd. De
MéxicoD.F.
Edo. De
México*
Cd. De
México
km2
%Superficie
continental 1,486 3,579 5,065
Agricultura 372 1,537 1,909 25 43 38
Pastizal 94 522 616 6 15 12
Bosque 172 492 664 12 14 13
Matorral
xerófilo 7 56 63 0 2 1
Otros tipos de
vegetación - 26 26 - 1 1
Vegetación
secundaria a/ 245 210 454 16 6 9
Áreas sin
vegetación 1 72 73 0 2 1
Cuerpos de
agua 2 24 27 0 1 1
Áreas urbanas 592 638 1,230 40 18 24 Nota: *Incluye 35 municipios conurbados.Fuente: Elaboración propia con información de INEGI, 2012.
Habitantes de la Ciudad de México en 2010
Fuente: INEGI, Sistema Estatal y Municipal de Bases de Datos (http://sc.inegi.org.mx/sistemas/cobdem/)
Municipio
Población total
en 2010 Municipio
Población total en
2010
Personas Personas
Azcapotzalco 414,711 Chimalhuacán 614,453
Coyoacán 620,416 Ecatepec de Morelos 1,656,107
Cuajimalpa de Morelos 186,391 Huixquilucan 242,167
Gustavo A. Madero 1,185,772 Ixtapaluca 467,361
Iztacalco 384,326 Jaltenco 26,328
Iztapalapa 1,815,786 Melchor Ocampo 50,240
La Magdalena Contreras 239,086 Naucalpan de Juárez 833,779
Milpa Alta 130,582 Nezahualcóyotl 1,110,565
Álvaro Obregón 727,034 Nextlalpan 31,691
Tláhuac 360,265 Nicolás Romero 366,602
Tlalpan 650,567 Papalotla 4,47
Xochimilco 415,007 La Paz 253,845
Benito Juárez 385,439 Tecámac 364,579
Cuauhtémoc 531,831 Teoloyucan 63,115
Miguel Hidalgo 372,889 Teotihuacán 53,010
Venustiano Carranza 430,978 Tepetlaoxtoc 27,944
Acolman 136,558 Tepotzotlán 88,559
Atenco 56,243 Texcoco 235,151
Atizapán de Zaragoza 489,937 Tezoyuca 35,199
Coacalco de Berriozábal 278,064 Tlalnepantla de Baz 664,225
Coyotepec 39,030 Tultepec 131,567
Cuautitlán 140,059 Tultitlán 486,998
Chalco 310,13 Zumpango 159,647
Chiautla 26,191 Cuautitlán Izcalli 511,675
Chicoloapan 175,053
Valle de Chalco
Solidaridad 357,645
Chiconcuac 22,819 Total 10,525,164
Actividad vehicular en distintas zonas metropolitanas (kilómetros recorridos por vehículo), 2010
Zona MetropolitanaAutomóviles privados
registradosKVR (Millones de km) KVR Per cápita
ZM Valle de México 5,375,474 84,552 4,260
ZM Guadalajara 1,209,208 18,976 4,342
ZM Tijuana 577,382 5,663 4,416
ZM Mexicali 395,644 5,821 6,308
ZM Chihuahua 267,132 2,533 3,016
ZM Tuxtla 111,951 273 432
ZM León 254,446 3,018 1,709
ZM Puebla-Tlaxcala 523,474 6,210 2,361
ZM Aguascalientes 248,023 2,942 3,202
ZM Querétaro 236,300 2,803 2,592
ZM Monterrey 1,292,751 15,335 3,813
ZM Veracruz 172,790 2,042 2,586
Antecedentes
(Mayo 1994-Abril 1995)
Inte
nsi
da
d p
rom
edio
men
sua
l de
la Is
la d
e ca
lor
°C
21 a 10 hr
11 a 15 hr
16 a 20 hr
Valores promedio mensuales y extremo de la intensidad de la isla de calor en la Ciudad de
México