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ASHRAE Journal Podcast Episode 20

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Left, William M. Worek; Julio C. Guerrero

Engineering & HVAC in the Developing World

Host: John Falcioni

The impact of engineering on humanity cannot be overstated. We speak with William M. Worek, Ph.D., Fellow/Life Member ASHRAE and Julio C. Guerrero, Ph.D., who with a group of partners on the ground in Peru created a system to heat the homes of people who live high in the Andean regions of Peru. These residents face severe cold temperatures during the winter, so for them, this work is not about the engineering involved, but rather it is a matter of survival.

Interested in reaching the global HVACR engineering leaders with one program? Contact Greg Martin at 01 678-539-1174 | gmartin@ashrae.org.

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  • Guest Bios

    Dr. William Worek has worked in the energy area for more than 40 years—first in solar energy, then thermally activated components and systems. While at the University of Illinois – Chicago (UIC), he directed the University of Illinois–Energy Resources Center, one of DOE’s Industrial Assessment Centers, and formed the first DOE CHP Technical Assistance Partnership (CHP TAP) to assist in market transformation. 

    Dr. Worek’s technical expertise and experience are in mechanical and aerospace engineering with a specialization in energy/thermal sciences and energy systems. He is a recognized leader in the areas of energy components and systems, and heat and mass transfer processes. He edits several international energy journals (Applied Thermal Engineering, Energy, International Communications in Heat and Mass Transfer, and the Heat Transfer Journal) and is a co-editor of Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers and editor. 

    He is an ASHRAE Fellow and a Life Fellow of the American Society of Mechanical Engineers (ASME). Also, Dr. Worek is the recipient of the 2018 Frank Kreith Energy Award from ASME, which honors individuals for significant contributions to a secure energy future emphasizing innovation, and the Edwin F. Church Medal, also from ASME, recognizing innovations and impact in engineering education. 

    Dr. Julio C. Guerrero is the CEO and founder of Cambridge Research and Technology L.L.C., a leading science and engineering consulting firm offering R&D, business development and strategy services to corporations, governments, individuals and law firms. He has also been serving in the University Grants Committee in Hong Kong, which is a multinational group of world experts responsible for evaluating and making recommendations about funding Hong Kong’s top research and innovation proposals.

    Dr. Guerrero has worked in R&D and business development for several years in diverse companies such as Draper Laboratory in Cambridge, MA; Schlumberger Research (SLB) in Houston, TX and Cambridge, MA; and FIAT-IVECO in Torino, Italy. His technical expertise includes analyzing, designing and developing mechanical systems, including those for harsh and extreme conditions. He has extensive experience with the energy and oil and gas industries and is an owner of over 25 mechanical system patents worldwide. Dr. Guerrero earned his master’s and Ph.D. degrees from the University of Texas at Austin and was awarded the Honorary Doctoral degree from Universidad Nacional de Ingeniería in Lima-Peru in 2015. In 2014, he became a member of the Pan-American Academy of Engineering (32 countries). He was the 2015–2016 President of the American Society of Mechanical Engineers (ASME).

  • Transcription

    ASHRAE Journal:

    ASHRAE Journal presents.

    John Falcioni:

    Hi everyone. Welcome back. This is ASHRAE Journal podcast, episode number 20. I'm John Falcioni, the editor of ASHRAE Journal.

    The impact of engineering on humanity cannot be overstated. Engineers are behind everything, from simple things that make everyday life a little more comfortable, to the big things that move the world. In our January 2023 issue, we published an article that focused on the work of two engineers, who with a group of partners on the ground in Peru, created a system to heat the homes of people who live high in the Andean regions of Peru, and who face severely cold temperatures during the winter. These people don't care about engineering, for them it's a matter of survival.

    The system that was developed, called CAT, serves as a model for a sustainable energy solution for affordable off-grid residential heating in other rural areas throughout the world. We’re going to get into this and a whole lot more with the two authors of the article, and the architects of CAT, Julio Guerrero and William Worek.

    Julio is the founder and CEO of Cambridge Research and Technology, LLC in Massachusetts. He's also a past president of ASME, and Bill is a professor at Texas A&M University—Kingsville, and an ASHRAE Fellow. To read more about their impressive backgrounds, please visit the ASHRAE Journal podcast page on ashrae.org. Thank you both very much for joining me today.

    Julio Guerrero:

    Hi, John.

    Bill Worek:

    Thank you, John.

    John Falcioni:

    Gentlemen, tell our listeners about the problem that you were trying to solve, and what motivated you to take action.

    Julio Guerrero:

    Yeah, so in the Andes, above 4,000 meters above sea level, every year during the winter, in the southern hemisphere, June, July, August, the temperatures drop many times below minus 5 degrees, minus 10 degrees Celsius, and the houses in which most people live, poor people, usually they are shepherds, are not conditioned to withstand those very low temperatures.

    As a consequence, in average, every year, just in the southern part of the Andes in Peru, above those 4,000 meters, almost 600 children die because of the low temperature itself, or because of respiratory illnesses that they contract due to the low temperatures.

    So, for many years, many of the government organizations have organized activities by which they collect blankets, and they think that with blankets they will be able to save the lives of these people. And as we explain in the written publication, that doesn't work.

    So, Bill and I, in about 2018, we were conversing about this challenge. We were thinking about how to come up with a system that would be able to provide them the delta temperature that they needed, and the system, the boundary conditions or the engineering factors that Bill and I consider, where it's a place where there is no electricity, there is no gas, there are no windmills that can generate electricity, and so, how could we come up with this system?

    So, the short answer to your question, John, why we did this? Is because there is a challenge that can be solved by using engineering, and we think that this is a typical case where the responsibility lies on the engineers, it has to be solved by engineers. And so, that's how we came up with this system that doesn't use photovoltaic cells, doesn't just wind, we accumulate the thermal energy in rocks, which are pretty much abundant in the Andes, and we have been able to raise the temperature inside the houses during the winter to about 17 Celsius, when outside was about minus 5 Celsius, which is a significant delta.

    John Falcioni:

    Thank you, Julio. Bill, would you like to add?

    Bill Worek:

    I think it's been known for almost a century that you cannot survive with your own body heat, so that's why we realized very quickly, blankets cannot do it. The system that we said, when Julio said constraints, there are quite a few constraints that are quite unusual, given remote locations here, but not only here, but anywhere worldwide where there's a remote location. You have to realize, transportation, we can't have something that's either heavy or has to be moved up there, so modularity of construction, construction on site is important. Also, depending on the location in the Andes or anywhere else, being able to modify the system to suit those different locations or different constraints.

    So it's not only the collection of energy, but anyone who knows anything about solar will realize that when you collect it, you have to also make sure that you use it wisely. So therefore, taking or being able to modify the existing houses, or build new houses using their construction techniques, that lose less heat than they do, would enable a system that collects energy to be more efficiently used. Therefore, having a system that is modular, having a system that feeds into a house, that is efficient and would make the people more comfortable.

    So all these constraints, and then be able to build it on-site, with having very simple transportation methods, some common materials that aren't exotic materials. Having all those constraints is how we started the problem and started to figure out or determine how to design such a system, that's really what's unusual about this.

    John Falcioni:

    Talk about an engineering problem. My goodness, a lot of constraints. So obviously this system differs from a lot of other folks who've tried different things to heat these homes. So what is CAT? Describe the system and the modules to us.

    Bill Worek:

    It's a very nice acronym cause it really puts everything together.

    Julio Guerrero:

    Yes, so CAT are the first letters that describe each of the three modules: C, it stands for collector; A stands for accumulator; and T, it stands for the transformer.

    So, the collector is a—If you want to get a mental picture, imagine a very large flat screen TV set, which is about two square meters, and on the top, it has a transparent surface. It has three layers. In the middle it has a dark surface, and then there is a space where air runs. So, the C, the collector is a system box that is capable of transforming the solar energy that manifests in the form of radiation, and in the collector, that radiation is converted into thermal energy that is inserted into air.

    Then that air, during the day, during the hours that we have sunlight, the hot air is sent into a box. The collector sends the air to the accumulator, which is a box that has rocks, and in the morning, the air that is heated, warmed in the collector, is sent to the accumulator, and as that hot air traverses the rocks in this box, it warms up the rocks, and then that air is sent back to the collector. So, in the morning this closes loop between the collector and the accumulator allows us to warm the rocks. The rocks, in some instances, have been able to reach 60 degrees Celsius, when outside was a lot colder.

    During the night, the loop that was running in the morning between the collector and the accumulator is closed, and a new loop is open between the accumulator and the house, that we call the transformer. So, at night, you run air that is coming from the house, traverses the rocks... Of course the air in the house is cold, so it is sent through the rocks, and it absorbs the thermal energy that was accumulated in the rocks, so you increase the temperature of the air, and then that air is sent back into the house.

    So that close loop during the night is what allows us to extract the thermal energy from the rocks and insert the thermal energy in the cold air that was in the house. So that's basically the CAT.

    Bill Worek:

    So, I think that what's important, is to realize, if anybody's looked at weather, at least the weather that we have during the cold times, most of the time when it's very, very cold, usually the sky is clear because we have sun during the day, and then at night the sky is clear, and the ground then re-radiates back out to space, and everything cools down a lot, so simultaneous high radiation levels during the day really helps the very, very cold night, so it's almost coincidence.

    So, having a thermal energy storage that saves about a little bit more than a night or days worth of energy is many times enough, given the thermal mass of the house, the thermal mass of the storage, to keep the system comfortable. The only device that requires any energy in the system, and that's why the system is specially designed, is the fan to move the air.

    Air was specifically selected because of the freezing temperatures. Any other fluid like water has a potential of freezing, so therefore, the system is fail-safe against any kind of catastrophic failures that could occur were using some fluid and it freezes.

    And if the system really wanted to be 100% off the grid, the system is so designed that the amount of power to move the air is very small, so very cheap photovoltaic cells could be used just to power the fan to move the air around so the system would be completely off the grid. So now you have a system would be completely off the grid, is fail-safe, and then can provide comfort.

    And many times, these people, after they learn the system, they'll learn how to operate it or how it operates, but they're not engineers, they don't have the technical expertise, they'll get the feel for it and then be able to modulate the system to fit their comfort, how do they want to do it, and all the little small things that would make living in high altitudes much more comfortable for them.

    So I think it's a give and take. Not only the engineers design it, we want to be there when they operate it, to learn some of the things that they learn, to make the system better, maybe in phase as a next step, call it CAT Two, as we move forward. So it's an interaction I think is very important, between not only the engineer, but also the people that use the system in the future.

    Julio Guerrero:

    I would like to complement with what Bill has said. In the first question, Bill, just the word modularity, which is a very, very important characteristic of the system.

    So we have already successfully built and used the system two winters in the Southern Hemisphere. Obviously, the second version was much better optimized and streamlined than the first version. It was initially dimensioned to warm a one-bedroom, and somebody said, "What if we want two bedrooms?" Very easy, you just increase the area of the collector. So basically, that demand for energy can be easily addressed by just managing the area of the collector.

    Also, Bill said we have enough energy to warm a house for one night. However, if they were interested to have energy for two days, let's say one day sunny, we store energy, the second day is not that good, we could store energy for two days, all we have to do is to manage the area of the collector and volume of the accumulator, and both are very easy to handle.

    John Falcioni:

    Should we get into the physics of the modules a little bit more?

    Bill Worek:

    Yeah, I was just going to mention it. Let me just do the physics. Let me do each component individually. If you think of the physics of the solar collector, solar collectors have been around for decades, if not centuries. So basically what happens is, the visible light comes through the transparent surface of the collector, passes through, and then that visible light is the light that we can see, will strike a heated surface, a black surface or black-like surface, I should say, that then due to the fact it hits that surface, becomes warm.

    It's just like if you went outside anytime of the year with either dark clothing on or something dark, you'll feel the heat heating it up because it is a dark surface. The surface that we're using is a paint that's a little bit different because it absorbs a lot, but then when it emits back to the glass surface it's somewhat less, so it optimizes the collection.

    The air that is used to remove the heat from that black surface is purposely put underneath the black surface to insulate it so we capture the maximum amount of air, so the air flows under the heat of surface and then goes to the accumulator.

    As Julio said, the accumulator is sized depending on the building, two rooms, one day, two days. But like I said, it's all modular, but so, it's nothing more than an insulated box, and it can be built on-site, insulated so that it can keep heat for two, three days or so. You can think of the box as a thermos almost, where you can keep hot water for many long periods of time, except we're not using—In a thermos, they use a vacuum. We're just using insulation, so it can be built on-site.

    And as Julio said, the thermal medium is really rocks. Very stable, they can absorb a lot of heat because they weigh a lot. They have a heat capacity that is large. So the rocks have heat, but we can't forget about the house. When we have the house, we purposely wanted to insulate it on the outside so that the mass, the thermal mass, like the rock bed, is inside the living space.

    So, one day, let's say we have sun, we heat up the house to 17 degrees C, that means all the mass that's inside the house is also at 17 degrees C, and it's like its own little accumulator, accumulating energy to take us through those maybe one or two days that is cloudy. So it's really a system approach from the collection, storage in the accumulator, but also it's utilization in the space and the occupied space to maximize the utilization of energy.

    And of course we want to make sure when the house is built, we want to make sure there's no... If there's windy, air leakages, like that, because that loses heat to the outdoor, so the house has to be energy efficient to, one, maximize the energy use, but also minimize the size of the CAT system so it doesn't have to be larger than needed. It's what is necessary.

    So, given that, and once a system is built for a certain type of house, then the replication then becomes pretty simple. Once you understand how to build it once, you'll improve how you build it twice, which we have done. And as people build more and more, there will be, also, system improvements in construction to make it faster, more efficient, higher quality control as we move forward.

    So that's really the physics. The physics, I think the big question is, why do we use rocks? One, they're very inexpensive. Two, they are a good storage medium for heat. If you look at it, some people use those in different devices for cooling. If you have your home, you have a freezer, you put something in to cool it, and when you put it in a soda or something like that, it doesn't melt and dilute it, it keeps it cold without the dilution process. So that's why we use rocks, one, because of their efficiency, and two, because of their abundance in the locations. We're trying to tie our design to the location, or having materials that are available or easily to be transported to the location.

    John Falcioni:

    Have there been other ways of approaching this problem? Have you seen others try different things?

    Bill Worek:

    To answer your question, John, solar was popular maybe 20, 25 years ago, when everybody thought, one, we were going to run out of natural gas and things like this, and also low gas prices. So solar was really, I would say, put on the shelf for a while. And the first implementation of solar was for water heating, and water heating in that kind of scenario, it's best to use water as the transport medium. Unfortunately, water has freezing problems, so water storage in warmer locations is pretty simple. You'll see a lot of it in Florida. In the United States, you'll see a lot of it in California. China has done a lot for water heating. However, water heating for comfort is, one, takes more area, and two, many of the solutions were high tech solutions. I would say they're pretty expensive to the build and things like this, and therefore, that's why the economics with low prices didn't really pan out for those type of systems for a very, very long time. So that's why, in our approach, which is different, we looked at the problem, we looked at the method that would have the best efficient collector at the lowest cost, so it's really a cost versus efficiency tradeoff for the system, and easy to construct on-site.

    So that's really the difference, is actually, it's being built on-site, which maybe a long time ago, some of the innovators in the solar energy area did it themselves. There's people around the country that built their own collector systems for their homes and stuff like that, but that's something that can't be replicated, so that's really the difference from what we're doing to what was done in the past.

    John Falcioni:

    Yeah, it sounds to me like Peru is a proof of concept of the system for you. How do you envision CAT to be used elsewhere in the world?

    Julio Guerrero:

    So, our aspiration, John, is that this system is embraced in many places around the world. The way we are addressing that in Peru is mostly a non-for-profit process, so even though we have started this process for people with limited resources in the Andes, this could be used for a large variety of people in the world. Maybe in cities where there are homeless people, programs could be implemented to address the cold weather for them. Also in places that have been devastated by wars or natural disasters, that's another area.

    So in general, what you need is radiation. And so, if there is one small limitation, is that the system works best when the sky is clear enough to provide with solar radiation to the system.

    Bill Worek:

    I guess this system, of course Peru is the, I would say, proof of concept stage for this, but we always think when we say worldwide, we think of everyone except ourselves, but if you look in the United States, there are regions in the United States that it is too expensive to run electricity to it, so therefore, any systems that require no grid is important.

    John Falcioni:

    So, I know you've gotten a lot of support locally for this project in Peru. Can you tell me a little bit about the partners that you've worked with in Peru to make this successful?

    Julio Guerrero:

    So, imagine a tetrahedron, four vertices. In the center of this tetrahedron we have the goal of the project, which is to save lives during the winter. The four corners of this tetrahedron, one of the corners is represented by the government, another corner is represented by academia, another corner is represented by a multinational corporation, and another corner is our team, Bill and I.

    I will give now details about each one of the corners. So when I talk about the government, when we started this project in Peru, so Bill and I, we already knew that it was going to work. I don't mean to sound cocky, but we had already done the analysis and we knew it was going to work, but for obvious reasons, they wanted to build a prototype to see if it actually was going to work. So we said, "Okay, let's move ahead of time. What if we demonstrate that it works, then how we deploy it?" So we said, "Okay, since this will be a social program for people with limited resources, what if the government embraces the technology, and the government installs the CAT system to houses that they built?" So that was the role of the government through one of its ministries.

    The other one was the academia. So we partner with one of the two top engineering schools in Peru, and we work with them so we could build the prototypes first on campus. We built two houses, prototype houses, we built the CAT system, we use that in Lima, and then after that we work with a team at the university, and we went to the Andes to deploy the system and collect information to measure and see how it was working.

    The third corner is connected to one of the largest multinational EPC companies in the world. And why we partner with them? Because the goal is to deploy the CAT in about 40,000 houses in the Andes, and in order to do that, as Bill said, we want the people, the local people to participate in the assembly construction. But still you need a massive understanding of what is called project management in order to do that, so that's the role of the large multinational.

    Then finally, Bill and I, our team, we are part of this, let's call it consortium, because we bring the, let's call, the front end innovation. We have worked with them since 2019. It has been easily hundreds of hours that we have interacted with them in order to make sure that the whole technology testing and assembling, everything is implemented properly.

    Bill Worek:

    I think in any market transformation piece, what was done in the past, giving them blankets, is not a solution, because it really shows that you're not sensitive to them. It's like the old story, teaching people how to fish versus giving them fish. In other words, you make them.

    So I think, of the people we've interacted with, academia... Truthfully, if you go through an academic program now, solar is not really taught. Actually, I built collectors when I was a graduate student, so I know. So there's not that many people that understand these solar thermal technologies. PV, of course a lot, because that comes from the electronic industry, but educating academia to now teach students and professionals in the area, getting the people that are applying this technology, understanding this technology is important.

    The project management is important. And also the government is important, because the government can do one thing we've seen in this country, have a standard or have a regulation that can kill everything. So having them knowledgeable and informing them what's important, what's not important, what to do and what not to do is a necessary team to make something successful, to pass through what is usually called in development of any new technology, the valley of death, if you want to do that.

    So you need government to be informed and be on board, you need to educate the educators so they can educate the next generation of individuals, new people that apply it, that then can build it, because the educators aren't going to build it. You'll have people that have new jobs that are building these things, so that's economic development.

    And then of course, lastly is people that, as we move forward to come up with new innovations, like we will with this technologies that we move forward, looking at other regions worldwide

    ASHRAE Journal:

    Seeking a job in the engineering field, or searching for the most qualified engineers? The ASHRAE Courier Center connects opportunities and candidates. Search for jobs, manage your resume and create alerts for when jobs are posted. Employers, post new jobs, review resumes and manage recruiting. Go to jobs.ashrae.org.

    John Falcioni:

    So, I've known you both for some time, and I know how passionate you both are, so no surprise to me that you've become so inspired to take on this work. Can you tell me a little bit about the path to the creative process that you had to come up with this?

    Bill Worek:

    I always like to say, in any process that involves multiple people, I like to say one plus one is equal to three. I think you can't ever develop it. It's very difficult to develop something by yourself in a vacuum, so I think it's combining the expertise of both of us, my past expertise in developing, building and actually testing collector systems and things like that, and also the energy aspects, and what to do, and where to do it, and how to do it, and things like that are a lot of things that are important.

    And actually, then the two of us interacting, and I think not only asking questions, but then being able to articulate the solution to a way that the normal person can understand it, "Yeah, this makes sense." And things like this. We can confuse them with technology, but many times technical people have a tendency to talk in their own language, and I think having multiple people from multiple disciplines allows us to articulate the problem, articulate the solution, and then articulate it to others to become excited as we are.

    So I think that's how we did it, we knew what our constraints were and then we started to brainstorm on how we could meet each of those constraints and how we could make a system that was reliable, met the objectives that we wanted, and then be able to have other people excited as we are.

    Julio Guerrero:

    I am a strong believer that the best engineering projects are the ones that are driven by passion, by the heart, and then the brain should follow that passion. So I think Bill and I, even though we have very different personalities, and obviously very differing accents, we are very passionate about making science and technology work as a tool for regular people, rather than using science and technology to put yourself in the mount of Olympus.

    John Falcioni:

    Is there something that we haven't covered, that you think we ought to bring up?

    Bill Worek:

    I think the mention is, whenever you work with a team, especially when we said we have four different components of the team, I think the advice is, don't get frustrated. Sometimes working with a team occurs very slowly at first, and then it accelerates as people get to know each other and the synergy begins and everything happens, so you have to be a little bit persistent at first to pull things together, and things like this, but once things are working, you'll be amazed the collaboration and how things can get done, and challenges that occur can be solved by the team, many times better than trying to solve it individually. So I think forming the team, having the team as a cohesive unit takes a little time at the beginning, but it's time well invested as you move forward.

    John Falcioni:

    On that note, we'll end this episode. I want to thank our guests, Julio Guerrero and Bill Worek for being here today. And as always, I want to thank all of you for tuning in. From all of us at ASHRAE Journal, I'm John Falcioni, join us the next time for another interesting conversation.

    ASHRAE Journal:

    The ASHRAE Journal Podcast team is editor, John Falcioni; managing editor, Kelly Barraza; producer and associate editor, Chadd Jones; assistant editor, Kaitlyn Baich; associate editor, Tani Palefski; and technical editor, Rebecca Matyasovski. Copyright ASHRAE. The views expressed in this podcast are those of individuals only, and not of ASHRAE, its sponsors, or advertisers. Please refer to ashrae.org/podcast for the full disclaimer.


    ASHRAE Journal:

    ASHRAE Journal presenta.

    John Falcioni:

    Hola a todos. Bienvenido de nuevo. Este es el podcast del Journal de ASHRAE Journal, episodio número 20. Soy John Falcioni, editor del Journal de ASHRAE.

    El impacto de la ingeniería en la humanidad no puede exagerarse. Los ingenieros están detrás de todo, desde las cosas simples que hacen que la vida cotidiana sea un poco más cómoda, hasta las grandes cosas que mueven el mundo. En nuestra edición de enero de 2023, publicamos un artículo que se centró en el trabajo de dos ingenieros, quienes con un grupo de colaboradores en el terreno en Perú, crearon un sistema para calentar los hogares de las personas que viven en las alturas de las regiones andinas de Perú, donde se enfrentan a temperaturas muy frías durante el invierno. A estas personas no les importa la ingeniería, ellos están interesados en sobrevivir.

    El sistema que se desarrolló, llamado CAT, sirve como modelo para una solución de energía sostenible para calefacción residencial asequible fuera de la red en otras áreas rurales del mundo. Vamos a profundizar en esto y mucho más con los dos autores del artículo y los arquitectos del CAT, Julio Guerrero y William Worek.

    Julio es el fundador y CEO de Cambridge Research and Technology, LLC en Massachusetts. También fue presidente de ASME, y Bill es profesor en la Universidad de Texas A&M en Kingsville y miembro fellow de ASHRAE. Para leer más sobre sus impresionantes antecedentes, visite la página de podcasts de ASHRAE Journal en ashrae.org. Muchas gracias a ambos por acompañarme hoy.

    Julio Guerrero:

    Hola, John.

    Bill Worek:

    Gracias, John.

    John Falcioni:

    Señores, cuéntenles a nuestros oyentes el problema que estaban tratando de resolver y qué los motivó a tomar acción.

    Julio Guerrero:

    Sí, en los Andes, por encima de los 4.000 metros sobre el nivel del mar, todos los años durante el invierno, en el hemisferio sur, junio, julio, agosto, las temperaturas bajan muchas veces por debajo de menos 5 grados, menos 10 grados centígrados, y las casas en que vive la mayoría de la gente, gente pobre, generalmente pastores, no están acondicionados para soportar esas bajísimas temperaturas.

    Como consecuencia, en promedio, cada año, solo en la parte sur de los Andes en el Perú, por encima de esos 4.000 metros, casi 600 niños mueren a causa de la baja temperatura, o por enfermedades respiratorias que contraen por las bajas temperaturas. .

    Desde hace muchos años, muchas de las organizaciones gubernamentales organizan actividades en las que recolectan frazadas y piensan que con frazadas podrán salvar la vida de estas personas. Y como explicamos en la publicación escrita, eso no funciona.

    Entonces, Bill y yo, aproximadamente en 2018, estuvimos conversando sobre este desafío. Estábamos pensando en cómo idear un sistema que pudiera proporcionarles el delta de temperatura que necesitaban, y el sistema, las condiciones de contorno o los factores de ingeniería que Bill y yo consideramos eran en un lugar donde no hay electricidad, no hay gas, no hay molinos de viento que puedan generar electricidad, entonces, ¿cómo podríamos idear este sistema?

    Entonces, la respuesta corta a tu pregunta, John, ¿por qué hicimos esto? Es porque hay un desafío que se puede resolver usando la ingeniería, y pensamos que este es un caso típico donde la responsabilidad recae en los ingenieros, tiene que ser resuelto por los ingenieros. Y así fue como se nos ocurrió este sistema que no usa celdas fotovoltaicas, no usa viento, acumulamos la energía térmica en las rocas, que abundan bastante en los Andes, y hemos podido levantar la temperatura dentro de las casas durante el invierno a unos 17 grados centígrados, cuando fuera era de unos menos 5 grados centígrados, que es un delta significativo.

    John Falcioni:

    Gracias, Julio. Bill, ¿te gustaría añadir?

    Bill Worek:

    Creo que se sabe desde hace casi un siglo que no puedes sobrevivir con el calor de tu propio cuerpo, por eso nos dimos cuenta muy rápidamente, las mantas no pueden hacerlo. El sistema que dijimos, cuando Julio dijo restricciones, hay bastantes restricciones que son bastante inusuales, dadas las ubicaciones remotas aquí, pero no solo aquí, sino en cualquier lugar del mundo donde haya una ubicación remota. Tienes que darte cuenta, el transporte, no podemos tener algo que sea pesado o que tenga que ser trasladado allí, por lo que construcción modular, la construcción en el sitio es importante. Además, dependiendo de la ubicación en los Andes o en cualquier otro lugar, pudiendo modificar el sistema para adaptarlo a esas diferentes ubicaciones o diferentes restricciones.

    Entonces, no se trata solo de la recolección de energía, sino que cualquiera que sepa algo sobre la energía solar se dará cuenta de que cuando se la colecta, también debe asegurarse de usarla de manera inteligente. Por lo tanto, tomar o poder modificar las casas existentes, o construir casas nuevas utilizando sus técnicas de construcción, que pierden menos calor que las que pierden ahora, permitiría un uso más eficiente de un sistema que recolecta energía. Por lo tanto, tener un sistema que sea modular, tener un sistema que alimente una casa, eso es eficiente y haría que las personas se sintieran más cómodas.

    Entonces, todas estas limitaciones, y luego poder construirlo en el sitio, con métodos de transporte muy simples, algunos materiales comunes que no son materiales exóticos. Tener todas esas restricciones es cómo comenzamos el problema y comenzamos a descubrir o determinar cómo diseñar un sistema de este tipo, eso es realmente lo inusual de esto.

    John Falcioni:

    Hablar acerca de un problema de ingeniería. Dios mío, un montón de limitaciones. Entonces, obviamente, este sistema difiere de muchas otras personas que han probado diferentes cosas para calentar estos hogares. Entonces, ¿qué es CAT? Descríbanos el sistema y los módulos.

    Bill Worek:

    Es un acrónimo muy bonito porque realmente une todo.

    Julio Guerrero:

    Sí, entonces CAT son las primeras letras que describen cada uno de los tres módulos: C, significa colector; A significa acumulador; y T, representa el transformador.

    Entonces, el colector es a— Si quieres tener una imagen mental, imagina un televisor de pantalla plana muy grande, que mide unos dos metros cuadrados, y en la parte superior tiene una superficie transparente. Tiene tres capas. En el medio tiene una superficie oscura, y luego hay un espacio por donde corre el aire. Entonces, el C, el colector es una caja del sistema que es capaz de transformar la energía solar que se manifiesta en forma de radiación, y en el colector, esa radiación se convierte en energía térmica que se inserta en el aire.

    Entonces ese aire, durante el día, durante las horas que tenemos luz solar, el aire caliente se envía a una caja. El colector envía el aire al acumulador, que es una caja que tiene rocas, y por la mañana, el aire que se calienta en el colector se envía al acumulador, y ese aire caliente atraviesa las rocas en esta caja. , calienta las rocas y luego ese aire se envía de regreso al colector. Entonces, por la mañana, este circuito cerrado entre el colector y el acumulador nos permite calentar las rocas. Las rocas, en algunos casos, han podido alcanzar los 60 grados centígrados, cuando afuera hacía mucho más frío.

    Durante la noche, se cierra el loop que corría por la mañana entre el colector y el acumulador, y se abre un nuevo lopp entre el acumulador y la casa, al que llamamos transformador. Entonces, por la noche, haces correr el aire que viene de la casa, atraviesa las rocas... Por supuesto, el aire de la casa es frío, por lo que se envía a través de las rocas y absorbe la energía térmica que se acumuló en las rocas, por lo que aumenta la temperatura del aire, y luego ese aire se envía de regreso a la casa.

    Entonces ese circuito cerrado durante la noche es lo que nos permite extraer la energía térmica de las rocas e insertar la energía térmica en el aire frío que había en la casa. Así que eso es básicamente el CAT.

    Bill Worek:

    Entonces, creo que lo importante es darse cuenta, si alguien ha mirado el clima, al menos el clima que tenemos durante los tiempos fríos, la mayoría del tiempo cuando hace mucho, mucho frío, generalmente el cielo está despejado porque tenemos sol. durante el día, y luego en la noche el cielo está despejado, y luego la tierra vuelve a irradiar hacia el espacio, y todo se enfría mucho, por lo que los altos niveles simultáneos de radiación durante el día realmente ayudan a la noche muy, muy fría, así que es casi coincidencia.

    Por lo tanto, tener un almacenamiento de energía térmica que ahorre un poco más que una noche o un día de energía muchas veces es suficiente, dada la masa térmica de la casa, la masa térmica del almacenamiento, para mantener el sistema cómodo. El único dispositivo que requiere energía en el sistema, y por eso el sistema está especialmente diseñado, es el ventilador para mover el aire.

    El aire se seleccionó específicamente debido a las temperaturas bajo cero. Cualquier otro fluido como el agua tiene el potencial de congelarse, por lo tanto, el sistema está a prueba de fallas contra cualquier tipo de falla catastrófica que podría ocurrir si se usa algún fluido y se congela.

    Y si el sistema realmente quisiera estar 100% fuera de la red, el sistema está diseñado de tal manera que la cantidad de energía para mover el aire es muy pequeña, por lo que se podrían usar celdas fotovoltaicas muy baratas solo para alimentar el ventilador y mover el aire. por lo que el sistema estaría completamente fuera de la red. Entonces, ahora tiene un sistema que estaría completamente fuera de la red, es a prueba de fallas y luego puede brindar comodidad.

    Y muchas veces, estas personas, después de aprender acerca del sistema, aprenderán cómo operarlo o cómo funciona, pero no son ingenieros, no tienen la experiencia técnica, pero entenderán el sistema. y luego podrán modular el sistema para que se ajuste a su comodidad, cómo quieren hacerlo. Les permitiría todas las pequeñas cosas que harían vivir en altitudes mucho más cómodas para ellos.

    Así que creo que es una toma y daca. Los ingenieros no solo lo diseñan, queremos estar allí cuando lo operan, para aprender algunas de las cosas que aprenden, para mejorar el sistema, tal vez en fase como el siguiente paso, llámelo CAT dos, a medida que avanzamos. . Entonces, es una interacción que creo que es muy importante, no solo entre el ingeniero, sino también entre las personas que usarán el sistema en el futuro.

    Julio Guerrero:

    Me gustaría complementar con lo que ha dicho Bill. En la primera pregunta, Bill, susó la palabra modularidad, que es una característica muy, muy importante del sistema.

    Así que ya hemos construido y utilizado con éxito el sistema dos inviernos en el hemisferio sur. Obviamente, la segunda versión estaba mucho más optimizada y mejorada que la primera. Inicialmente se dimensionó para calentar un dormitorio, y alguien dijo: "¿Qué pasa si queremos dos dormitorios?" Muy fácil, solo aumentas el área del colector. Básicamente, esa demanda de energía se puede abordar fácilmente simplemente administrando el área del colector.

    Además, Bill dijo que tenemos suficiente energía para calentar una casa por una noche. Sin embargo, si estuvieran interesados en tener energía para dos días, digamos un día soleado, almacenamos energía, el segundo día no es tan bueno, podríamos almacenar energía para dos días, todo lo que tenemos que hacer es administrar el área del colector y el volumen del acumulador, y ambos son muy fáciles de manejar.

    John Falcioni:

    ¿Deberíamos profundizar un poco más en la física de los módulos?

    Bill Worek:

    Sí, justo iba a mencionarlo. Déjame hacer la física. Déjame abordar cada componente individualmente. Si se piensa en la física del colector solar, los colectores solares han existido durante décadas, si no siglos. Entonces, básicamente, lo que sucede es que la luz visible pasa a través de la superficie transparente del colector, pasa y luego esa luz visible es la luz que podemos ver, golpea una superficie calentada, una superficie negra o una superficie similar a la negra, yo debería decir, que luego debido al hecho de que toca esa superficie, se calienta.

    Es como si salieras en cualquier momento del año con ropa oscura o algo oscuro, sentirás el calor calentándote porque es una superficie oscura. La superficie que estamos usando es una pintura que es un poco diferente porque absorbe mucho, pero luego, cuando vuelve a emitir a la superficie del vidrio, es un poco menos, por lo que optimiza la colección.

    El aire que se usa para extraer el calor de esa superficie negra y se hace correr intencionalmente debajo de la superficie negra para aislarlo, de modo que capturemos la máxima cantidad de aire, y de modo que el aire fluya bajo el calor de la superficie y luego vaya al acumulador.

    Como decía Julio, el acumulador se dimensiona según el edificio, dos cuartos, un día, dos días. Pero como dije, todo es modular, pero no es más que una caja aislada, y se puede construir en el sitio, aislada para que pueda mantener el calor durante dos, tres días más o menos. Puede pensar en la caja casi como un termo, donde puede mantener el agua caliente durante largos períodos de tiempo, excepto que no la estamos usando: en un termo, usan el vacío entre sus paredes. Solo estamos usando aislamiento, por lo que se puede construir en el sitio.

    Y como decía Julio, el medio térmico son realmente las rocas. Muy estables, pueden absorber mucho calor porque pesan mucho. Tienen una capacidad calorífica que es grande. Entonces las rocas tienen calor, pero no podemos olvidarnos de la casa. Cuando tenemos la casa, quisimos aislarla por fuera a propósito para que la masa, la masa térmica, como el lecho de roca, esté dentro del espacio habitable.

    Entonces, un día, digamos que tenemos sol, calentamos la casa a 17 grados C, eso significa que toda la masa que está dentro de la casa también está a 17 grados C, y es como su propio pequeño acumulador, acumulando energía para llevarnos. a través de esos tal vez uno o dos días que está nublado. Así que es realmente un enfoque de sistema desde la recolección, el almacenamiento en el acumulador, pero también su utilización en el espacio y el espacio ocupado para maximizar la utilización de la energía.

    Y, por supuesto, queremos asegurarnos de que cuando se construya la casa, queremos asegurarnos de que no haya... Si hay fugas de aire, ventosas, así, porque eso pierde calor hacia el exterior, por lo que la casa tiene que ser energéticamente eficiente para primero, maximizar el uso de energía, pero también minimizar el tamaño del sistema CAT para que no tenga que ser más grande de lo necesario. Esto es lo necesario.

    Entonces, dado eso, y una vez que se construye un sistema para cierto tipo de casa, la replicación se vuelve bastante simple. Una vez que se comprenda cómo construirlo una vez, mejorará la forma de construirlo dos veces, lo cual hemos hecho. Y a medida que la gente construya más y más, también habrá mejoras en el sistema de construcción para que sea más rápido, más eficiente y con un mayor control de calidad a medida que avanzamos.

    Así que esa es realmente la física. La física, creo que la gran pregunta es, ¿por qué usamos rocas? Uno, son muy baratos. Dos, son un buen medio de almacenamiento de calor. Si lo miras, algunas personas los usan en diferentes dispositivos para enfriar. Si tienes tu casa, tienes un congelador, pones algo para enfriarlo, y cuando lo pones en un refresco o algo así, no se derrite y diluye, lo mantiene frío sin el proceso de dilución. Entonces por eso usamos rocas, uno, por su eficacia, y dos, por su abundancia en las localizaciones. Estamos tratando de vincular nuestro diseño a la ubicación, o tener materiales que estén disponibles o que sean fáciles de transportar a la ubicación.

    John Falcioni:

    ¿Ha habido otras formas de abordar este problema? ¿Has visto a otros probar cosas diferentes?

    Bill Worek:

    Para responder a su pregunta, John, la energía solar era popular tal vez hace 20 o 25 años, cuando todos pensaban que nos íbamos a quedar sin gas natural y cosas como esta, y también precios bajos del gas. Entonces, diría que la energía solar realmente se dejó en el estante por un tiempo. Y la primera implementación de la energía solar fue para el calentamiento de agua, y el calentamiento de agua en ese tipo de escenario es mejor usar el agua como medio de transporte. Desafortunadamente, el agua tiene problemas de congelación, por lo que el almacenamiento de agua en lugares más cálidos es bastante simple. Lo verás mucho en Florida. En los Estados Unidos, lo ves mucho en California. China ha hecho mucho por calentar el agua. Sin embargo, el calentamiento de agua para la comodidad es, primero, ocupa más espacio, y segundo, muchas de las soluciones eran soluciones de alta tecnología. Diría que son bastante caros de construir y cosas como esta y, por lo tanto, es por eso que la economía con precios bajos realmente no funcionó para ese tipo de sistemas durante mucho, mucho tiempo. Es por eso que, en nuestro enfoque, que es diferente, analizamos el problema, analizamos el método que tendría el mejor colector eficiente al costo más bajo, por lo que es realmente nuestro sistema es un balance de costo versus eficiencia para el sistema, y fácil de construir en el sitio.

    Así que esa es realmente la diferencia, en realidad, se está construyendo en el sitio, lo que quizás hace mucho tiempo, algunos de los innovadores en el área de la energía solar lo hicieron ellos mismos. Hay personas en todo el país que construyeron sus propios sistemas colectores para sus hogares y cosas por el estilo, pero eso es algo que no se puede replicar, así que esa es realmente la diferencia de lo que estamos haciendo con lo que se hizo en el pasado.

    John Falcioni:

    Sí, me parece que Perú es una prueba de concepto del sistema para ustedes. ¿Cómo imagina que CAT se utilizará en otras partes del mundo?

    Julio Guerrero:

    Entonces, nuestra aspiración, John, es que este sistema se adopte en muchos lugares del mundo. La forma en que estamos abordando eso en Perú es principalmente un proceso sin fines de lucro, por lo que aunque hemos iniciado este proceso para personas de escasos recursos en los Andes, esto podría usarse para una gran variedad de personas en el mundo. Tal vez en las ciudades donde hay personas sin hogar, se podrían implementar programas para hacerles frente al clima frío. También en lugares que han sido devastados por guerras o desastres naturales, esa es otra área.

    Entonces, en general, lo que necesitas es radiación. Si hay una pequeña limitación, es que el sistema funciona mejor cuando el cielo está lo suficientemente despejado para proporcionar radiación solar al sistema.

    Bill Worek:

    Supongo que este sistema, por supuesto, Perú es, diría, la etapa de prueba de concepto para esto, pero siempre pensamos cuando decimos en todo el mundo, pensamos en todos excepto en nosotros mismos, pero si miras en los Estados Unidos, hay regiones. En los Estados Unidos en las que es demasiado costoso suministrarle electricidad, por lo que cualquier sistema que no requiera red de energía convencional  es importante.

    John Falcioni:

    Entonces, sé que ha recibido mucho apoyo a nivel local para este proyecto en Perú. ¿Pueden contarme un poco sobre los socios con los que han trabajado en Perú para que esto sea un éxito?

    Julio Guerrero:

    Entonces, imagina un tetraedro, cuatro vértices. En el centro de este tetraedro tenemos el objetivo del proyecto, que es salvar vidas durante el invierno. Las cuatro esquinas de este tetraedro, una de las esquinas está representada por el gobierno, otra esquina está representada por la academia, otra esquina está representada por una corporación multinacional y otra esquina es nuestro equipo, Bill y yo.

    Paso ahora a dar detalles de cada uno de los rincones. Entonces, cuando hablo del gobierno, cuando comenzamos este proyecto en Perú, Bill y yo ya sabíamos que iba a funcionar. No quiero sonar arrogante, pero ya habíamos hecho el análisis y sabíamos que iba a funcionar, pero por razones obvias, querían construir un prototipo para ver si realmente iba a funcionar. Así que dijimos: "Está bien, adelantémonos. ¿Qué pasa si demostramos que funciona y luego cómo lo implementamos?" Entonces dijimos: "Está bien, ya que este será un programa social para personas con recursos limitados, ¿qué pasa si el gobierno adopta la tecnología y el gobierno instala el sistema CAT en las casas que construyeron?" Entonces ese era el papel del gobierno a través de uno de sus ministerios.

    La otra era la academia. Así que nos asociamos con una de las dos mejores escuelas de ingeniería de Perú y trabajamos con ellos para poder construir los prototipos primero en el campus. Construimos dos casas, casas prototipo, construimos el sistema CAT, lo usamos en Lima, y luego trabajamos con un equipo en la universidad, y fuimos a los Andes para implementar el sistema y recopilar información para medir y ver. como estaba funcionando

    La tercera esquina está conectada a una de las empresas multinacionales de EPC más grandes del mundo. ¿Y por qué nos asociamos con ellos? Porque la meta es desplegar el CAT en unas 40.000 casas en los Andes, y para eso, como dijo Bill, queremos que la gente, la gente del lugar, participe en la construcción del montaje. Pero aún se necesita una gran comprensión de lo que se llama gestión de proyectos para hacer eso, por lo que ese es el papel de la gran multinacional.

    Luego, finalmente, Bill y yo, nuestro equipo, somos parte de este, llamémoslo consorcio, porque traemos, digamos, la innovación de front-end. Trabajamos con ellos desde 2019. Han sido fácilmente cientos de horas que hemos interactuado con ellos para asegurarnos de que toda la tecnología de prueba y ensamblaje, todo se implemente correctamente.

    Bill Worek:

    Creo que en cualquier transformación de mercado, lo que se hizo en el pasado, darles mantas, no es una solución, porque realmente demuestra que no eres sensible a ellos. Es como la vieja historia, enseñar a la gente a pescar en lugar de darles pescado. En otras palabras, ustedes lo hacen por si mismos.

    Así que pienso en las personas con las que hemos interactuado, la academia... A decir verdad, si pasas por un programa académico ahora, la energía solar realmente no se enseña. En realidad, yó construí colectores cuando era estudiante de posgrado, así que lo sé. Así que ahora no hay mucha gente que entienda estas tecnologías termo solares. PV, por supuesto mucho, porque eso viene de la industria electrónica, pero educar a la academia para ahora enseñar a estudiantes y profesionales en el área, hacer que las personas que están aplicando esta tecnología, entiendan esta tecnología es importante.

    La gestión de proyectos es importante. Y también el gobierno es importante, porque el gobierno puede hacer una cosa que hemos visto en este país, tener un estándar o tener una regulación que puede ir en detrimento de todo el esfuerzo. Entonces, tenerlos bien informados e informarles qué es importante, qué no es importante, qué hacer y qué no hacer es un equipo necesario para que algo tenga éxito, para pasar por lo que generalmente se llama en el desarrollo de cualquier nueva tecnología, el valle de la muerte. si quieres hacer eso.

    Entonces, se necesita que el gobierno esté informado y esté a bordo, se necesita educar a los educadores para que puedan educar a la próxima generación de personas, nuevas personas que lo apliquen, que luego puedan construirlo, porque los educadores no lo van a construir. Habrá gente que tenga nuevos trabajos que estén construyendo estas cosas, así que eso es desarrollo económico.

    Y luego, por supuesto, por último, están las personas que, a medida que avanzamos para generar nuevas innovaciones, como lo haremos con estas tecnologías en las que avanzamos, mirando a otras regiones del mundo.

    Revista ASHRAE:

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    John Falcioni:

    Entonces, los conozco a ambos desde hace algún tiempo y sé lo apasionados que son, así que no me sorprende que se hayan inspirado tanto para asumir este trabajo. ¿Puedes contarme un poco sobre el camino hacia el proceso creativo que tuviste para llegar a esto?

    Bill Worek:

    Siempre me gusta decir, en cualquier proceso que involucre a varias personas, me gusta decir que uno más uno es igual a tres. Creo que nunca podrás desarrollarlo. Es muy difícil desarrollar algo solo en el vacío, así que creo que es combinar la experiencia de ambos, mi experiencia pasada en el desarrollo, construcción y prueba de sistemas colectores y cosas así, y también los aspectos energéticos, y qué hacer. hacer, y dónde hacerlo, y cómo hacerlo, y cosas así son muchas cosas que son importantes.

    Y, de hecho, los dos interactuamos, y creo que no solo hacemos preguntas, sino que también podemos articular la solución de una manera que la persona normal pueda entender, "Sí, esto tiene sentido". Y cosas como esta. Podemos confundirlos con tecnología, pero muchas veces los técnicos tienen la tendencia de hablar en su propio idioma, y creo que tener varias personas de múltiples disciplinas nos permite articular el problema, articular la solución y luego articularla a otros para convertirse en emocionados como nosotros.

    Creo que así fue como lo hicimos, sabíamos cuáles eran nuestras limitaciones y luego comenzamos a hacer una lluvia de ideas sobre cómo podíamos cumplir con cada una de esas limitaciones y cómo podíamos hacer un sistema que fuera confiable, cumpliera con los objetivos que queríamos, y luego poder tener a otras personas emocionadas como nosotros.

    Julio Guerrero:

    Soy un firme creyente de que los mejores proyectos de ingeniería son los que están impulsados por la pasión, por el corazón, y luego el cerebro debe seguir esa pasión. Así que creo que Bill y yo, a pesar de que tenemos personalidades muy diferentes y, obviamente, acentos muy diferentes, nos apasiona mucho hacer que la ciencia y la tecnología funcionen como una herramienta para la gente común, en lugar de usar la ciencia y la tecnología para ponerse en el monte. del Olimpo.

    John Falcioni:

    ¿Hay algo que no hemos cubierto, que crees que deberíamos mencionar?

    Bill Worek:

    Creo que la mención es, siempre que trabajes con un equipo, especialmente cuando dijimos que tenemos cuatro componentes diferentes del equipo, creo que el consejo es que no te frustres. A veces, trabajar con un equipo ocurre muy lentamente al principio, y luego se acelera a medida que las personas se conocen y comienza la sinergia y todo sucede, por lo que se debe ser un poco persistente al principio para unir las cosas, y cosas como esta. , pero una vez que las cosas funcionan, se sorprenderá de la colaboración y de cómo se pueden hacer las cosas, y los desafíos que se presenten pueden ser resueltos por el equipo, muchas veces mejor que tratar de resolverlos individualmente. Así que creo que formar el equipo, tener el equipo como una unidad cohesionada toma un poco de tiempo al principio, pero es tiempo bien invertido a medida que avanzas.

    John Falcioni:

    En esa nota, vamos a terminar este episodio. Quiero agradecer a nuestros invitados, Julio Guerrero y Bill Worek por estar aquí hoy. Y como siempre, quiero agradecerles a todos por sintonizarnos. De parte de todos nosotros en ASHRAE Journal, soy John Falcioni, únase a nosotros la próxima vez para otra conversación interesante.

    ASHRAE Journal:

    El equipo de ASHRAE Journal Podcast está integrado por el editor, John Falcioni; editora gerente, Kelly Barraza; productor y editor asociado, Chadd Jones; asistente de edición, Kaitlyn Baich; editor asociado, Tani Palefski; y editora técnica, Rebecca Matyasovski. Derechos de autor ASHRAE. Las opiniones expresadas en este podcast son solo de individuos y no de ASHRAE, sus patrocinadores o anunciantes. Consulte ashrae.org/podcast para ver el descargo de responsabilidad completo.