Evaluación comparativa de modelos matemáticos para la simulación térmica de cocinas solares mediante validación con datos experimentales

Abstract

El presente trabajo tiene como objetivo evaluar el desempeño térmico de un prototipo de cocina solar mediante la implementación y comparación de cinco modelos matemáticos, integrando datos experimentales y simulación computacional en el software Engineering Equation Solver (ESS). La investigación se desarrolla bajo un enfoque cuantitativo de tipo experimental y computacional, considerando como variable principal la temperatura del sistema y como variables de entrada la radiación solar, la temperatura ambiente y la humedad relativa. Metodológicamente, el estudio se estructura en tres fases: i) caracterización teórica del comportamiento térmico de cocinas solares a partir de la revisión de modelos matemáticos basados en transferencia de calor y balances energéticos; ii) implementación y simulación de cinco modelos representativos (estacionario, transitorio, energético, empírico e integrado) bajo condiciones operativas equivalentes a las experimentales; y iii) validación de los resultados mediante el cálculo de indicadores de desempeño, específicamente el error absoluto y el error relativo entre los datos simulados y experimentales. Los resultados evidencian que los modelos transitorios presentan una mayor precisión en la predicción de la temperatura del sistema, al incorporar la variabilidad temporal de las condiciones ambientales. Por su parte, los modelos estacionarios muestran mayores desviaciones debido a sus simplificaciones, mientras que los modelos empíricos y energéticos aportan información complementaria en términos de validación y desempeño. El modelo integrado desarrollado por el semillero EVOTEC demostró la mejor capacidad de representación del sistema, al combinar comportamiento dinámico y ajuste experimental. Se concluye que la precisión de los modelos matemáticos depende de su capacidad para integrar adecuadamente las condiciones reales de operación, siendo la validación experimental un elemento clave para garantizar la confiabilidad de la simulación. El trabajo aporta una metodología estructurada para la evaluación comparativa de modelos térmicos, contribuyendo al diseño y optimización de tecnologías solares sostenibles.