Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Departamento de Ingeniería Mecánica. TESIS DE DOCTORADO EN CIENCIAS: “ESTUDIO DE LA DEMANDA ENERGÉTICA, LA CALIDAD TÉRMICA Y LA CALIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LAS VIVIENDAS EN EL ESTADO DE MORELOS” QUE PARA DE OBTENER DOCTOR EN EL GRADO CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA P R E S E N T A: M.C. MIGUEL ÁNGEL CHAGOLLA GAONA DIRECTORA DE TESIS: Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García Cuernavaca, Morelos Junio de 2012 A Rosa Elvira y Miguel Ángel. AGRADECIMIENTOS A la gloria del Supremo Arquitecto del Universo. A mi padre, caminamos tantas veces caminos y más caminos, si existe el cielo allá te alcanzo. A mi madre, flor silvestre y campesina, flor sencilla y natural, abnegación y ternura. A Lulu, al andar se hace camino. A la Doctora Gabriela Álvarez García, un faro que ha dado luz a mi aventura en el mar del conocimiento. A María José, un alma pura un ser humano admirable. A Charo, ojos claros y serenos………….. A Yara, la mejor secretaria del ITZ. A mis asesores y revisores: Dra. Yvonne Chavez Chena, Dr. Rubén José Dorantes Rodríguez, Dr. José Jasson Flores Prieto, Dr. Gustavo Urquiza Beltrán, por sus sugerencias, aportaciones y consejos. Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), por abrir las puertas al mundo de la ciencia. Al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), de España, por darme dos maravillosos años de nuevas experiencias. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia (CONACYT), por otorgar el apoyo económico que me ha permitido desarrollar este trabajo de investigación. Soy vecino de este mundo por un rato y hoy coincide que también tú estas aquí coincidencias tan extrañas de la vida tantos siglos, tantos mundos, tanto espacio… y coincidir Si navego con la mente en los espacios o si quiero a mis ancestros retornar agobiado me detengo y no imagino tantos siglos, tantos mundos, tanto espacio… y coincidir Si en la noche me entretengo en las estrellas y capturo la que empieza a florecer la sostengo entre las manos más me alarma tantos siglos, tantos mundos, tanto espacio… y coincidir Si la vida se sostiene por instantes y un instante es el momentos de existir si tu vida es otro instante.. no comprendo tantos siglos, tantos mundos, tanto espacio… y coincidir Índice ÍNDICE DE CONTENIDO Resumen Abstract CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes 1.1.1 Energía y condición humana. 1.1.2 Distribución del consumo de energía por sector. 1.2 El urgente reto de la eficiencia energética en las edificaciones. 1 4 7 8 8 11 12 1.2.1 La visión: “cero energía neta para edificios” 1.2.2 Energía y edificaciones en México. 1.3 Revisión bibliográfica. 1.3.1 Estudio sobre arquitectura bioclimática y de las metodologías del cálculo de cargas térmicas en viviendas. 1.3.2 Datos climáticos. 1.3.3 Evaluación de energía en edificios utilizando programas de cómputo. 1.3.4 Estudios paramétricos. 1.3.5 Conclusiones de la revisión bibliográfica. 1.4 Objetivo general. 1.5 Alcance CAPÍTULO 2. CLIMA Y DEMOGRAFÍA DEL ESTADO DE MORELOS. 2.1 El clima. 2.2 Elementos del clima. 2.2.1 Temperatura. 2.2.2 Radiación. 12 14 18 2.3 2.4 2.5 2.2.3 Humedad. 2.2.4 Velocidad y dirección del viento. Clima del Estado de Morelos. Demografía del Estado de Morelos. 2.4.1 Distribución de la población. 2.4.2 Perspectiva socioeconómica de la población. 2.4.3 Análisis de la demanda de vivienda. Selección de las viviendas. 2.5.1 Vivienda de dos plantas. i 18 21 24 30 33 35 36 37 38 39 39 39 43 43 45 51 51 53 55 57 57 Índice 2.5.2 Vivienda de una planta. 2.5.3 Materiales de construcción de las viviendas. Consideraciones particulares sobre la geografía y el clima del 2.6 Estado de Morelos. 2.7 Confort térmico y psicrometría. CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA Y PROGRAMA DE SIMULACIÓN TRNSYS. 3.1 Metodología. 3.2 Descripción del programa TRNSYS. 3.2.1 Ecuaciones para el modelado de transferencia de calor en recintos, utilizadas en TRNSYS. 3.2.2 Descripción de los módulos para el cálculo de cargas térmicas. 3.2.3 Interfaces de TRNSYS utilizadas en las simulaciones. CAPÍTULO 4. VALIDACIÓN DE LA SIMULACIÓN. 4.1 Caso de estudio. 4.1.1 Información de la geografía y el clima. 4.1.2 Características del edificio. 4.2 4.3 Metodología para la simulación. Evaluación térmica. Comparación de resultados de la simulación y datos 4.4 experimentales. CAPÍTULO 5. RESULTADOS. 5.1 Radiación solar incidente sobre las superficies de las viviendas. 5.2 Cargas térmicas. 5.2.1 Vivienda de dos plantas. 5.2.2 Vivienda de una planta. 5.3 Evaluación térmica. 5.3.1 Vivienda de dos plantas. 5.3.2 Vivienda de una planta. Variación de parámetros en la envolvente considerando sistemas 5.4 de HVAC. 5.4.1 Vivienda de dos plantas. 5.4.2 Vivienda de una planta. 5.4.3 Comparación de cargas térmicas por localidad. Análisis costo-beneficio. 5.4.4 ii 59 60 61 66 69 70 70 72 82 86 89 90 91 92 94 95 97 101 102 105 106 108 110 110 113 116 119 121 124 130 Índice 5.5 5.6 5.7 Viviendas en evolución libre. 5.5.1 Vivienda de dos plantas. 5.5.2 Vivienda de una planta. Calificación energética para viviendas con sistemas de HVAC. Calificación térmica para viviendas en evolución libre. 5.7.1 Clima cálido. 5.7.2 Clima templado. 5.7.3 Clima frio. 134 135 137 141 144 145 147 149 CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES. 153 BIBLIOGRAFÍA. 156 iii Lista de Figuras LISTA DE FIGURAS 1.1 Casa de energía cero en Denver, Colorado. 14 2.1 Espectro de Radiación Solar. 40 2.2 Ángulo zenital, altura solar y ángulo acimutal solar. 42 2.3 Piranómetro. 42 2.4 Multisensor WXT510 44 2.5 División municipal del estado de Morelos. 45 2.6 Diferentes tipos de clima en el Estado de Morelos. 47 2.7 Maws con Datalogger. 48 2.8 Estación Meteorológica Automática. 2.9 Ubicación de las Estaciones Meteorológicas Automáticas en el Estado de Morelos. 2.10 Fraccionamientos residenciales. 48 2.11 Vista frontal de la vivienda de dos plantas. 58 2.12 Vista tridimensional de la vivienda de dos plantas. 58 2.13 Vista frontal de la vivienda de una planta. 59 2.14 Vista tridimensional de la vivienda de una planta. 59 2.15 Techo y muro de las viviendas. 60 2.16 Altura sobre el nivel del mar en el Estado de Morelos. 62 2.17 Promedio anual de temperatura en el Estado de Morelos. 62 2.18 Promedio anual de radiación solar en el Estado de Morelos. 63 2.19 Promedio anual de humedad relativa en el Estado de Morelos. 63 2.20 Distribución de población en el Estado. 64 2.21 Localidades seleccionadas. 64 2.22 Distribución de climas en el Estado de Morelos. 66 2.23 Carta psicrométrica, clasificación de climas. 67 2.24 Carta psicrométrica, estrategias para enfriamiento y calentamiento. 68 50 57 3.1 Diagrama esquemático de la metodología implementada. 70 3.2 Módulos compontes del programa. 86 3.3 Orientación de superficies de la envolvente. 87 3.4 Dimensiones de muros y ventanas. 88 3.5 Propiedades termofisicas de los materiales que componen los muros. 88 4.1 Diagrama esquemático de la metodología utilizada para la validación. iv 91 Lista de Figuras 4.2 Sala de reuniones. 92 4.3 Vista de planta y frente. 92 5.1 Vivienda dos plantas, división por zonas. 111 5.2 Vivienda una planta, división por zonas. 113 5.3 Calificación energética para la región cálida del Estado de 142 5.4 143 5.5 5.6 5.7 5.8 Morelos. Calificación energética para la región templada del Estado de Morelos. Calificación energética para la región fría del Estado de Morelos. Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para la región cálida del Estado de Morelos. Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para clima templado del Estado de Morelos. Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para clima frio del Estado de Morelos. v 144 147 149 151 Lista de gráficas LISTA DE GRÁFICAS 1.1 Proyecciones del consumo mundial de energía. 1.2 Balance Nacional de Energía (2009). 10 1.3 Consumo de energía eléctrica en México (2009). 15 2.1 Incremento poblacional en el Estado de Morelos. 2.2 Población en edad de formar nuevos hogares. 52 2.3 Porcentajes de población según ingresos personales. 2.4 Porcentajes de población según ingresos por hogar. 54 4.1 Radiación solar global diaria mensual. 4.2 Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para invierno día 17 de Enero 2009. 4.3 Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para verano día 26 de Julio 2009. 95 5.1 Radiación solar incidente sobre el municipio de Tlaquiltenango. 5.2 Radiación solar incidente sobre el municipio de Emiliano Zapata. 5.3 Radiación solar incidente sobre el municipio de Huitzilac. Variación de carga térmica anual en función de la orientación 5.4 para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. Variación de carga térmica anual en función de la orientación 5.5 para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. 5.6 Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac. Variación de carga térmica anual en función de la orientación 5.7 para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango. Variación de carga térmica anual en función de la orientación 5.8 para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata. 5.9 Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac. 5.10 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. 5.11 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. 102 vi 12 53 55 98 98 103 104 106 107 107 108 109 109 111 112 Lista de gráficas 5.12 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac. 5.13 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango. 5.14 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata. 5.15 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac. Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la 5.16 envolvente para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la 5.17 envolvente para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la 5.18 envolvente para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac. Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la 5.19 envolvente para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango. Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la 5.20 envolvente para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata. Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la 5.21 envolvente para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac. Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la 5.22 envolvente para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la 5.23 envolvente para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. 5.24 Cargas térmicas anuales para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Huitzilac. Carga térmica anual de acuerdo a la configuración de la 5.25 envolvente para viviendas de una y dos plantas, en las localidades de Tlaquiltenango, Emiliano Zapata, y Huitzilac. 5.26 Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. 5.27 Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. 5.28 Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac. Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la 5.29 localidad de Tlaquiltenango. vii 112 114 114 115 119 120 121 122 123 124 125 126 128 129 135 136 137 138 Lista de gráficas 5.30 Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata. 5.31 Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac. 5.32 Factores de confort térmico representativos para la calificación térmica de las viviendas en el Estado de Morelos. viii 139 140 151 Lista de Tablas LISTA DE TABLAS 2.1 Ubicación de las Estaciones Meteorológicas Automáticas. 49 2.2 Población total del Estado de Morelos por municipio. 51 2.3 53 2.5 Distribución de la población de acuerdo al Nivel. Socioeconómico (ingreso por persona). Distribución de la población de acuerdo al Nivel Socioeconómico (ingreso por hogar). Necesidades de Vivienda en el estado de Morelos. 2.6 Propiedades termo físicas de las envolventes de las viviendas. 60 2.7 Distribución de climas en el Estado de Morelos. 65 3.1 Coeficientes de regresión lineal múltiple de infiltración. 79 3.2 Coeficientes de ganancias de calor debido a los ocupantes en espacios acondicionados. 80 2.4 55 56 91 4.2 Promedios mensuales y anuales de las variables meteorológicas. Materiales de construcción de los muros. 4.3 Materiales de construcción del techo. 93 4.4 Temperatura exterior, y temperatura del aire al interior. Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para invierno día 17 de Enero 2009. Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para verano día 26 de Julio 2009. 96 4.1 4.5 4.6 93 99 100 5.1 Descripción de los parámetros a cambiar en la envolvente. 117 5.2 Variación de propiedades térmicas en muros. 117 5.3 Variación de propiedades térmicas en techos. Resistencia térmica en aislante y adobe, en función del espesor del muro. Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Tlaquiltenango. Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Emiliano Zapata. Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Huitzilac. Calificación energética para las viviendas en sus condiciones actuales. 118 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 ix 118 131 132 133 144 Lista de Tablas 5.9 5.10 5.11 5.12 Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para las viviendas en la localidad de Tlaquiltenango en diferentes configuraciones de la envolvente. Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para las viviendas en la localidad de Emiliano Zapata en diferentes configuraciones de la envolvente. Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para la vivienda en la localidad de Huitzilac en diferentes configuraciones de la envolvente. Calificación térmica para las viviendas, sin modificaciones en la envolvente, en evolución libre. x 146 148 150 152 Nomenclatura NOMENCLATURA SÍMBOLO DESCRIPCIÓN Latinas A Area de la superficie de la pared o ventana expuesta al interior de la Zona 𝑚2 . b0 –bNb-1 Coeficiente de la función de transferencia para la temperatura sol𝑘𝐽 aire, de la hora actual y previas 𝑟∗𝑚 2 ∗º𝐶 . Cpa Calor específico del aire co-cNc-1 Coeficiente de la función de transferencia para la temperatura equivalente del aire de la zona, para la hora actual y previas 𝑘𝐽 . 𝑟∗𝑚 2 ∗º𝐶 d0-dNd Coeficiente de la función de transferencia del flujo de calor de las horas previas. 𝑓ct Factor de confort térmico. Fki Factor de vista desde la superficie k a i. F̂ ki Factor de intercambio neto desde la superficie k a i. G Densidad de energía radiante incidente h Altura solar (º). hc,i Coeficiente convectivo interior hc,o Coeficiente convectivo exterior Isc Constante solar IT Radiación incidente total 𝑘𝐽 𝑚 2 ∗𝑟 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ∗𝐾 . 𝑊 𝑚 2 ∗º𝐶 𝑊 𝑚 2 ∗º𝐶 . 𝑘𝐽 𝑚 2 ∗𝑟 xi . . . 𝑊 𝑚2 . Nomenclatura 𝑊 k Conductividad del material L Espesor del material 𝑚𝑚 . l latitud (º). minfl Razón de flujo de masa de la infiltración de aire mv Razón de flujo de masa de la corriente de ventilación N Número total de superficies que comprende la zona. n Día del año. qi Razón de transferencia de calor por unidad de área por la superficie 𝑊 interior de una pared o ventana 𝑚 2 . Q Razón total de transferencia de calor por la superficie interior de una 𝑘𝐽 pared o ventana 𝑟 . Qc Flujo de energía calorífica por conducción Qe Pérdidas por enfriamiento evaporativo Qi Ganancia interna Qinfl Razón de ganancia de energía dentro de la zona debido a la 𝑘𝐽 Infiltración 𝑟 . Qint Razón de energía transferida a la zona debido a ganancias internas diferentes de personas o lámparas 𝑊 . Qlat Carga latente; energía requerida para tener los niveles de humedad dentro de la zona de confort. Deshumidificación es carga latente 𝑘𝐽 positiva, mientras que humidificación es negativa 𝑟 . Qm Ganancias o pérdidas por sistemas mecánicos Qr Flujo de calor por radiación 𝑘𝐽 𝑟 . 𝑚 ∗𝐾 𝑘𝐽 𝑟 𝑘𝐽 𝑟 𝑘𝑔 . 𝑚3 𝑘𝑔 𝑚3 . . . . 𝑘𝐽 𝑟 xii . 𝑘𝐽 𝑟 . Nomenclatura 𝑘𝐽 Qs Ganancia solar Qsens Carga sensible; energía requerida por el calentador auxiliar o el equipo de enfriamiento para tener la temperatura de zona dentro de la zona de confort. Enfriamiento es positivo, calentamiento es 𝑘𝐽 negativo 𝑟 . Qspepl Razón de transferencia de energía a la zona debido a ganancias sensibles de personas 𝑊 . Qv Flujo calorífico por convección superficial Qv Razón de ganancia de energía al espacio debido a ventilación Qz Razón de ganancia de energía al espacio debido a convección de 𝑘𝐽 zonas adjuntas 𝑟 . R Resistencia térmica del material s Suma de la energía radiativa absorbida por una superficie interior debido a radiación solar, lamparas y personas 𝑊 . Ta Temperatura ambiente º𝐶 . Teq Temperatura equivalente de zona; temperatura de aire interior en la cual, en ausencia de intercambio radiativo por la superficie interior, da la misma transferencia de calor que realmente ocurre º𝐶 . Tmin Temperatura mínima de zona permisible; punto fijo para Calentamiento º𝐶 . Tmax Temperatura máxima de zona permisible; punto fijo para Enfriamiento º𝐶 . Tsa Temperatura sol-aire; temperatura del aire exterior, la cual en ausencia de intercambio radiativo por la superficie exterior da la misma transferencia de calor que ocurre realmente º𝐶 . Ts Temperatura de la superficie º𝐶 . Tz Temperatura de la zona º𝐶 . T’z Temperatura de la zona adyacente º𝐶 . 𝑟 . xiii 𝑚 2 ∗𝐾 𝑊 𝑘𝐽 𝑟 . 𝑘𝐽 𝑟 . . Nomenclatura Ug Coeficiente de pérdidas de la ventana desde las superficies interiores 𝑘𝐽 y exteriores 𝑟∗𝑚 2 ∗º𝐶 . Ug,o Coeficiente de pérdidas globales de la ventana incluyendo 𝑘𝐽 convección por las superficies interiores y exteriores 𝑟∗𝑚 2 ∗º𝐶 . V Tasa de ventilación 𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑜𝑟𝑎 . Va Volumen de aire en la zona 𝑚3 . W Velocidad de viento w Angulo horario (º). min Razón de humedad mínima permisible en 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 predeterminado para humidificación 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 . max Razón de humedad máxima permisible en la zona; punto 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 predeterminado para deshumidificación 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 . a Razón de humedad del aire ambiente z Razón de humedad del aire de la zona X Vector conteniendo las entradas de variación de tiempo que afectan las temperaturas de la superficie y de la zona. Z Matriz conteniendo los factores independientes de tiempo que afectan las temperaturas de superficie y de las zonas. Zc Zona de confort. 𝑚 𝑠𝑒𝑔 . xiv 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 la zona; punto . . Nomenclatura Griegas Absortancia de la superficie exterior. Angulo de inclinación. Declinación. Emitancia. Angulo acimutal. Latitud. c Angulo cenital. Término de reflectancia de la superficie interior. a Densidad del aire de la zona. Constante de Stefan-Boltzman. Transmitancia. Subíndices i,j,k. Se refieren a las superficies i,j,k. h Denota el término de la función de transferencia. 0 es la hora actual, 1 es la hora previa, etc. xv Resumen RESUMEN En este trabajo, se presenta un estudio de la demanda energética, la calidad térmica y la calificación energética de las viviendas en el Estado de Morelos, con la finalidad de proponer alternativas para mejorar las condiciones de confort térmico, contemplando cambios en la envolvente. El estudio se realizó mediante simulación térmica de dos viviendas, una vivienda de dos plantas con 50 m2 de construcción, y otra de una planta con una construcción de 96 m2, ambas con una envolvente convencional, no se consideran ganancias internas. Con base en un análisis de las condiciones orográficas, climáticas, y demográficas del Estado de Morelos, se propuso una división del estado en tres regiones climáticas, para las cuales se realizaron las simulaciones, las tres localidades seleccionadas fueron: Tlaquiltenango (clima cálido), Emiliano Zapata (clima templado) y Huitzilac (clima frio). Utilizando el programa de computo TRNSYS®, se realizaron varias simulaciones variando los parámetros que influyen en el comportamiento térmico de las viviendas: orientación, geometría, materiales de construcción, propiedades ópticas, dispositivo de sombreado, ventanas doble panel, construcciones de una o dos plantas, y se determinó como impactan en la demanda energética, o en las condiciones de confort térmico, respectivamente. Las simulaciones del programa TRNSYS® fueron validadas comparando sus resultados con datos experimentales, los registros fueron tomados de un edificio que forma parte de la Plataforma Solar de Almería (PSA), el cual se encuentra en el desierto de Tabernas en España. Durante la simulación se predijo la temperatura al interior de un recinto del edificio, con muy buena aproximación respecto a las mediciones, la diferencia máxima fue del 4.5%. Los resultados obtenidos de las simulaciones con TRNSYS® muestran que para Tlaquiltenango (clima cálido) mejorando las condiciones de la envolvente es 1 Resumen posible reducir las cargas térmicas en un 85%, para Emiliano Zapata (clima templado) la reducción sería del 93%, y para Hultzilac se puede lograr una reducción hasta del 93%. Para clima cálido y templado los factores que tienen mayor influencia son: el color, adición de aislante en el techo y muros (con mayor impacto en el techo), orientación (fachada al Norte con el eje alargado en dirección Este-oeste). Para clima frio lo que impacta más es la adición de aislante en los muros, y ventanas de doble panel, la orientación apropiada también influye aunque en menor magnitud que para clima cálido y templado (fachada al este y el eje alargado Norte-Sur). También se realizó un análisis de la calidad térmica de las viviendas en función de las características de la envolvente en evolución libre. Los resultados muestran que para la localidad de Tlaquiltenango (clima cálido) con la configuración menos favorable, la temperatura promedio máxima calculada al interior de la vivienda fue de 42.5 ºC, cambiando las condiciones de la envolvente, fue de 32.7 ºC, disminuyendo 9.8 ºC. En clima templado en la comunidad de Emiliano Zapata, con la envolvente menos favorable, la temperatura promedio máxima al interior se calculó en 40.1 ºC, para envolvente mejorada, fue de 31.1 ºC, disminuyendo 9.0 ºC. En lo que respecta a la localidad de Huitzilac en clima frio, los resultados muestran que la temperatura promedio mínima al interior de la vivienda fue de 5.6 ºC, con la configuración menos favorable, cambiando la configuración de la envolvente buscando condiciones óptimas fue de 15.8 ºC, aumentando 10.2 ºC. Comparando la dinámica del comportamiento en evolución libre, con respecto al uso de sistemas de HVAC, se observa que las condiciones de respuesta a los cambios de la envolvente son diferentes, por ejemplo, considerando el uso de sistemas de HVAC resulta conveniente aislar toda la vivienda para disminuir las cargas térmicas de enfriamiento. Sin embargo, en evolución libre solo se debe agregar una capa delgada de aislante en el techo, y 2 Resumen usar pintura blanca, aislar los muros resulta contraproducente, ya que dentro de la vivienda se almacenaría el calor ganado durante el día. Con los resultados obtenidos se plantea una escala de valores para otorgar una calificación a las edificaciones en función de un bajo o alto consumo energético, también se plantea la calificación de las viviendas en evolución libre. 3 Abstract ABSTRACT In this work, one presents a study of the energetic demand, the thermal quality and the energetic qualification of the housings in this region, with the purpose of proposing alternatives to improve the conditions of thermal comfort, contemplating changes in the envelope. The study was realized by means of thermal simulation of two housings, a housing of two levels with 50 m2 of construction, and other one of a level with a construction of 96 m2, both houses have a conventional envelope, the internal loads are not had considered. With base in an analysis of the orographical, climatic, and demographic conditions of the State, There are established three regions in which the simulation was realized, these localities were: Tlaquiltenango (hot climate), Emiliano Zapata (moderate climate) and Huitzilac (cold climate). Using the program TRNSYS, several simulations were realized changing the parameters that influence the thermal behavior of the housings: orientation, geometry, materials of construction, optical properties, device of shading, windows double panel, constructions of one or two levels, and it decided since they affect the energetic demand, or the conditions of thermal comfort, respectively. The simulations of the program were validated comparing his results with experimental information, the records were taken of a building that forms a part of the Solar Platform of Almeria (PSA), which is in the desert of Taverns in Spain. During the simulation the temperature was predicted to the interior of an enclosure of the building, with very good approximation with regard to the measurements, the maximum difference was 4.5 %. The results obtained of the simulations with TRNSYS show that for Tlaquiltenango (hot climate) improving the conditions of envelope it is possible to reduce the thermal loads in 85 %, for Emiliano Zapata (moderate climate) the 4 Abstract reduction would be 93 %, and for Hultzilac (cold climate) it is possible to achieve a reduction up to of 93 %. For hot and moderate climate the factors that have major influence are: the color, insulating thermal in ceilings and walls (with major impact in the ceiling), orientation (front in the northern part with the axis lengthened in direction East - West). In the cold climate the factors that strike are the insulating one in walls and windows of double panel, the orientation (front in the eastern part and the elongated axis North - South). Also there was realized an analysis of the thermal quality of the housings depending on the characteristics of the envelope in free evolution. The results show that for Tlaquiltenango (hot climate) with the least favorable configuration, the average temperature maxim calculated to the interior of the housing was of 42.5 ºC, changing the conditions of the envelope, it was of 32.7 ºC, diminishing 9.8 ºC. In climate moderated in Emiliano Zapata, with the envelope least favorable, the average maximum temperature to the interior was calculated in 40.1 ºC, for envelope improved, was of 31.1 ºC, diminishing 9.0 ºC. In Huitzilac (cold climate), the results show that the average minimal temperature to the interior of the housing went of 5.6 ºC, with the least favorable configuration, changing the configuration of the envelope looking for ideal conditions it was of 15.8 ºC, increasing 10.2 ºC. Comparing the dynamics of the behavior in free evolution, with regard to HVAC's system use, is observed that the conditions of response from the changes of the envelope are different, for example, considering HVAC's system use it turns out suitable to isolate the whole housing to diminish the thermal loads of cooling. Nevertheless, in free evolution only it is necessary to add a thin cap of insulating in the ceiling, and use white painting, isolate the walls turns out to be counterproductive, since inside the housing the heat gained during the day would be stored. 5 Abstract With the obtained results a set of values appears to grant a qualification to the buildings depending on a low or high energetic consumption, also the qualification of the housings appears in free evolution. 6 Capítulo 1 Introducción CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN En este apartado, se presenta un estudio, sobre el panorama energético a nivel mundial, así como en la República Mexicana; se da un enfoque sobre las perspectivas actuales y las proyecciones futuras del consumo de energía en edificios; posteriormente se analizan algunas alternativas que se han planteado para lograr el uso eficiente y un ahorro de energía en este sector, como parte final se presenta la revisión bibliográfica y las conclusiones emanadas de la misma. 7 Capítulo 1 Introducción 1.1 ANTECEDENTES 1.1.1 ENERGÍA Y CONDICIÓN HUMANA. Las cenizas se hacen en un momento, pero el bosque tarda en crecer. Lucius Annaeus Seneca (5 a JC-65 d JC) Los sistemas económicos y sociales han evolucionado a través del tiempo, logrando ser cada vez más complejos, esta transformación algunas veces ha sucedido de manera paulatina, mientras que en otras ha sido abrupta y discontinua; la organización económica y social actual tiene sus cimientos en el modo de producción capitalista, y bajo una percepción cultural vigente desde la revolución industrial, el mundo era visto como inagotable y se consideraba que los recursos naturales estaban a disposición del Hombre para ser usados a su libre albedrío; la transformación de la energía utilizando procesos fruto de los estudios y descubrimientos científicos de cada época, permitió que el uso de los recursos naturales aumentara considerablemente, también se había tenido la percepción de que el planeta Tierra era capaz de recibir, sin detrimento, los desechos generados de la explotación de los recursos naturales, fuesen renovables o no renovables. En la actualidad la creencia de que el planeta tiene una capacidad infinita se ha modificado sustancialmente, sin embargo no ha existido gran preocupación sobre los problemas que puedan surgir a causa de la desaparición de los combustibles tradicionales, sin duda, esto es debido a que es muy poca la gente que tiene conciencia de lo inminente de estos problemas, incluso cuando ya sean evidentes. Queda ya poco tiempo para evitar tener que añadir a la lista de escaseces en el mundo otra más: la de energía [Brinkworth, 1981]. Uno de los efectos más graves que se percibe, producto del alto consumo energético, es el aumento en la temperatura media de la atmosfera, a causa de la acumulación de gases de efecto invernadero, amén del calor residual generado por los procesos de transformación de energía; nuestro planeta está siendo calentado en concentraciones tan elevadas que no se habían observado durante 8 Capítulo 1 Introducción el tiempo de la civilización humana y en niveles no vistos sobre el planeta en millones de años y todo en un siglo, o sea en un “abrir y cerrar de ojos” geológico. La rapidez del índice de cambio de clima, nos dará poco tiempo para adaptar nuestros sistemas ecológicos y socioeconómicos, por lo que podrá haber un gran potencial de sorpresas o eventos imprevistos. Dado el retraso a largo plazo entre la causa y el efecto y entre el efecto y el remedio, una manera prudente de actuar seria disminuir el índice del cambio, investigando ahora como proteger el clima del planeta, permitiremos a las futuras generaciones vivir en un mundo que no sea alterado dramáticamente por un aumento del efecto invernadero. En algunos estudios sobre el tema del gran consumo energético se plantea que las causas principales son: el crecimiento de la población en forma exponencial en el siglo XX, el desarrollo industrial, la urbanización, y el bajo rendimiento en los procesos de transformación de energía; y como se ha mencionado, los efectos se manifiestan principalmente por dos grandes factores que están alterando a los actuales sistemas humanos y ecológicos: los grandes niveles de contaminación que afectan el clima, y el inminente agotamiento de los hidrocarburos [Justi, 1985]. A pesar del daño que actualmente se causa a los sistemas ecológicos, se estima que seguirá creciendo la demanda de hidrocarburos y en consecuencia el aumento de partículas contaminantes y generación del calor residual en los procesos de transformación de energía, según estudios de la Oficina de Vigilancia de Ciencia y Tecnología de los Estados Unidos en 1995 se depositaban en la atmósfera 6,460,000,000 toneladas de bióxido de carbono; se estima que para el año 2035 esta cantidad aumentará a 11,710,000,000 toneladas [Office of Science and Technology Policy, 1997], la población a nivel mundial también sigue en aumento, de acuerdo a proyecciones de naciones unidas, el número de habitantes pasará de los actuales 6 mil millones a 7.4 mil millones en el 2020; y el porcentaje de población de los países en vías de desarrollo sobre el total mundial pasará del 77% actual al 81%. Aunque el mayor consumo energético es en los países desarrollados, por ejemplo: Estados Unidos consume el 25% de la energía mundial (con una participación de la productividad del 22% y con un 5% de la 9 Capítulo 1 Introducción población mundial), en contraste, un tercio de la población del mundo no tiene acceso a la energía eléctrica, porcentaje que se ha mantenido constante en los últimos 30 años. Aunque muchas soluciones han sido propuestas, no se han implementado (banco mundial 1996). La producción de todas las fuentes energéticas tendrá un aumento significativo; el consumo mundial de energía pasará de los 6,000 Mtep anuales de consumo actual a más de 10,000 Mtep para el año 2025. La proporción demandada de energía global correspondiente al mundo en desarrollo será cada vez mayor, y menor la de los países desarrollados. El uso de las energías renovables tendrá un crecimiento significativo pero no suficiente para mitigar el impacto ambiental, Latinoamérica está, en estas proyecciones entre los sectores de menor crecimiento en el uso de energías alternativas [International Energy Agency (IEA), 2006]. En la gráfica 1.1 se muestran las Proyecciones del consumo mundial de energía. Consumo Mundial de Energía 1980-2030 800 700 jouleX10^18 600 500 400 300 200 100 0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Gráfica 1.1- Proyecciones del consumo mundial de energía. Con base en lo anteriormente expuesto creemos que es nuestro deber coadyuvar para lograr que la economía y el cuidado al medio ambiente se interrelacionen en la toma de decisiones, sin sacrificar el equilibrio de la naturaleza en búsqueda de un desarrollo mal entendido, o anteponer fines económicos, políticos o tecnológicos, a los derechos prioritarios de vida en el planeta, con esto nos referimos a un “desarrollo sustentable y equilibrado”. En el presente trabajo se proponen medidas de “Ahorro y eficiencia energética”, las cuales constituyen una 10 Capítulo 1 Introducción medida favorable; ya que reconcilian los objetivos simultáneos de desarrollo y protección ambiental. Ahorro y eficiencia de energía también implican ahorro de capital y disminución de emisión de contaminantes al medio ambiente. 1.1.2 DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA POR SECTOR. Para comprender los patrones de consumo de energía por sector, se deben considerar varios factores, ya que, excepto el sector del transporte, que presenta un uso dominante de combustible líquido, en los sectores residencial, comercial e industrial se usa una combinación de energéticos, los cuales pueden variar por regiones dependiendo de una serie de factores, tales como, la disponibilidad de fuentes de energía, el nivel de desarrollo económico, factores políticos, sociales y demográficos. En nuestro estudio es de particular interés analizar el consumo de energía en el sector residencial: El consumo de energía a nivel mundial en este sector para el año 2005 fue del orden del 15% del consumo total de energía. Para edificios residenciales el tamaño de las estructuras es un indicador del consumo de energía usado por sus ocupantes, casas de gran tamaño requieren más energía para enfriar, calentar, e iluminar, actualmente se presenta una tendencia a mayores aplicaciones de la energía como televisores y lavadoras, etc. Estructuras pequeñas requieren menos energía, porque contienen menor espacio que calentar o enfriar, generan una menor transferencia de calor con el medio ambiente [International Energy Outlook 2008]. Por ejemplo, el consumo de energía para el sector residencial en China es muy bajo, donde el promedio de una vivienda común es de 28 metros cuadrados o menos por persona, a comparación de los Estados Unidos donde el promedio de las residencias es de 63 metros cuadrados por persona [China Statistics 2005]. Consumo de energía en México: En el año 2009 se registró un consumo total de 4795 PJ, de los cuales 2335 PJ se destinaron al transporte (48.7%), 1347 PJ a la industria (28.1%), al sector residencial 959 PJ (20%), el sector agropecuario consume solamente 153 PJ (3.2%), en la gráfica 1.2 se muestran estos datos [SENER 2010]. 11 Capítulo 1 Introducción 3.2 20 TRANSPORTE 48.7 INDUSTRIAL RESIDENCIAL AGROPECUARIO 28.1 Gráfica 1.2.- Balance Nacional de Energía (2009). 1.2 EL URGENTE RETO DE LA EFICIENCIA ENERGETICA EN LAS EDIFICACIONES. “Desarrollo sustentable es el desarrollo que satisface las necesidades de la generación presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades.” Keating, Cumbre para la Tierra, 1993. 1.2.1 LA VISIÓN: “CERO ENERGÍA NETA PARA EDIFICIOS”. Después del consumo de energía en el transporte y la industria en tercer lugar se encuentra el consumo energético para edificaciones, por supuesto que este número aumenta cuando la población crece, o se concentra en las zonas urbanas. Si las tendencias actuales continúan, los edificios serán los principales consumidores de energía para el 2025 y probablemente usaran la misma cantidad que la industria y transporte juntos para el 2050 [World Business Council for Sustainable Development, 2007]. Entre otras perspectivas se ha presentado el proyecto de Eficiencia de Energía en Edificios (Energy efficiency in Buildings, EEB), el cual tiene una meta: "un mundo en el que los edificios consuman cero energía neta." Esta es una visión sumamente ambiciosa, pero refleja la necesidad del cambio y progreso dramático que se necesitan, la acción urgente se requiere, 12 Capítulo 1 Introducción no sólo debido a las tendencias del consumo de energía, sino también porque la industria de la construcción es una industria de lento reemplazo. Muchos edificios existentes, así como nuevas propiedades que se construyen ahora, se preservarán hasta el 2050. El proyecto está considerando los edificios residenciales y comerciales, nuevos y existentes en una perspectiva global, pero con un enfoque en China, India, Japón, Europa, los Estados Unidos y Brasil. Para dar seguimiento a este proyecto se ha formado un grupo de trabajo presidido por Klaus Topfer, el ex director ejecutivo del programa de medio ambiente de la ONU. Por ejemplo, en los E.U., las viviendas consumen el 37% de la electricidad y el 22% de las de energías primarias (EIA 2005). Esto hace que la reducción de energía en aplicaciones residenciales sea parte importante de cualquier plan para reducir los consumos energéticos en los E.U. así como una contribución al cambio del clima global. La meta de los E.U.: El departamento de Energía considera un programa para crear las casas “cero energía” y que sean viables comercialmente en el 2020. “Cero energía” es especialmente importante en este sector dónde el costo de la energía es creciente y se verán mayormente afectados los propietarios con recursos económicos limitados. Una casa de “cero energía” garantiza una estabilidad con bajos costos energéticos para sus habitantes, se está analizando el comportamiento energético de una casa construida bioclimáticamente (Norton, 2006), la cual ocupa 112 metros cuadrados, tiene tres recamaras, en especial se cuidó el diseño sobre la envolvente, equipo eficiente en aparatos e iluminación y las características solares pasivas y activas para alcanzar la meta de “cero energía”, la casa se muestra en la figura 1.1. En este proyecto participó personal del National Renewable Energy Laboratory (NREL), en el diseño de la casa se utilizaron tres herramientas de simulación: TRNSYS (Transient System Simulation), DOE2 (Building Energy Model), y BEOpt (Building Energy Optimization Program) [National Renewable Energy Laboratory 2006]. 13 Capítulo 1 Introducción Figura 1.1.- Casa de energía cero en Denver, Colorado. 1.2.2 ENERGÍA Y EDIFICACIONES EN MEXICO. En México, la aparente abundancia y bajo costo de los energéticos, aunados a la implementación de estrategias energéticas inadecuadas (subsidios, monodependencia energética, etc.), han generado patrones de consumo irracionales y un uso ineficiente de la energía, situación que ha prevalecido, sobre todo en los últimos años, con las siguientes consecuencias: un agotamiento acelerado de los recursos energéticos no renovables y afectación de productividad y economía nacionales, lo cual ha causado un grave deterioro ambiental, así como una considerable reducción de la calidad de vida de los habitantes de esta nación. En consideración a lo anteriormente expuesto, las medidas viables para encontrar una solución de la problemática energética- ambiental, tanto en el ámbito mundial como en México son, sin lugar a dudas, el aprovechamiento de las fuentes alternativas de energía y la implementación de programas de uso eficiente y racional de la misma; ya que de esta manera se podrá reducir el consumo de combustibles fósiles, contribuyendo de manera favorable con el medio ambiente y con un mejor nivel de vida. El consumo energético en estos sectores que requieren brindar confort térmico en edificios públicos y viviendas es afectado por condiciones térmicas tales como el clima, los diseños, los materiales de construcción, etc., los cuales de forma particular o global generalmente conllevan a un elevado costo en el consumo de energía para lograr las condiciones de confort que requieren las personas habitantes de los espacios. Por otro lado, la 14 Capítulo 1 Introducción instalación de equipos de aire acondicionado en un edificio puede llegar a representar entre el 10% y el 20% del costo total de la inversión inicial y el primer lugar en consumo de electricidad [Ambriz, 1996], y estudios realizados por la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, CONAE, muestran que los edificios con aire acondicionado tienen una densidad de potencia que pueden triplicar la de los que no cuentan con dicho equipo [Avila, 1994]. Las estadísticas emitidas por la Secretaría de Energía a través del Sistema de Información Energética, indican que en nuestro país durante el año 2009, la generación bruta del sector eléctrico nacional fue de 181, 465,433.3 MegaWattshora, de los cuales los sectores doméstico, comercial y de servicios consumieron 66, 032,341 Mega-Watts-hora, lo que representa el 37% del consumo total [SIE 2010], esta información se muestra en la gráfica 1.3. CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR SECTOR 5.12 AGRICOLA 38.43 56.44 DOMESTICO, COMERCIAL, Y SERVICIOS INDUSTRIAL Gráfica 1.3.- Consumo de energía eléctrica en México (2009). Gran parte del consumo de energía aplicada en el sector residencial para la climatización, se ocasiona porque la mayoría de los edificios en México que cuentan con sistemas electromecánicos para acondicionamiento de aire, obedecen a diseños propios de otras latitudes sin considerar las condiciones climáticas de un determinado sitio o proyecto. México es un país ubicado entre los 87° y 118° de longitud Norte, y entre los 14° y 32° de latitud Oeste, lo que le permite contar con gran variedad de climas. Haciendo un inventario de climas, se 15 Capítulo 1 Introducción puede decir que existen casi todos: se tienen lugares de los más calurosos del mundo, como en el noroeste del país; calurosos secos como gran parte del centronorte; zonas costeras tanto en el Golfo de México como en el Océano Pacífico en donde se tienen altas temperaturas, combinadas con mucha humedad en la época del verano, y zonas montañosas (como en el sudeste) que presentan climas templados con mucha lluvia y neblina. Sin embargo, la escasa información de las variables climáticas favorece el mal uso de la energía eléctrica, en el caso específico de la utilización del aire acondicionado. La mejor y con frecuencia, la manera más barata de ahorrar energía de enfriamiento sin afectar el ambiente de confort en el interior de los edificios se logra a través de la reducción de las ganancias de calor internas y externas. La reducción de ganancias de calor internas se obtiene disminuyendo el consumo eléctrico a través de la operación idónea o el uso de equipos eficientes (iluminación, aparatos, etcétera). Por su parte, la reducción de ganancias de calor externas se logra a través de la selección adecuada de los materiales, la forma arquitectónica y la orientación de la construcción. En el caso de cargas internas se pueden dar recomendaciones generales que marquen la pauta, pero los resultados obtenidos pueden variar debido a la forma y costumbres de vida de las personas. Además existe tal variedad de escenarios que es complicado tratar de evaluar cada uno. Por ejemplo, hay personas que utilizan ropa ligera o gruesa y esto es más que suficiente para cambiar las condiciones de confort; también, el concepto de confort hace que el punto de operación del aire acondicionado o la calefacción sea diferente entre los seres humanos. En el caso de cargas externas, es posible realizar su simulación sin depender de las personas que la habitan, sólo es necesario conocer el sitio donde se localiza la edificación (condiciones meteorológicas), las características de la construcción (tamaño y tipo de materiales) y la orientación con respecto al sol, haciendo hincapié en que el cuidado de la envolvente juega un papel crucial en la ganancia de calor [Heard, 1999]. La tendencia de la arquitectura contemporánea y los efectos que conlleva pueden y deben corregirse, con base en la aplicación de acciones orientadas a 16 Capítulo 1 Introducción implementar una arquitectura que responda favorablemente a la tradición, cultura y clima de un lugar, y que aproveche adecuadamente los avances científicos y tecnológicos disponibles, con una cultura que tome en cuenta el desarrollo sustentable, con conceptos compatibles con los que se han establecido en importantes foros internacionales, tales como los planteados en Estocolmo, 1972; Montreal, 1990 Río de Janeiro 1992, y el protocolo de Kioto 1997 [Rodríguez, 2001]. Con el presente trabajo se pretende impactar en el diseño de viviendas que se ubiquen en diferentes regiones del Estado de Morelos, México; buscando que las personas que habiten este tipo de construcciones tengan condiciones de confort térmico. 17 Capítulo 1 Introducción 1.3 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA La habilidad o inhabilidad de las sociedades para dominar tecnología, y particularmente tecnologías que son estratégicamente decisivas en cada período histórico, determinan en gran manera su destino, al punto de que se podría decir que mientras la tecnología por sí misma no determina la evolución histórica y el cambio social, la tecnología (o la falta de ella) da cuerpo a la capacidad de las sociedades para transformarse a sí mismas. Manuel Castells En la realización de la revisión bibliográfica el tema sugiere un análisis de cuatro áreas. La primera es sobre el estado del arte de la arquitectura bioclimática y de las metodologías para el cálculo de las cargas térmicas en viviendas, la segunda considera el tratamiento de los datos climáticos, la tercera se enfoca a la evaluación de energía en edificios utilizando programas de cómputo, y la cuarta es un análisis de los estudios paramétricos. 1.3.1 ESTUDIOS SOBRE ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA Y DE LAS METODOLOGÍAS DEL CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS EN VIVIENDAS. Seem et al., en 1989, presentaron un método en el cual se aplican funciones de transferencia para describir el flujo de calor, el método determina con precisión intercambios de radiación de onda larga y convección en un recinto a través de una malla aproximada referida como la malla estrella. Aclarando que la definición de función de transferencia usada en el campo de la transferencia de calor en edificios es diferente de la que se usa en el campo de los controles automáticos. Desde el punto de vista arquitectónico García, en 1996, propuso una metodología de diseño, que consta de las siguientes etapas: análisis micro climático del sitio de ubicación del proyecto; estudios de geometría y de incidencia solar en el edificio; diseño y evaluación de dispositivos de control solar; análisis y estrategias de diseño Bioclimático; un balance energético, el cual involucra el 18 Capítulo 1 Introducción cálculo y diseño de los sistemas de adecuación ambiental del edificio y finalmente una evaluación y retroalimentación del proyecto. En el manual editado por el (ARI) Air-Conditioning and Refrigeration Institute, en 1999, se presentó un procedimiento para evaluar las cargas de calefacción y enfriamiento residenciales. En este cálculo se toman en cuenta los parámetros de diseño (temperatura exterior e interior), así como ganancias de calor por: efecto solar, ocupantes, infiltración y ventilación, sin embargo, son datos referidos a tablas y solo proporcionan un valor instantáneo de las ganancias de calor. Morillón, en 2001, presentó una metodología para la climatización natural de edificios (arquitectura bioclimática), con el objetivo de lograr un uso adecuado de los componentes del edificio (muros, techos, pisos, orientaciones, etc.), que al interactuar con el ambiente tomen ventaja, sin deterioro del mismo, logrando diseños energéticamente eficientes. Todo ello acorde con el paradigma de la sustentabilidad (coincide en gran manera con la propuesta de García, 1996). En el ASHRAE 2001, se propusieron varios métodos de cálculo, algunos son métodos para estimar los valores de energía, (cálculos simples) y otros, son métodos para la evaluación de las cargas térmicas en el diseño y selección de los equipos de aire acondicionado (cálculos más detallados). En primer lugar se describe un procedimiento de medición simple, que está definido como método para estimar energía: “modelo de calentamiento o enfriamiento de espacios, energía/grado día”, este modelo es útil en la estimación de cargas mensuales de calentamiento de una estructura a grandes rasgos y en estado permanente. Se reconoce que las cargas de calentamiento del espacio estimadas de esta manera pueden tener errores significativos, el modelo, sin embargo, provee un estimado de las cargas de calentamiento del espacio con un esfuerzo de cómputo mínimo. Otros modelos están diseñados para el cálculo de cargas de enfriamiento para aire acondicionado, en su implementación se requiere mayor número de variables de datos de clima, tal es el caso del “Método de temperatura diferencial total equivalente (TETD/TA)”. En este método, se obtiene el total de las ganancias 19 Capítulo 1 Introducción de calor en el recinto, y esta ganancia es convertida a una carga de enfriamiento instantánea. También se describió el “Método de la función de transferencia (TFM)”, por medio del cual, se logra estimar las cargas de enfriamiento en periodos horarios, predecir las condiciones térmicas del recinto, establecer programas de control y programas de operación, el método de función de transferencia (TFM) es aplicado para el cálculo de flujo unidimensional de transferencia de calor en paredes y techos soleados, utiliza factores de peso llamados coeficientes de función de transferencia, los cuales toman en cuenta los efectos del almacenamiento térmico para convertir las ganancias de calor a cargas de enfriamiento. Tales factores de peso se relacionan específicamente con la geometría, configuración, masa y otras características del recinto, que se reflejan en efectos de almacenamiento térmico sobre un tiempo base. Se menciona, que el TFM es preferible a otros métodos y técnicamente más preciso para un análisis específico de cargas de enfriamiento, sin embargo, es más complejo y requiere el uso de equipos de cómputo. Hernández, en 2003, propuso una metodología para calcular las cargas térmicas en un periodo horario, considerando las siguientes ganancias de calor: transmisión a través de la envolvente (paredes, ventanas, puertas, techos, particiones y pisos), generadas por la diferencia de temperatura entre los dos lados de la barrera; y ganancias por efectos internos: ocupantes, y equipos eléctricos. Para efectuar estos cálculos se aplica el concepto de “Temperatura aire-sol” [Mackey and Wright, 1944, 1946]. ASHRAE, 2005, propusó el Método del Balance de calor Residencial (Residencial Heat Balance (RHB) Method): Este método permite una simulación detallada del comportamiento térmico y los flujos de calor en el espacio. Dentro del marco de consideraciones, el HB incluye cuatro procesos distintos: balance de calor en la cara exterior, proceso de conducción en la pared, balance de calor en la cara interior, y balance de calor del aire al interior. La estimación de las cargas de enfriamiento involucra balances de calor por conducción, convección y radiación para cada superficie, y un balance de calor por convección para el aire del recinto, todos los cálculos consideran el estado transitorio del sistema, este 20 Capítulo 1 Introducción programa solo se puede aplicar con un programa de cómputo y sirve de base para los programas de análisis de energía BLAST y TARP. Como se observa en los estudios reportados para el cálculo de cargas térmicas, es indispensable contar con la información de las condiciones climáticas, en consecuencia dedicamos el siguiente apartado para obtener información sobre el manejo de datos de clima. 1.3.2 DATOS CLIMÁTICOS. Knigth et al., en 1991, desarrollaron una técnica para calcular datos de clima aplicando correlaciones, el objetivo era inferir datos horarios en función de datos promedio mensual, la información de referencia a largo plazo fue tomada de la base de datos SOLMET, la metodología se propuso con base en una combinación de varios métodos generados y previamente publicados: (Brinkworth, 1977; Graham, 1988; Saunier, 1987; Aguilar, 1988; Gordon, 1988;). Los datos fueron comparados para tres lugares: Abuquerque NM (Clima desértico), Madison WI (Clima continental) y New York NY (Clima oceánico), se concluyó que el índice de claridad es el factor determinante para la precisión de estas correlaciones; para clima desértico y continental, los mejores resultados se obtuvieron aplicando la correlación de Bendt; sin embargo, para clima tropical, la mejor correlación resulto ser la de Saunier, la clasificación de climas se tomo de acuerdo a Rudloff, 1981 (clasificación de Köppen reformada). Pérez et al., en 2001, realizaron un estudio de clima en Mérida, Yucatán para lograr diseños arquitectónicos adecuados al clima (cálido sub-humedo), analizaron las variables meteorológicas, que fueron tomadas de estaciones termopluviométricas del observatorio meteorológico y del software METEONORM. Concluyeron que las temperaturas están dentro del rango de confort de acuerdo al diagrama psicrométrico del ASHRAE pero la humedad es muy alta. El viento es abundante, se concluyó que la técnica bioclimática a utilizar es la ventilación. Joyce et al., en 2001, analizaron el efecto del microclima urbano en el consumo de energía, para tal efecto fueron utilizados dos edificios de oficinas 21 Capítulo 1 Introducción prototipo, uno con altas ganancias de calor y otro con bajas ganancias de calor internas, los modelaron en diferentes ubicaciones (Rio de Janeiro, 22.54ºS 43.12ºO, con clima tropical y Florianópolis, 27.5ºS 48.5ºO, con un clima subtropical). Para evaluar el consumo de energía se realizaron las simulaciones usando DOE2, se utilizaron datos de clima de dos estaciones meteorológicas ubicadas en aeropuertos y en la Universidad Federal de Santa Catarina, el primero de los edificios prototipo tiene sus fachadas al norte y al sur, con 80% de área de ventanas, coeficiente de sombreado de 1 y no tiene protección solar (prototipo 79), mientras que el otro edificio tiene solamente 20% de área de ventanas, coeficiente de sombreado de 0.29 y una protección horizontal de 1m (prototipo 49). Los prototipos fueron divididos en cinco zonas, cada una de ellas con sistema independiente de HVAC. Los resultados para Florianópolis dan una diferencia de 59% en el consumo de energía (mayor consumo en el prototipo 79). El modelado de los edificios ubicándolos en Río de Janeiro presenta una deferencia similar, concluyeron que la envolvente del edificio es la que influye en el consumo energético y no se encontró un efecto considerable causado por el microclima. Quiñones et al., en 2002, hicieron un estudio en dos partes de la radiación solar y la temperatura en Temixco, Morelos. Se analizaron los datos de radiación de 5 años, y se obtuvieron los índices de claridad para la temporada de lluvia y la de sequía. Se elaboraron las gráficas de frecuencia acumulativa del índice de claridad y se compararon con las de Liu y Jordan, 1960, resultando bastante aproximadas. Ayuso et al., en 2002, realizaron un trabajo de investigación cuyo objetivo fue validar algunos de los modelos aplicados para calcular la componente difusa, a partir de datos reales de radiación solar global, para tal efecto se obtuvieron mediciones de radiación global y difusa sobre una superficie horizontal y una inclinada, posteriormente se compararon las mediciones con resultados obtenidos aplicando los modelos: Isotropo, Klucher (1979), Temp & Coulson (1977), y Pérez et al. (1986), de su comparación concluyen que para cielos despejados kt 0.6 , los modelos subestiman la radiación solar difusa, mientras que para cielos 22 Capítulo 1 Introducción nublados kt 0.6 , la sobrestiman. Para la realización de este trabajo se utilizaron datos de radiación solar registrados en la estación radiométrica CIBA (Centro de Investigación de la Baja Atmósfera, Universidad de Valladolid). Como conclusión destacan que los resultados del modelo de Pérez son satisfactorios. ASHRAE 2005, presentó información climática, que puede utilizarse como base de datos para diseño, también propuso una metodología para ordenar los datos con la información del clima: Temperatura de bulbo seco, relación de humedad, punto de roció, entalpía, velocidad y dirección del viento (No se incluyen datos de radiación solar). Este archivo contiene información de 4422 localidades de los Estados Unidos, Canadá, y otros países, se registran 20 años, de 1982 al 2001, para México los datos son muy escasos, en este periodo. Sánchez et al., en 2005, presentaron una nueva metodología para calcular la radiación solar directa y difusa, para lo cual, implementaron un programa utilizando el lenguaje C++, el modelado se realizó estableciendo 20 posiciones solares, variando la altitud y el azimut solar para una latitud de 40ºN, mencionaron que la radiación solar es la principal contribución en un balance de energía superficial o volumétrico durante el día, especialmente en edificios residenciales, donde las ganancias internas son muy bajas. Se presentan gráficas comparativas entre resultados experimentales y los obtenidos bajo la metodología propuesta, ambos dan valores con una gran similitud. Loutzenhiser et al., en 2007, realizaron un trabajo sobre la validación empírica de modelos para calcular la radiación solar global sobre superficies inclinadas, como entradas se usaron datos de radiación solar difusa y directa, se analizaron siete modelos: (1) isotropic sky , (2) Klucher, (3) Hay-Davies, (4) Reindl, (5) Munner, (6) 1987 Pérez y (7) 1990 Pérez. Los programas de simulación para energía en edificios examinados son: Energy Plus, DOE-2, TRNSYS, y ESP. Se analizaron dos periodos de 25 días en Octubre y Marzo/Abril, incluyendo diversas condiciones atmosféricas y altitudes solares en Duebendorf, Suiza. El resultado obtenido con la implementación de los programas fue comparado con la validación empírica, se encontró que la desviación media en los dos periodos evaluados fue de: (1) 5.3% y 7.7% para el modelo isotropic sky, (2) 1.1% Hay-Davies, (3) 2.6% 23 Capítulo 1 Introducción Reindl, (4) 2.8% Munner, (5) 6.2 Klucher, (6) 2.6%, 5.0% y 0.5%, y 1% para los modelos propuestos por Pérez 1990 y (7) 3.5% Pérez 1887. 1.3.3 EVALUACIÓN DE ENERGÍA EN EDIFICIOS UTILIZANDO PROGRAMAS DE CÓMPUTO. Kumar, en 1991, presentó un trabajo sobre envolventes de edificios con un enfoque pasivo. El objeto de su estudio fue cuantificar los efectos de la envolvente de un edificio tradicional en comparación con la contribución de opciones pasivas para confort térmico (en verano) en espacios del interior de casas comunes en la región de Delhi, India. Para este estudio, se usó el programa TEMPLE desarrollado por la Organización para la Investigación Científica e Industrial (CSIRO), en Australia. El flujo de calor a través de todos los límites sólidos es calculado por el método de diferencias finitas, usa un banco de datos de clima y toma en cuenta las cargas internas, también considera el efecto del almacenamiento térmico de la estructura del edificio. Se concluye, que implementando opciones pasivas es posible ahorrar hasta dos terceras partes de la energía requerida para confort. Duffie y Beckman, en 1991, presentaron una reseña sobre la evolución de los programas de simulación en el diseño de sistemas solares, en la cual se pone de manifiesto que el uso de los métodos de simulación en el estudio de procesos solares se ha desarrollado en una etapa relativamente reciente, el primer trabajo que se menciona es el de Buchberg and Roulet en 1968, en el cual se desarrolló un modelo para sistemas de calentamiento residencial, a partir de estas fechas, los programas de simulación de proceso solares han evolucionado y su uso se ha extendido. Posteriormente fueron desarrollados varios programas, tales como: WATSUN (1989), programa diseñado en la Universidad de Waterloo, Canadá, el cual modela un gran número de sistemas activos incluyendo tanques estratificados y no estratificados. MINSUN, desarrollado bajo los auspicios de la International Energy Agency, [Chant, 1985] está específicamente diseñado para la simulación de sistemas con almacenamiento térmico. G3, de Suiza, [Guisan et al., 1988] es un programa simplificado que está basado en diagramas con entradas–salidas 24 Capítulo 1 Introducción diarias, está diseñado para una evaluación rápida y fácil de sistemas activos. ISFH, de Alemania [Schreitmüeller, 1988] un programa versátil con una combinación de subrutinas; incluye un banco de datos con promedios mensuales de condiciones de clima. En lo referente al uso de sistemas de cómputo en el diseño de sistemas solares pasivos Klein en 1983, menciona que TRNSYS ® se considera como uno de los programas más potentes, el cual se utilizó por vez primera en 1977, y ha pasado por varias revisiones mayores y muchas modificaciones menores. Bérnard Et al., en 1992, analizaron las ventajas de resolver los cálculos de energía en edificios con técnicas de control óptimo; las dos variables de control son: el calor que recibe el edificio y el intercambio de calor variable a través de la envolvente. La primera parte del control tiene como entrada datos meteorológicos y como salida la temperatura interior. Fue aplicado para dos categorías de edificios: una caracterizada por ganancias solares directas con una estructura térmica baja y la segunda categoría para un edificio aislado, con menos ventanas y menor ganancia solar. Con este tipo de control, se pretenden realizar algoritmos encaminados para la creación de sistemas inteligentes, que tengan la habilidad de determinar cuando la potencia requerida para mantener condiciones de confort en el edificio pueda disminuir (periodos nocturnos o fines de semana). En el panorama mundial con el incremento de la potencia y el precio accesible de las computadoras personales se ha generado la proliferación de software para la evaluación de energía en edificios. Un análisis efectuado entre los países de la Agencia Internacional de Energía (IEA) reveló que existen 215 programas, 185 de los cuales se desarrollaron en los Estados Unidos, sin embargo es poco el control de calidad que se tiene sobre estos programas de cómputo, y los expertos han encontrado diferencias significativas entre estos programas. Estando conciente de este problema la IEA ha desarrollado un procedimiento cuantitativo para la valoración y diagnóstico de software utilizado para evaluación de energía en edificios. Judkof, et al., en 1995, reportan el desarrollo de dicho procedimiento que fue llamado Building Energy Simulation Test and Diagnostic Method (BESTEST). En los resultados de este estudio 25 Capítulo 1 Introducción TRNSYS ha sido considerado como uno de los programas más útiles para la simulación de sistemas solares activos. Fiskel et al., en 1995, describieron el esquema computacional incorporado dentro de TRNSYS 14 y su capacidad, también desarrollaron un método más robusto para la resolución de ecuaciones simultaneas no lineales. Este utiliza bloques de ecuaciones para mejorar las condiciones de convergencia en los sistemas iterativos permitiendo resolver problemas que eran difíciles o imposibles de resolver en versiones previas. Bansal et al., en 1996, reportaron el desarrollo de ADMIT un software para simulaciones térmicas en edificios, logrando la incorporación de conceptos solares pasivos, especialmente para enfriamiento. Los resultados de su técnica (ADMIT), difieren al compararlos con los correspondientes de TRNSYS y SUNCODE, debido a que los modelos analizados utilizan diferentes técnicas matemáticas. Lam et al., en 1999, como resultado del estudio realizado expresaron lo siguiente: “Edificios, energía y medio ambiente han llegado a ser puntos clave para los profesionales en edificios”. Reportan que en Hong Kong hay un gran aumento en el consumo de energía, especialmente electricidad usada en edificios y sus respectivas implicaciones con el medio ambiente, las estadísticas de los últimos 27 años indicaban un crecimiento promedio anual del 9.3%”. De la energía eléctrica total consumida en edificios los porcentajes para aplicaciones de aire acondicionado e iluminación son del 40%-60% y del 20%-30% respectivamente. Consideran que con el comportamiento solar pasivo del edificio y una adecuada iluminación natural, se puede lograr un uso eficiente de energía. Opinan que es complicado tener bancos de datos meteorológicos adecuados y completos. En este estudio se aplicó un programa de simulación (DOE-2.1E), con los resultados de su trabajo se proponen elaborar monogramas o cartas simples de datos Zweifel et al., en 2001, ofrecieron una visión general sobre el uso de la simulación de edificios en Suiza, trabajaron en edificios de doble fachada que usan una técnica única para la combinación de flujo de calor y de aire entre zonas; adaptaron interfaces, con una base de datos común, implementado la simulación de edificios para la educación de ingenieros, desarrollaron metodologías para la 26 Capítulo 1 Introducción validación de programas y para la evaluación de nuevos programas. La simulación de edificios es ofrecida como un servicio a arquitectos y a ingenieros. Para sus simulaciones aplican el programa DOE-2, y el programa IDA, el cual fue desarrollado por la compañía sueca de tecnologías de simulación EQUA. Este programa fue comparado con otros para calcular las cargas de calentamiento/enfriamiento, y para temperaturas de recintos, dando resultados similares, los programas usados para la comparación fueron: ESP, BLAST, DOE2, SERRES, S3PAS, TRNSYS, TASE, SUNCODE. Neymark J. et al., en 2002, presentaron un trabajo sobre la validación de programas de simulación de energía en edificios aplicando el método BESTEST (Building Energy Simulation Test), plantean que la validación general de estos programas consiste de una combinación de validación empírica, verificación analítica, y técnicas comparativas. Para este estudio se realiza un análisis de los programas: CA-SIS, CLIM2000, ENERGYPLUS, PROMETHEUS, TRNSYS-TUD Y DOE-2. Mencionan que los niveles de validación dependen del grado de control ejercido sobre las posibles fuentes de error en una simulación. Analizaron los resultados de las simulaciones considerando el consumo total de energía eléctrica, la relación de humedad y la temperatura en la zona. Para el caso de TRNSYSTUD se menciona que TRNSYS® es el principal programa para el análisis de sistemas solares activos en los E.U., y TRNSYS-TUD es una versión aumentada con algoritmos desarrollados por la Technische Universität Dresden (TUD), Alemania. Huang et al., en 2003, desarrollaron normas de energía para edificios residenciales y comerciales en Egipto. El código propuesto para cálculos de energía residencial fue terminado en Junio de 2003. Posteriormente en la primavera de 2004 se presentó la propuesta del código para energía comercial. Ambos estándares pasarán por un proceso de evaluación público antes de ser presentado al gobierno para su divulgación. Mientras los códigos fueron concluidos, los autores desarrollaron un plan detallado para la implementación y puesta en funcionamiento de la infraestructura, y garantizar materiales y software con el fin de promulgar y hacer cumplir los estándares apropiadamente, así como 27 Capítulo 1 Introducción dar inicio a un programa muy importante de difusión buscando una transformación del mercado egipcio y lograr eficiencia energética. Un componente clave en el desarrollo de los estándares fue el uso del programa DOE-2. Tzikopoulus et al., en 2005, mencionaron que la aplicación de los principios bioclimaticos es un factor crítico para reducir el consumo de energía y las emisiones contaminantes dentro del sector de edificios, desarrollaron un modelo de regresión considerando la eficiencia energética como una función de las condiciones medioambientales, las propiedades termofísicas de la envolvente y el uso de sistemas solares pasivos. Para el estudio, se analizaron edificios ubicados en las siguientes ciudades: Bélgica, Dinamarca, Francia, Grecia, Italia, Holanda, Portugal y el Reino Unido, se tomaron como muestra 77 edificios (museos oficinas, escuelas, hospitales y casas). Según los autores, aunque existen numerosos casos de estudio que modelan edificios para evaluar el consumo de energía, u otros datos de su comportamiento, pocos han sido los esfuerzos aplicados en analizar grandes muestras de estructuras bioclimáticas usando técnicas estadísticas. Ellos plantearon que la eficiencia térmica es igual al porcentaje de energía ahorrada de un edificio tradicional con respecto a un edificio construido con principios bioclimáticos. En sus estimaciones los valores de la eficiencia energética varían de 19.6 a 100%, las condiciones medioambientales incluyen: latitud, altitud, temperatura ambiente, grados-día y horas de insolación; contemplan la implementación de sistemas solares pasivos, como: calentadores solares de agua, dispositivos de sombreado, ventilación natural, invernaderos y muros con almacenamiento térmico. Como resultado del análisis, proponen un modelo basado en los grados-mes. Sus conclusiones consideran que los gradosdía que determinan las necesidades de calentamiento son inversamente proporcionales a la eficiencia energética (es decir se puede lograr mayor eficiencia energética en climas calurosos), también se encontró que el área y volumen del edifico tienen un impacto significante. Kämp et al., en 2007, desarrollaron un modelo simplificado para simular el flujo de calor en edificios como parte de un proyecto para calcular flujos de energía dentro de distritos urbanos, tomando como punto de partida un modelo 28 Capítulo 1 Introducción estándar de dos nodos de resistencia-capacitancia. Los autores hacen un planteamiento inicial de métodos para el cálculo de transferencia de calor que pueden ser clasificados como: soluciones explicitas de la ecuación de difusión de calor, y técnicas de simplificación de modelos, como son los modelos de redes de resistencia-capacitancia y admitancia. En este caso, consideran que los modelos de redes de resistencia-capacitancia y admitancia ofrecen simplicidad con razonable precisión y generalidad, y se basan en una analogía de un circuito eléctrico, el modelo matemático es una ecuación de primer orden que fue resuelta analíticamente y también utilizado el esquema de Euler (método implícito). Se realizó una comparación con ESP-r (programa de simulación de energía en edificios desarrollado en la Universidad de Strathclyde, Reino Unido) y se constató que para un rango de configuraciones en edificios, el modelo responde de manera satisfactoria en cuanto al cálculo de la demanda energética y sus características temporales (como la temperatura interior). Pan et al., en 2008, utilizaron el programa Energy Plus para evaluar el comportamiento energético de dos edificios de oficinas en Shanghái, China, para evaluar el ahorro de energía que se obtiene en un edificio diseñado de manera bioclimática, comparado con un edificio común. Ambos edificios son centros de adquisición y procesamiento datos donde se encuentran instalados un gran número de equipos electrónicos (servidores, equipo para almacenamiento de datos, dispositivos de redes, monitores, etc.). Los autores presentan varias referencias en las que se compara la eficiencia del programa Energy Plus versus el DOE-2, y concluyen que el Energy Plus es considerado como uno de los programas de nueva generación para la evaluación de energía en edificios, que reemplaza a DOE-2. La propuesta es que ambos edificios sean diseñados usando varias estrategias para alcanzar un ahorro de energía. Estas estrategias comprenden mejoras en la envolvente del edificio, como son los factores U de muros y techo; alumbrado y HVAC. Se evaluaron tres modelos con diferentes características de la envolvente, considerando diferentes valores del coeficiente global de transferencia de calor, el diseño propuesto con el cual se logra una mayor eficiencia energética, presentó un ahorro anual del 27% con respecto a la 29 Capítulo 1 Introducción norma China y 21% con relación a los parámetros señalados en el ASHRAE 90.1, 2004. Peeters et al., en 2008, evaluaron el comportamiento térmico de una casa en Flandes, Bélgica, implementaron el programa TRNSYS 16.1, para determinar la eficiencia energética. Para la simulación se utilizó el control de nivel de temperatura, es decir, se evalúa el consumo de energía comprendido entre un rango determinado para confort, en este caso se marca una temperatura máxima de 21ºC y una mínima de 15ºC. Se evalúa con diferentes valores de la envolvente promedio en la edificación [U], desde 0.2 para la casa mejor aislada, 0.4 para un aislante promedio, hasta 0.5 para la casa menos aislada. Se utilizó TRNSYS para calcular la demanda neta de calor (NHD), la cual se define como la cantidad de calor necesaria para mantener las temperaturas indicadas. Los autores concluyen que para una aplicación eficiente de energía los equipos no deben estar sobredimensionados, que debe haber una buena emisión y distribución de calor, pero sobre todo se muestra que existe una relación directa del consumo de energía en función de la calidad de la envolvente. Una vez realizada la revisión bibliográfica, nos damos cuenta que se han creado una gran cantidad y variedad de programas de cómputo, cuya finalidad es evaluar el comportamiento térmico de las edificaciones. En general todos están diseñados para resolver las ecuaciones algebraicas y diferenciales que representan o tratan de representar la interacción de la edificación con el medio ambiente, la mayoría de los trabajos reportan que la eficiencia energética se logra en función de las propiedades termofísicas de los materiales de la envolvente, principalmente se considera el coeficiente global de transferencia de calor (“U”). En el siguiente apartado se realiza una revisión de los estudios paramétricos, que contemplan fenómenos de transferencia de calor en estado transitorio. 1.3.4 ESTUDIOS PARAMÉTRICOS. Con relación a este aspecto Asan et al., en 1998(A), estudiaron el comportamiento del retraso de tiempo y el factor de decremento sobre una 30 Capítulo 1 Introducción edificación, simulando diferentes materiales de construcción de la envolvente. Para este propósito se resolvió la ecuación de conducción de calor en estado transitorio unidimensional aplicando el esquema de Crack-Nicolson bajo condiciones de frontera convectivas. Plantearon que la temperatura de la superficie exterior cambia continuamente durante el día, y que habrá perfiles de temperatura diferentes para cada instante, estos perfiles están en función de la temperatura interior, la temperatura exterior y las propiedades termofísicas del muro. Durante este proceso transitorio, una onda de calor fluye a través de la pared del exterior al interior, la amplitud muestra la magnitud de la temperatura y la longitud representa la variación en el tiempo. El tiempo que tarda la onda de calor para propagarse desde la superficie exterior a la superficie interior se denomina como: “tiempo de retraso” o “retraso de la fase” y la relación del decremento de su amplitud durante el proceso se denomina como: “factor de decremento” o “factor de atenuación”. Demostraron que las propiedades termofisicas tienen una gran influencia sobre el tiempo de retraso y el factor de decremento. Asan et al., 1998(B), estudiaron nuevamente por medio de métodos numéricos los efectos del espesor y posición de materiales aislantes de los muros sobre el retraso de tiempo y el factor de decremento. En este caso el total del espesor de la pared es de 20 cm. (aislante + masa térmica), este espesor se mantiene constante, de manera que si se aumenta el espesor del aislante, se reduce proporcionalmente el espesor de la masa térmica. El aislante fue colocado en tres diferentes posiciones de la pared: en la superficie exterior, en la superficie interior, y en el plano central de la masa térmica, se realizaron varias simulaciones y se encontró que la posición y el espesor del aislante tienen un gran efecto sobre el tiempo de retardo y el factor de decremento. Para el análisis de estos casos fueron utilizados tres tipos de aislantes: espuma de poliuretano, tabla de corcho y caucho, para dos diferentes masas térmicas: ladrillo y madera. Los mejores resultados fueron para la madera, el tiempo de retardo más elevado fue en con el aislante de caucho sin importar mucho la posición, sin embargo el factor de decremento más bajo se presentó con la espuma de poliuretano colocando la 31 Capítulo 1 Introducción mitad del aislante en la superficie interior y la otra mitad en la superficie exterior del muro. Asan et al., en el 2000, continúan realizando estudios sobre los efectos del espesor y posición de materiales aislantes de los muros para ver su efecto en el retraso de tiempo y el factor de decremento. En esta investigación se aplican los métodos de solución ya descritos con anterioridad, solo se cambia la configuración en las posiciones del aislante y la masa térmica. Se colocaron cuatro centímetros de aislante (poliuretano) en diferentes posiciones combinadas con veinte centímetros de una pieza de ladrillo, en total se obtuvieron seis configuraciones, concluyen que colocando la mitad del aislante en el plano central de la pared y la otra mitad en la superficie exterior de la pared nos da un gran retraso de tiempo y bajo factor de decremento (cercanos a los valores óptimos). Papadopoulus, et al., en el 2005, concluyeron que los materiales aislantes son la herramienta clave en el diseño y construcción de edificios ahorradores de energía, y que está demostrado porque en los últimos años se ha registrado un incremento del espesor del aislante usado para edificios. El mercado europeo se caracteriza por el dominio de dos grupos de productos: materiales de fibras inorgánicas y materiales orgánicos de espuma. Todos ellos con características similares en lo que se refiere a capacidades aislantes. A pesar del hecho de que las propiedades térmicas de los materiales no han sido mejoradas significativamente en la última década, otras características han sido mejoradas, tales como las propiedades mecánicas, la reacción al fuego y humedad. El uso de materiales aislantes ha aumentado porque en algunos países se han implementado normas con valores mínimos de aislamiento, o se considera como requisito un cierto coeficiente global de transferencia de calor para la construcción de edificios residenciales. El autor presenta gráficas evaluando a 15 países de 1982 a 1999 donde se aprecia la evolución en el aumento del espesor en aislantes para muros y techos (el mayor espesor es para los techos, y los países que más usan es Suecia y Finlandia, y los que menos usan son Turquía y Grecia). También se presenta una tabla con los coeficientes globales (U) típicos para la envolvente de edificios residenciales para 18 países. Se concluye que el aumento 32 Capítulo 1 Introducción de la protección térmica es y será la manera más eficiente y de menor costo para construir o rehabilitar edificios con un razonable consumo de energía, condiciones satisfactorias de confort térmico y bajo costo de operación. 1.3.5 CONCLUSIONES DE LA REVISIÓN BIBLIOGRAFICA: En los estudios sobre arquitectura bioclimática y las metodologías del cálculo de cargas térmicas en viviendas, uno de los principales factores que determina si el proyecto se considera viable es: la evaluación térmica. En la revisión bibliográfica, se presentan métodos simples, algunos de los cuales pueden resolverse manualmente, y otros que por su complejidad requieren del apoyo de sistemas de cómputo. Los métodos más simples sólo permiten evaluar valores instantáneos de ganancias de calor (métodos estáticos), por otro lado, entre los métodos de cálculo más complejos (métodos dinámicos) se encuentra el “Método de la función de transferencia” (TFM), el cual considera los efectos del almacenamiento térmico para convertir las ganancias de calor a cargas de enfriamiento en periodos horarios, por el número de variables de entrada y el análisis en estado transitorio, da resultados más apegados a la realidad, esta metodología requiere herramientas de cómputo. El programa TRNSYS utiliza las funciones de transferencia para los cálculos de energía térmica Existe una preocupación por disminuir la incertidumbre de los resultados que se obtienen por medio de correlaciones para calcular las componentes directa y difusa de la radiación solar, pues la mayor parte de las estaciones meteorológicas registran la radiación solar global. En el tratamiento de los datos climáticos, se proponen correlaciones con las que se pretende sintetizar las estadísticas obtenidas a largo plazo para obtener datos anuales, estas variables fueron descritas como funciones irregulares del tiempo (estocásticas). Otros estudios mencionan que el microclima influye en el comportamiento térmico y en el consumo energético de los edificios, principalmente las ganancias por radiación solar sobre la envolvente. 33 Capítulo 1 Introducción En cuanto a la evaluación de energía en edificios utilizando programas de simulación, se originó en los años 70s, y a la fecha, existe un gran número de estos programas (más de 200), con una gran diferencia en los planteamientos, manejo de modelos y datos. Entre los programas más utilizados se encuentran DOE-2 y TRNSYS. DOE-2 es un programa de análisis de energía, puede predecir el uso y costo de la energía para todo tipo de edificios, se hace mención de que TRNSYS, se considera como uno de los programas más confiables y se utilizó por vez primera en 1977; estos programas han sido utilizados para realizar estudios del comportamiento térmico de las edificaciones, principalmente para calcular las cargas de enfriamiento o calentamiento requeridas para mantener las condiciones de confort térmico, para periodos horarios, mensuales o anuales. Los estudios paramétricos proporcionan información que permite determinar los materiales de construcción adecuados para lograr envolventes con condiciones bioclimáticas. En la mayoría de los casos se considera como referencia el coeficiente global de transferencia de calor, también se analiza la influencia que tienen las propiedades termofísicas de los materiales de construcción, sobre todo la conductividad térmica k , la densidad , y el calor específico c p , en el retardo de tiempo y factor de decremento. Con base en los trabajos analizados se puede plantear que: No se tiene suficiente información disponible de las variables meteorológicas para los Estados de la República Mexicana, en particular en los diferentes municipios del Estado de Morelos, hay muy escasa información que pueda ser utilizada como banco de datos para alimentar el TRNSYS. Se encontraron pocos estudios que evalúen la demanda energética de edificaciones y viviendas en México, en particular en el sector residencial considerando el clima del Estado de Morelos, en los que se comparen resultados de simulaciones anuales, para diferentes tipos de viviendas y diferentes tipos de materiales de la envolvente. 34 Capítulo 1 Introducción En otros países se han desarrollado normas basadas en los valores de los coeficientes globales (U) típicos para la envolvente de edificios residenciales, sin embargo, en México no se encontraron parámetros que definan de manera clara una escala, o un rango de valores para efectuar una calificación energética de las viviendas en el Estado de Morelos. 1.4 OBJETIVO GENERAL: Realizar el estudio de la demanda energética, la calidad térmica y la calificación energética de viviendas en el Estado de Morelos, variando parámetros de la envolvente para presentar alternativas que permitan mejorar las condiciones térmicas al interior de las edificaciones, realizar un análisis costo beneficio, y dar a conocer recomendaciones de tipo normativo según el clima. Objetivos específicos: Recabar y procesar la información de las variables meteorológicas tales como: radiación solar, temperatura de bulbo seco, humedad y velocidad del viento en los diferentes municipios del Estado de Morelos durante todo el periodo de desarrollo de la tesis para establecer una base de datos de clima. Seleccionar viviendas tipo que se construyen en el Estado de Morelos. Usando el programa de simulación TRNSYS® evaluar la demanda energética y la calidad térmica de las viviendas en el Estado de Morelos. Validación de resultados de simulaciones utilizando TRNSYS®, versus datos experimentales obtenidos en el Contenedor Demostrador de Investigación del SP4 de la Plataforma Solar de Almería, España (PSA). Estudio de variación de parámetros de la envolvente de las viviendas, para evaluar las diferencias en el consumo de energía en el caso de utilizar equipos de HVAC. 35 Capítulo 1 Introducción Realizar un análisis costo beneficio, considerando las modificaciones en la envolvente de las viviendas versus el ahorro de energía para lograr condiciones de confort. Generar parámetros que califiquen la calidad energética de las viviendas. Generar parámetros que califiquen la calidad térmica de las viviendas. 1.5 ALCANCE: Efectuar la recopilación de datos del clima representativo de las diferentes regiones del Estado de Morelos, los cuales serán ordenados y acoplados como banco de datos en el programa TRNSYS®, realizar la simulación de diferentes viviendas. En las simulaciones se analizarán los efectos que se presentan por la variación de parámetros tales como: orientación, geometría, materiales de construcción de paredes y techo, colores de la envolvente, dispositivos de sombreado, tipo de ventanas, etc. Con base en el estudio anterior, proponer cambios a la envolvente para optimizar el diseño de viviendas para cada tipo de clima. Evaluar la calidad térmica de la envolvente, califiquen energéticamente las viviendas. 36 generar indicadores que Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos CAPÍTULO 2 CLIMA Y DEMOGRAFÍA DEL ESTADO DE MORELOS. En este apartado se presenta información del clima y la demografía en el Estado de Morelos, así como, un análisis socioeconómico y de viviendas para seleccionar las casas tipo que se tomaran como referentes. Finalmente, se describen las consideraciones particulares que se toman en cuenta en el estudio para realizar las simulaciones. 37 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 2.1 EL CLIMA. El clima es el conjunto de fenómenos meteorológicos que caracterizan el estado medio de la atmósfera en un punto de la superficie terrestre. La meteorología es la ciencia que estudia la atmósfera, los fenómenos que en ella se producen y las leyes que los rigen. El clima caracteriza e identifica una región por el comportamiento de sus componentes y sus variables atmosféricas; esto da lugar a un estilo de vida particular para cada zona climática. Los factores geográficos son las condiciones físicas que identifican a una región o un lugar en particular, y determinan su clima. Los principales factores son: Latitud: la latitud es la distancia angular de un punto sobre la superficie terrestre al ecuador; se mide en grados, minutos y segundos. La importancia de este factor es que determina la incidencia de los rayos del sol sobre la tierra en un punto determinado. La incidencia de los rayos solares determina la temperatura y la cantidad de radiación que recibe un sitio en particular, aunque también depende de las condiciones del cielo. Altitud: la altitud es la distancia vertical de un plano horizontal hasta el nivel del mar; se mide en metros sobre el nivel del mar (msnm). Este factor influye en el clima de un lugar, porque al aumentar la altitud desciende la temperatura de la atmósfera. Relieve: es la configuración superficial de la tierra. Otro factor clave para el clima, ya que determina las corrientes de aire, la insolación del lugar, su vegetación, la humedad, etcétera. Otros: la distribución de la tierra y agua, las corrientes marinas, así como las modificaciones al entorno son factores que modifican el clima y sus componentes, tales como la temperatura, humedad, ruido y contaminación de suelos. Los Elementos del clima son las propiedades físicas de la atmósfera. Los más importantes para análisis en el proceso de diseño de edificaciones son: temperatura, radiación solar, humedad, precipitación, dirección y velocidad del viento, presión y nubosidad [Rodríguez, 2001]. 38 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 2.2 ELEMENTOS DEL CLIMA. 2.2.1 Temperatura. En termodinámica se define como una medida del nivel de la presión térmica de un sistema o el índice de la velocidad molecular promedio (Cengel, 2003). En los elementos del clima es común encontrar los términos de temperatura media, máxima y mínima. Estas lecturas existen generalmente en forma de datos mensuales y anuales. La temperatura media es el promedio de las temperaturas en un periodo determinado de tiempo (horario, diario, mensual o anual); es muy importante ya que permite evaluar la comodidad o el confort térmico. Las temperaturas máximas y mínimas son el promedio de las temperaturas más altas y más bajas, respectivamente, registradas en un periodo. Con estos parámetros se obtiene la oscilación térmica que nos permite conocer qué tanto varia la temperatura en un día, mes, estación o año, y con ello podemos prever el efecto que la envolvente y la ventilación pueden tener en el diseño de los espacios, para este caso las mediciones se llevaron a cabo con sensores electrónicos (HMP45D), con un intervalo de -40 a 60 ºC, y con un rango de incertidumbre de ±0.2 ºC. 2.2.2 Radiación. La radiación, es la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas. Este proceso, a diferencia de la convección, no requiere la presencia o intervención de materia para su transporte. El origen de la radiación es el sol, la temperatura efectiva de cuerpo negro que presenta es igual a 5,762 K, la cantidad de energía del sol por unidad de tiempo recibida sobre una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación fuera de la atmósfera es la llamada constante solar y tiene un valor igual a 1,353 W/m2 [Manrique, 1984]. La radiación que viene del sol está integrada por diferentes longitudes de onda, tal como se indica en la figura 2.1. La fracción de energía solar extraterrestre que se encuentra en el ultravioleta es 7%, en el visible 47.29%, y en el infrarrojo 45.71%. 39 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Figura 2.1.- Espectro de radiación solar. La transferencia de calor por radiación se establece por la conversión de energía térmica en energía radiante. La energía radiante viaja hacia fuera del objeto emisor y conserva su identidad, hasta que es absorbida y reconvertida en energía térmica por un objeto receptor. Por otra parte, la intensidad y la longitud de onda de radiación dependen principalmente de la temperatura y naturaleza del cuerpo radiante. La intensidad de energía radiante recibida por un objeto depende de los siguientes factores: a) De la distancia de la fuente de energía radiante: la intensidad de radiación recibida varia inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la fuente y el receptor (I= l/d2). b) Del ángulo de incidencia de la radiación, la cantidad de energía radiante recibida por unidad de área será mayor si la radiación incide perpendicularmente sobre la superficie. c) De la temperatura del cuerpo radiante y del receptor. d) De las propiedades ópticas: absortancia () y emitancia () de las superficies. Las relaciones geométricas entre un plano y cualquier orientación particular relativa a la tierra y la radiación solar directa incidente pueden ser descritas en términos de varios ángulos, estos ángulos y sus relaciones entre ellos son: 40 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos o Ф Latitud: localización angular, norte o sur del ecuador, el norte positivo; -90°<φ<90° o δ Declinación: la posición angular del sol en el medio día solar, con respecto al plano del ecuador, norte positivo; -23.45°<δ<23.45°. o β Inclinación: el ángulo entre el plano de la superficie en cuestión y la horizontal; 0°<β<180°. o θ Ángulo de incidencia: ángulo entre la radiación directa sobre una superficie y la normal a la superficie θ. o θz Ángulo Cenital: ángulo entre la vertical y la línea al sol; es el ángulo de incidencia de la radiación directa sobre una superficie horizontal o γ Ángulo acimutal de la superficie: es la desviación de la proyección sobre un plano horizontal de la normal a la superficie desde el meridiano local, cero al sur, este negativo, oeste positivo; -180°<δ<180°. o γs Ángulo acimutal solar: es el ángulo entre la proyección de la radiación directa del sol sobre el plano horizontal y el sur de la superficie. o ω Ángulo horario: es el desplazamiento angular En superficies horizontales el ángulo de incidencia es igual al ángulo cenital (θ=θz.), y para superficies verticales β=90°, en la figura 2.2 se muestran el ángulo zenital, la inclinación, y el ángulo acimutal. La declinación , puede ser calculada con la siguiente ecuación [Duffie, 1991]. 284 n 23.45 * Sen 360 …………..………………..2.1 365 donde n es el día del año. 41 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Figura 2.2.- Ángulo zenital, altura solar y ángulo acimutal solar. La radiación solar global se divide en radiación directa y radiación difusa, los datos de radiación solar son usados de varias formas y para varios propósitos. La información más común disponible es de datos de radiación global en promedios horarios sobre superficies horizontales. En este estudio se utilizó un piranómetro QMS101, el cual, tiene un sensor que utiliza un detector de fotodiodo para crear una salida de voltaje proporcional a la radiación recibida. Debido al diseño único del difusor, su sensibilidad es proporcional al coseno del ángulo de incidencia de la radiación (figura 2.3). Figura 2.3.- Piranómetro. 42 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 2.2.3 Humedad. La humedad es el contenido de agua en el aire. Esta cantidad varia con el tiempo y ubicación, sin embargo difícilmente llega al 5% con respecto a un volumen dado de aire. Existen diversas escalas para medirla, pudiéndose expresar como humedad relativa o humedad absoluta. La humedad relativa es la relación (expresada en porcentaje) de la densidad de vapor de agua en el aire con la densidad de saturación a la temperatura correspondiente (Hernández, 2003). Se le llama relativa porque el aire tiene la característica de incrementar el contenido de humedad a mayor temperatura. La humedad relativa es una manifestación de energía del aire (calor latente) relacionada de manera directa con la temperatura y puede afectar nuestra percepción de confort. Para este trabajo la humedad relativa fue medida con los multisensores WXT510. 2.2.4 Velocidad y dirección del viento. El viento es aire en movimiento generado por las diferencias de temperatura y presión atmosférica que son causadas por un calentamiento no uniforme de la superficie terrestre, ya que mientras el sol calienta el aire, agua y tierra de un lado de la tierra, el otro lado es enfriado por la radiación nocturna hacia el espacio. El viento tiene diversos atributos que lo caracterizan, como son dirección, frecuencia y velocidad. La dirección es la orientación de la que proviene el viento y se mide con una veleta. La frecuencia es el porcentaje en que se presentó el viento de cada una de las orientaciones. La velocidad del viento es la distancia recorrida por el flujo de viento en una unidad de tiempo. El viento es otro parámetro de gran importancia para el diseño. En algunos climas como los cálidos y húmedos es la principal forma de climatización. Su uso adecuado puede provocar sensaciones agradables en espacios que de otro modo serían inhabitables (Rodríguez, 2001). En este estudio la velocidad del viento se mide con un anemómetro ultrasónico, contenido en el multisensor WXT510 de Vaisala (figura 2.4). 43 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Figura 2.4.- Multisensor WXT510. 44 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 2.3 CLIMA DEL ESTADO DE MORELOS. El Estado de Morelos se ubica en la región centro del país y se conforma por 33 municipios, representa el 0.25% de la superficie de la república mexicana (4,958Km2); colinda al norte con el Estado de México y el Distrito Federal, al este con México y Puebla, al sur con Puebla y Guerrero, y al oeste con Guerrero y México. Las coordenadas geográficas extremas son al norte 19º 08’, al sur 18º 20’ de latitud norte, al este 98º 38’, al oeste 99º 30’ de longitud oeste, al Sur del Trópico de Cáncer, a una altitud promedio de 1,480 m sobre el nivel del mar y con una temperatura promedio al año de 22.2 °C, en la figura 2.5 se muestra la división municipal del Estado de Morelos [INEGI, 2006]. Figura 2.5.- División municipal del estado de Morelos. 45 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos De acuerdo a datos del INEGI el clima que predomina en el Estado de Morelos es cálido, sobre todo en las zonas bajas de los ríos Amacuzac y Nexapa. En menor grado se presenta el clima de tipo semicálido, en una franja que va de este a oeste situada en la región norte, en la zona de transición entre la sierra y los valles. El templado o mesotérmico se distribuye en la zona norte, y se localiza en las partes altas de los valles de Cuernavaca y de Cuautla principalmente. Los climas semifríos se reducen a pequeñas áreas en el extremo norte, concentrándose en las partes más altas de la sierra, como son la Cordillera Neovolcánica y la Sierra Nevada o Transversal. Clima Cálido: este clima se caracteriza por tener una temperatura media anual mayor de 22 °C; se encuentra asociado a comunidades vegetativas como son la selva baja y los pastizales. Por su influencia y extensión es el clima más importante de la entidad. Rige en el centro y sur, en los límites con el Estado de México y con Guerrero, cubre aproximadamente un 75% de la superficie de la entidad. Presenta dos variantes, aunque la más importante es el clima cálido subhúmedo, que presenta lluvias en verano y un pequeño porcentaje de lluvia en invierno. Clima semicálido: este clima tiene una temperatura media anual que fluctúa entre 18 y 22 °C; está asociado a comunidades vegetativas del tipo del chaparral, matorral subtropical y pastizal. Se ubica en una región enclavada en el norte de la entidad, así como en una pequeña zona al sur; abarca aproximadamente un 13% de su superficie. Clima templado: este tipo de clima se establece en cuanto a temperatura, por eso se le considera mesotérmico; se caracteriza por tener una temperatura media anual entre 12 y 18 °C. Se encuentra asociado a comunidades vegetativas tales como los bosques mixtos de pino, encino y pastizales. Se localiza en la zona norte y ocupa aproximadamente un 10% de la superficie de la entidad. Climas semifrío: se caracteriza por tener una temperatura media anual menor de 16 °C; está asociado a comunidades vegetativas como bosques y praderas de alta montaña, se localiza en pequeñas zonas del norte en los límites con el Distrito 46 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Federal y el Estado de México; cubre aproximadamente un 2% de la superficie de la entidad. En el Estado de Morelos, durante el primer periodo de calentamiento anual (primavera), la insolación es abundante lo que propicia incrementos notables en la temperatura, llegando a su máxima intensidad en el mes de abril. Durante el siguiente periodo de calentamiento (verano), las temperaturas tienden a atenuarse debido a la presencia de nubosidad y precipitación [INEGI, 2006], en la figura 2.6 se muestra la clasificación de climas en el Estado de Morelos. Semifrío Templado Semicálido Cálido Figura 2.6.- Diferentes tipos de clima en el Estado de Morelos (INEGI, 2006). Debido a que se requiere una información de datos del clima en periodos horarios y registrada con equipo meteorológico, se recopiló información contando para ello con Estaciones Meteorológicas Automáticas (5 instaladas por el cenidet, 23 de INIFAP y 5 del SMN), las estaciones son de la marca Vaisala, modelo Maws 110, las cuales están conformadas por un conjunto de sensores que registran información meteorológica de forma automática, generan archivos promedio de 47 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos cada 10 minutos (con registro de datos cada 10 segundos), cada hora y diarios. Los sistemas Vaisala MAWS 110 integrados con el Datalogger QML201 (figura 2.7), son de nueva generación, sistemas completamente integrados, especialmente diseñados para aplicaciones climatológicas donde no se cuenta con suministro de energía eléctrica, se autoabastecen con un panel solar de 10W. Las estaciones cuentan con un multisensor, y realizan mediciones de las cinco variables más comunes en meteorología: temperatura, radiación solar, humedad relativa, presión atmosférica, viento (dirección y velocidad) y precipitación pluvial, en la figura 2.8 se muestra una Estación Meteorológica Automática. Figura 2.7.-Maws con Datalogger. Figura 2.8.- Estación Meteorológica Automática. Para nuestro estudio se recopiló y procesó la información durante el año 2007, en la tabla 2.1 se describe la ubicación de las estaciones meteorológicas utilizadas para registrar las variables climáticas. 48 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Tabla 2.1.- Ubicación de las Estaciones Meteorológicas Automáticas en el Estado de Morelos. MUNICIPIO LATITUD LOGITUD 1 AXOCHIAPAN 18º32' 98º44' 2 AYALA 18º45' 98º52' 3 HUITZILAC 19º02' 99º14' 4 MIACATLAN 18º43' 99º17' 5 MAZATEPEC 18º43' 99º22' 6 CUAUTLA 18º49' 98º59' 7 EMILIANO ZAPATA 18º52' 99º13' 8 TEMOAC 18º45' 98º48' 9 ZACATEPEC 18º39' 99º12' 10 JONACATEPEC 18º41' 98º49' 11 OCUITUCO 18º52' 98º49' 12 PUENTE DE IXTLA 18º27' 99º11' 13 JOJUTLA 18º32' 99º15' 14 TEPALCINGO 18º38' 98º53' 15 TEPOZTLAN 18º56' 99º05' 16 CUERNAVACA 18º58' 99º08' 17 TETELA DEL VOLCAN 18º52' 98º42' 18 TLALNEPANTLA 19º00' 98º59' 19 TLALTIZAPAN 18º41' 99º08' 20 TLAQUILTENANGO 18º31' 99º05' 21 TLAYACAPAN 18º57' 98º59' 22 AYALA TLAYACAPAN 18º46' 18º57’ 98º54' 98º59’ TEMOAC 18º46’ 98º47’ TEPALCINGO 18º37’ 98º54' TLAQUILTENANGO 18º37’ 99º09’ TILZAPOTLA 18º43’ 99º22’ JIUTEPEC 18°52' 99°09' TEPOZTLAN 18°57' 99°04' 23 24 25 26 27 28 29 49 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos En la figura 2.9 se muestra la ubicación de las Estaciones Meteorológicas Automáticas, la información recabada fue procesada, y se generaron las bases de datos del clima para alimentar al programa. Figura 2.9.- Ubicación de las Estaciones Meteorológicas Automáticas en el Estado de Morelos. 50 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 2.4 DEMOGRAFÍA DEL ESTADO DE MORELOS. 2.4.1 Distribución de la población. La población del Estado, de acuerdo a los resultados del Conteo de Población y Vivienda en 2005 [INEGI, 2006], fue de un millón 612 mil 899 habitantes, y en el 2010 [INEGI, 2011] aumentó 9.3%, para presentar un total de un millón 777 mil 317 habitantes, estos datos se presentan en la tabla 2.2. Tabla 2.2.- Población total del Estado de Morelos por municipio. Municipio Amacuzac Atlatlahucan Axochiapan Ayala Coatlán del Rio Cuautla Cuernavaca Emiliano Zapata Huitzilac Jantetelco Jiutepec Jojutla Jonacatepec Mazatepec Miacatlán Ocuituco Puente de Ixtla Temixco Temoac Tepalcingo Tepoztlán Tetecala Tetela del Volcan Tlalnepantla Tlaltizapán Tlaquiltenango Tlayacapan Totolapan Xochitepec Yautepec Yecapixtla Zacatepec Zacualpan Total 2005 2010 15,359 17,021 13,863 18,895 30,576 33,695 70,023 78,866 8,181 9,471 160,285 175,207 349,102 365,168 69,064 83,485 14,815 17,340 13,811 15,646 181,317 196,953 51,604 55,115 13,598 14,604 8,766 9,546 22,691 24,990 15,357 16,858 56,410 61,585 98,560 108,126 12,438 14,641 23,209 25,346 36,145 41,629 6,473 7,441 17,255 19,138 5,884 6,636 44,773 48,881 29,637 31,534 14,467 16,543 10,012 10,789 53,368 63,382 84,513 97,827 39,859 46,809 33,527 35,063 7,957 9,087 1,612,899 1,777,317 51 Crecimiento (%) 9.8 26.6 9.3 11.2 13.6 8.5 4.4 17.3 14.6 11.7 7.9 6.4 6.9 8.2 9.2 8.9 8.4 8.8 15.0 8.4 13.2 13.0 9.8 11.3 8.4 6.0 12.5 7.2 15.8 13.6 14.8 4.4 12.4 9.3 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Morelos está en los primeros lugares a nivel nacional en densidad de población por kilómetro cuadrado, antecedido básicamente por el Distrito Federal y el Estado de México. En cuanto a la distribución de la población en el estado la población concentrada en las zonas urbanas corresponde al 86% y la población en zonas rurales sólo es el 14%. Del total de la población, el 21.1% reside en el municipio de Cuernavaca; le sigue en orden de importancia los municipios de Jiutepec, con 11.6%; Cuautla, 9.8%; Temixco, 5.9%; Yautepec, 5.5%, Ayala, 4.5% y Emiliano Zapata 4.0%. La participación del resto de los municipios es menor al 4% cada uno, siendo Tlalnepantla, el municipio menos poblado, con una participación de 0.4% respecto al total de los habitantes de la Entidad. El Estado presenta un alto porcentaje de población urbana en comparación con la media nacional (85.4% vs. 74.6% nac.). Poco más del 45% de la población total del Estado se localiza en la zona conurbada de Cuernavaca conformada por los municipios de Cuernavaca, Jiutepec, Temixco, Emiliano Zapata y Xochitepec, la cual se denomina por INEGI Zona Metropolitana de Cuernavaca. En la gráfica 2.1 se muestra la tendencia sobre el crecimiento poblacional en el Estado de Morelos. Gráfica 2.1.- Incremento poblacional en el Estado de Morelos. 52 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos La población propensa a formar nuevos hogares es la que se encuentra entre los 20 y 40 años. De 2005 a 2020 esta cifra pasará, según proyecciones [CONAPO 2010] de 566,175 a 617,406 habitantes, lo que llevará a un crecimiento en la formación de nuevos hogares a lo largo de los próximos años, de tal manera que la demanda de vivienda estará en constante aumento (gráfica 2.2). POBLACIÓN EN EDAD DE FORMAR NUEVOS HOGARES 617,406 620,000 600,000 580,000 566,175 560,000 540,000 520,000 500,000 2005 2020 Gráfica 2.2.- Población en edad de formar nuevos hogares. 2.4.2 Perspectiva socioeconómica de la población. En la tabla 2.3 se observa la distribución de la población de acuerdo al nivel socioeconómico y al tipo de vivienda que en relación con su ingreso tienen la capacidad de adquirir. El segmento con mayor concentración es el que percibe menos de 2 salarios mínimos diarios (60%), mientras que el que percibe por encima de los 10 salarios mínimos diarios representa un porcentaje del 3%. Tabla 2.3 Distribución de la población de acuerdo al Nivel Socioeconómico Ingreso por persona. S.M.D. Mayor a 10 De 5 a 10 De 2 a 5 Menos de 2 Rango de Ingreso Mensual (Ingresos personales) Mayor de $16341 De $8171 a $16341 De $3268 a $8171 Menos de $3268 53 Tipo de Vivienda Distribución (%) > $1, 000,000 3 < $1,000,000 7 < $550,000 30 < $225,000 60 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Mientras que la proporción de la población económicamente activa (PEA) promedio en el país es del orden del 30%, en Morelos es del 35%. La zona con la PEA más alta es la Zona Metropolitana de Cuernavaca con el 38%, le sigue Jojutla con el 36%. La revisión de los datos de Población económicamente Activa y la distribución del ingreso en el estado de Morelos, así como su comparación respecto al perfil nacional, remarcan la creciente demanda de vivienda. En lo referente a la distribución del ingreso y en correspondencia con la relevancia de la actividad económica, la PEA que califica para un crédito hipotecario (mínimo 2 Veces el Salario Mínimo para una vivienda económica), en la ZM de Cuernavaca presenta porcentajes superiores a los registrados a nivel estatal y nacional (48%), seguido por Jojutla y Cuautla, ambas con el 37% de la población con ingresos superiores a los 2 salarios mínimos, estos datos se muestran en la gráfica 2.3. DISTRIBUCIÓN DE LA POBLACIÓN SEGÚN INGRESOS 52% ZM Cuernavaca 35% 8% 63% ZM Cuautla 29% 66% Puente de Ixtla 29% 69% Tlaltizapán 0% 20% <2 vs m 6% 2% 30% 56% NACIONAL 32% 40% <5 vs m 60% <10 vs m 2% 4% 1% 26% 60% TOTAL ESTATAL 6% 29% 63% Jojutla 5% 4% 1% 7% 3% 8% 80% 4% 100% >10 vs m Gráfica 2.3.- Porcentajes de población según ingresos personales. Con los datos anteriores aumentando al ingreso individual, el ingreso por el número promedio de personas económicamente activas por familia (1.51 en el Estado de Morelos) y considerando una subdivisión uniforme de los diferentes rangos de ingreso, se estima la siguiente distribución de ingreso por hogar (tabla 2.4 y gráfica 2.4). 54 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Tabla 2.4 Distribución de la población de acuerdo al Nivel Socioeconómico Ingreso por hogar. Rango de Ingreso Mensual Costo de la S.M.D. (Ingreso por hogar) vivienda Mayor a 10 Mayor de $16341 > $1, 000,000 De 5 a 10 De $8171 a $16341 < $1,000,000 De 2 a 5 De $3268 a $8171 Menos de 2 Menos de $3268 Tipo de vivienda Residencial Media Social e interés medio Económica < $550,000 < $225,000 (%) 7 23 25 45 DISTRIBUCIÓN SEGÚN INGRESO EN EL HOGAR 39% ZM Cuernavaca 24% 27% 47% ZM Cuautla 25% 50% Puente de Ixtla 25% 42% NACIONAL 0% 10% 20% 30% <2 vs m 40% <5 vs m 50% <12 vs m 15% 23% 25% 70% 80% 3% 4% 7% 24% 60% 3% 6% 19% 25% 45% TOTAL ESTATAL 22% 26% 56% Resto del Estado 6% 21% 25% 52% Tlaltizapán 22% 26% 47% Jojutla 10% 9% 90% 100% >12 vs m Gráfica 2.4.- Porcentajes de población según ingresos por hogar. FUENTE: Secretaría del Trabajo y Previsión Social. Comisión Nacional de los Salarios Mínimos, 2011. FUENTE: Censo de Población 2010. INEGI 2011. 2.4.3 Análisis de la demanda de vivienda. La demanda de vivienda denota una creciente necesidad en el Estado de Morelos, ya que en el periodo de 2005 a 2010 la población aumentó en 150,000 habitantes, lo que representa un incremento del 9.3%, las necesidades de vivienda se proyectan en la tabla 2.5, considerando que se requiere una vivienda por cada cuatro nuevos habitantes. La conjunción de la distribución de hogares según ingreso y las necesidades anuales de vivienda señaladas anteriormente, permite determinar la 55 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos segmentación de la demanda según ingreso por hogar. Sin embargo, debe tomarse en cuenta el rezago habitacional* que existe en el país según datos de la Comisión Nacional de Fomento a la Vivienda (CONAFOVI), el cual al año 2010 era de 1,810,930 viviendas, de este total, el Estado de Morelos presenta un rezago de 29,540 viviendas nuevas equivalente al 1.6% del total nacional. *Se entiende por rezago habitacional al número de viviendas que por sus características de ocupación (hacinamiento) y componentes materiales en la edificación (deterioro), no satisfacen un mínimo de bienestar para sus ocupantes Tabla 2.5.- Necesidades de Vivienda en el estado de Morelos. Municipio Cuernavaca Jiutepec Cuautla Temixco Yautepec Ayala Emiliano Zapata Puente de ixtla Xochitepec Jojutla Tlaltizapan Yecapixtla Tepoztlan Atlatlahucan Total estatal Número de Habitantes 2005 349,102 181,317 160,285 98,560 84,513 70,023 69,054 56,410 53,368 51,604 44,773 39,859 36,145 13,863 1,612,899 Tasa anual de crecimiento 2000-2010 4.4% 7.9% 8.5% 8.8% 13.6% 11.2% 17.3% 8.4% 15.8% 6.4% 8.4% 14.8% 13.2% 26.6% 9.3% Demanda anual de Vivienda (4 personas) 3,840 3,581 3,406 2,168 2,873 1,961 2,987 1,185 2,108 826 940 1,475 1,193 922 37,500 Con base en la información analizada se concluye que la demanda anual de viviendas en el Estado de Morelos es de 67,040 viviendas nuevas, de las cuales el 45% deben ser adquiridas por familias con ingresos menores a dos salarios mínimos, con este poder adquisitivo se puede tener acceso a viviendas de un precio menor a $225,000.00, el resto de la población (55%) puede adquirir vivienda con un valor de $550,000.00 o un precio mayor. 56 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 2.5 SELECCIÓN DE LAS VIVIENDAS. Tomando como base la información socioeconómica se seleccionaron las viviendas sobre las cuales se realizarán los estudios relativos al comportamiento térmico, una vivienda de dos plantas y otra de una planta. Para el desarrollo de este trabajo no se consideran edificios con viviendas en un arreglo vertical, pues la mayoría de las viviendas residenciales en México se construyen con arreglos horizontales en fraccionamientos con propuestas de interés social, como se mencionó en el apartado anterior, ejemplos se muestran en la figura 2.10. Figura 2.10.- Fraccionamientos residenciales. La vivienda tipo de dos plantas fue elegida del conjunto residencial “Las Garzas” del Grupo “GEO”, llamada: Prototipo Colibrí, ubicada en el municipio de Emiliano Zapata, con un precio base de $293, 000.00. En lo que respecta a la vivienda de una planta se considera una vivienda particular ubicada en el municipio de Tlaltizapan, con un precio de $500,000.00. De acuerdo a su precio (vivienda social y de interés medio $300 a $550 mil pesos) ambas se encuentran en el rango de mayor demanda y accesibilidad para la población. 2.5.1 Vivienda de dos plantas. La vivienda del conjunto residencial “Las Garzas” del Grupo “GEO”, llamada: Prototipo Colibrí, la vista frontal se muestra en la figura tridimensional se presenta en la figura 2.12. 57 2.11, una vista Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Figura 2.11.- Vista frontal de la vivienda de dos plantas. Figura 2.12.- Vista tridimensional de la vivienda de dos plantas. Descripción de la Vivienda Planta Baja: sala-comedor, cocina, patio de servicio y estacionamiento Planta Alta: dos recamaras con área de guardado y un baño completo Muros: en block hueco con recubrimiento final de tirol planchado en sala, comedor, cocina y recamaras; azulejo en parte del baño. Piso: loseta de cerámica con zoclo de madera. Techo: concreto armado con acabado interno en tirol y externo en impermeabilizante y una parte con teja. Marcos de las ventanas: aluminio blanco. Muebles de Baño y Servicio: baño color blanco, lavadero de granito y boiler. Construcción: Levantada: 49.29 m2 ---- Terreno: 33.21 m2 --- Precio: Desde $ 293,000.00 58 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 2.5.2 Vivienda de una planta Se tomó como prototipo una vivienda particular, que está construida con materiales de similares propiedades termofísicas y además se encuentra en los rangos económicos contemplados, la vista frontal se muestra en la figura 2.13, una visa tridimensional se presenta en la figura 2.14. Figura 2.13.- Vista frontal de la vivienda de una planta. Figura 2.14.- Vista tridimensional de la vivienda de una planta. Descripción de la Vivienda Sala, comedor, cocina, dos recamaras con área de guardado y un baño completo. Muros: block hueco de cemento con recubrimiento de aplanado de mortero en sala, comedor, cocina y recamaras; azulejo en parte del baño. Piso: loseta de cerámica. Techo: concreto armado con acabado interno de mortero y cal, al exterior en impermeabilizante. Marcos de las ventanas: aluminio natural. Muebles de Baño y Servicio: baño color obscuro, lavadero de granito y boiler. Construcción: 96 m2 --- Terreno 96 m2 --- Precio: $ 500,000.00 59 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 2.5.3 Materiales de construcción de las viviendas. En la figura 2.15 se indica el tipo de elementos de construcción utilizados en los muros y techos, así como los materiales que forman la envolvente de las dos viviendas, y en la tabla 2.6 se presentan los valores para las propiedades termofísicas. Figura 2.15.- Techo y muro de las viviendas. Tabla 2.6.- Propiedades termo físicas de las envolventes de las viviendas. Material Mortero Block Mortero Material Mortero Concreto ligero Mortero Impermeabilizante Material Vidrio Vidrio MUROS (ABSORTANCIA 0.6) L (m) k (W/m^2 K) ρ (kg/m^3) Cp (kJ/kg K) 0.02 0.70 1249 1.09 0.11 0.90 1400 0.3 0.02 0.87 1249 1.09 TECHO (ABSORTANCIA 0.75) L (m) k (W/m^2 K) ρ (kg/m^3) Cp (kJ/kg K) 0.02 0.70 1249 1.09 0.1 0.58 1250 0.84 0.02 0.87 1249 1.09 0.005 0.17 1200 1 VENTANA L (m) AIRE L (m) U(W/m^2 K) 0.004 5.8 VENTANA DOBLE PANEL 0.0025 0.0127 0.0025 2.7 Fuentes: Librerías de TRNSYS, ASHRAE Handbook, Norma Oficial Mexicana nom-008-2001 y Norma Básica de la edificación NBE-CT-79 (España 1979). 60 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Para todas las simulaciones sólo se considera evaluar las cargas térmicas en función de las ganancias externas, no se consideran cargas por aparatos, alumbrado ni personas. 2.6 CONSIDERACIONES PARTICULARES SOBRE LA GEOGRAFÍA Y EL CLIMA DEL ESTADO DE MORELOS. Para realizar este estudio, se consideran las condiciones orográficas, climáticas, y demográficas del Estado de Morelos. En las siguientes figuras se muestran características particulares de geografía y clima, en la figura 2.16 se presentan los valores de la altura sobre el nivel del mar, la mínima es en el sur con 1000 msnm y la máxima es en el noroeste con 2800 msnm, comprendiendo una distancia de sur a norte de 80 km en línea recta; en la figura 2.7 se observan las variaciones en la temperatura media anual, al sur se presentan la más elevada con 24 ºC, al nororiente la mínima con 12 ºC; los valores de radiación solar global se observan en la figura 2.18, la mayor cantidad de radiación se recibe en el sureste con un promedio diario anual de 6.4 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , en el noroeste se reciben 4.7 ; en la figura 2.19 se presentan los contornos marcados por la humedad relativa promedio anual con valores que van desde el 53% en el sur hasta el 76% en el noroeste; en lo que respecta a la densidad de población, los principales polos se encuentran en Cuernavaca y zona conurbada (E. Zapata, Temixco, etc) en el noroeste; Cuautla al noreste; y zona conurbada de Zacatetec, Jojutla y Tlaquiltenango al centro sur, figura 2.20. 61 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Figura 2.16.- Altura sobre el nivel del mar (m) en el Estado de Morelos. Promedio anual de temperatura Figura 2.17.- Promedio anual de temperaturas (ºC)(ºC) en el Estado de Morelos. 62 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 𝑘𝑊ℎ𝑟 Figura 2.18.- Promedio anual de radiación solar en el Estado de Morelos. Promedio anual de radiación solar (kWh/m^2) 𝑚2 Promedio anual de humedad relativa Figura 2.19.- Promedio anual de humedad relativa (%) (%) en el Estado de Morelos. 63 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos 100 Figura 2.20.- Distribución de población en el Estado (Miles de habitantes). Con base en las variaciones climáticas y orográficas extremas que se presentan en el Estado de Morelos, así como considerando la información sobre las zonas con mayor crecimiento urbano, inicialmente se propuso recopilar datos climáticos para cinco localidades representativas (figura 2.21). Huitzilac Zapata Cuautla Tlaquiltenango Axochiapan Figura 2.21.- Localidades seleccionadas. 64 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos En un estudio comparativo más detallado de los datos del clima de estas localidades observamos que las variaciones promedio anual entre Axochiapan y Tlaquiltenango, son mínimas. Para radiación solar las diferencias son de 5.08%, en humedad relativa 2.18% y para la temperatura ambiente de 2.72%. Por otro lado, entre los municipios de E. Zapata y Cuautla las diferencias son: en radiación solar 1.96%, humedad relativa 6.19%, y temperatura de bulbo seco de 2.90%. Por tanto se realizan los estudios para tres localidades: Tlaquiltenango, Emiliano Zapata y Huitzilac, asimismo se propone una división del estado en tres regiones micro climáticas (tabla 2.7). Tabla 2.7.- Distribución de climas en el Estado de Morelos. Parámetro asnm (m) T (ºC) 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 𝐼𝑔 𝑚2 H.R (%) Zona 1 Hasta 1200 25-22 6.4-6.0 Zona 2 1201 a 1800 21.9-18 5.9-5.5 Zona 3 1801 o más. 17.9-12 5.4-4.7 53-57 58-64 65-75 En el primer caso, para la zona o región 1 tendremos clima cálido, luego para la región 2 clima semicálido-templado, y finalmente para la región 3 semifriohúmedo; consecuentemente el modelado de la casa tipo se implementará considerando las tres regiones: Tlaquiltenango (clima cálido), Emiliano Zapata (clima templado) y Hultzilac (clima frio), dos de las comunidades seleccionadas se encuentran en polos de gran concentración urbana: zona metropolitana de Cuernavaca, y zona conurbada de Jojutla-Zacatepec-Tlaquiltenango, únicamente Huitzilac se encuentra en una zona de baja densidad de población (figura 2.22). 65 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos HUITZILAC ZONA 3 ZONA 2 ZAPATA CUAUTLA ZONA 1 TLAQUILTENANGO AXOCHIAPAN 4 Figura 2.22.- Distribución de climas en el Estado de Morelos. Una vez que se determinaron los municipios donde se deben ubicar las viviendas, se elaboraron las bases de datos del clima, con datos de promedios horarios para el año 2007 (adaptados para el modulo TYPE 9 del TRNSYS). 2.7 CONFORT TÉRMICO Y PSICROMETRÍA. El principal propósito de las edificaciones es proteger al ser humano de condiciones climáticas extremas, el confort térmico se entiende como: "La condición de la mente que expresa satisfacción con el ambiente térmico" [ASHRAE 55, 2004]. Esta definición deja abierto lo que se entiende por "estado de la mente" o "satisfacción" pero subraya acertadamente que el juicio de la comodidad es un proceso cognitivo en que participan muchos componentes, tales como: la influencia de factores físicos, procesos fisiológicos, psicológicos y otros. La mente consciente parece llegar a conclusiones sobre la comodidad y la incomodidad térmica, así como las sensaciones de humedad en la piel y activa los reflejos necesarios para regular la temperatura del cuerpo [McIntire, 1980; Fanger, 1982; Hensen, 1990]. En general, la comodidad se produce cuando la temperatura del cuerpo se mantiene dentro de rangos estrechos, la hidratación de la piel es baja, y el esfuerzo fisiológico de 66 regulación se reduce al mínimo. Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Sorprendentemente, a pesar de los diferentes climas, condiciones de vida y culturas diferentes en todo el mundo, la temperatura que la gente elige para la comodidad en condiciones similares de vestimenta, actividad, humedad y movimiento del aire se presenta en rangos similares [Berglund, 1978; Fanger 1988]. La Norma ISO 7730-1993 propone una clasificación de climas señalando ciertas zonas de la carta psicométrica, también es importante contemplar las estrategias que se pueden implementar para lograr las condiciones de confort de acuerdo a la temperatura y humedad del aire. En las siguientes figuras se señala la clasificación de climas y estrategias para enfriamiento y calentamiento (figuras 2.23 y 2.24). Cálido Húmedo Frio Moderado Cálido Seco Caluroso Húmedo Caluroso Seco Figura 2.23.- Carta psicrométrica, clasificación de climas. 67 Capítulo 2 Clima y demografía del Estado de Morelos Figura 2.24.- Carta psicrométrica, estrategias para enfriamiento y calentamiento. En referencia a la Norma ASHRAE 55-2004 “Condiciones Térmicas Medioambientales para Ocupación Humana”, esta señala que para fines de confort térmico, la temperatura puede variar entre aproximadamente 19.4 ºC y 27.7 ºC (67 ºF y 82 °F). Un rango más específico puede determinarse a partir de la norma, pero depende de la humedad relativa, la estación, tipo de vestimenta, niveles de actividad y otros factores. 68 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA Y PROGRAMA DE SIMULACIÓN Las decisiones más importantes en la construcción de edificios, considerando una envolvente que tome ventaja del medio ambiente para mantener las condiciones de confort, deben tomarse en las etapas iníciales de diseño, el comportamiento térmico de la edificación puede evaluarse con el apoyo de programas de simulación. En este capítulo se presenta la metodología utilizada y se describe de manera resumida el programa TRNSYS con los módulos componentes utilizados para el cálculo de cargas térmicas. 69 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación 3.1 METODOLOGÍA La metodología utilizada para el desarrollo de este trabajo se muestra en la figura 3.1. Los datos sobre la geografía y el clima, características de la edificación, psicrometría y requerimientos para el confort térmico, son información base para realizar las simulaciones aplicando el programa TRNSYS®, dicha información se detalló en el capítulo 2. Esta metodología es similar a la presentada en el capítulo 4 (figura 4.1), difiere en los dos módulos finales, ya que, en este estudio se realizaron cambios en la envolvente, proponiéndose valores para la calificación energética y térmica de las viviendas. Geografía Y clima Información General Confort térmico Y psicrometría Calidad de vivienda Calificación energética Estrategias Variación de parámetros Evaluación térmica Demanda energética (Simulación con TRNSYS) Edificación Y usuarios. Figura 3.1.- Diagrama esquemático de la metodología implementada. 3.2 DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA TRNSYS Para desarrollar este trabajo de investigación se ha seleccionado el programa TRNSYS [TRNSYS, 2007], por su fiabilidad entre los programas de simulación [Fiskel, 1995; Bansal, 1996]. TRNSYS, simula sistemas solares en estado transitorio y tiene una estructura modular que le da flexibilidad, la diferencia con otros programas, es básicamente en el desarrollo de sus ecuaciones, ya que 70 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación los muros, piso, y techo son modelados con el método de función de transferencia [Stephenson, 1971; Mitalas, 1982]. TRNSYS ha sido usado frecuentemente para predecir el comportamiento térmico de edificios [Wang, 2009]. TRNSYS es un programa para simular sistemas transitorios, está estructurado en lenguaje FORTRAN y se integra de forma modular, fue desarrollado por el Laboratorio de Energía Solar de la Universidad de Wisconsin, Madison, es considerado como uno de los programas más avanzados para la simulación de sistemas solares activos. La naturaleza modular de TRNSYS brinda al programa una gran flexibilidad y facilita la incorporación de modelos matemáticos no incluidos en la librería estándar. El programa se utiliza para análisis detallados de sistemas que presentan un comportamiento dependiente del tiempo [Beckman, 2000]. Cada componente del programa se describe por medio de una subrutina escrita en FORTRAN llamada comúnmente TYPE. La técnica modular del programa permite analizar un sistema completo como la suma de componentes individuales. El ejecutable de TRNSYS resuelve los componentes del sistema de ecuaciones y realiza iteraciones en el tiempo, hasta que el sistema converge. Los componentes de TRNSYS incluyen sistemas termoenergéticos como equipos de aire acondicionado, evaluación térmica de edificios, y sistemas solares, entre otros. Debido a su estructura modular, el uso de TRNSYS facilita la solución de sistemas energéticos complejos. Este programa cuenta con varios módulos, con los que se pueden realizar simulaciones en varios sistemas solares activos y pasivos, en este caso aplicamos los módulos apropiados para la evaluación de cargas térmicas en casas y edificios; un sistema para calcular las cargas térmicas en una edificación aplicando el método de función de transferencia, se compone de los siguientes módulos: Un módulo lector de datos (TYPE 9) o un generador de datos del clima (TYPE 54), un procesador de radiación solar (TYPE 16), una zona en detalle (TYPE 19) si sólo se requiere una evaluación de la envolvente o el (TYPE 56) si se precisa un análisis por zonas en el interior de la edificación, y un resumen de la simulación (TYPE 28). 71 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación La ejecución de los comandos componentes depende normalmente de parámetros establecidos, el desarrollo de otros componentes y funciones dependientes del tiempo; algunos de los factores que están involucrados con el sistema son: radiación solar, temperatura ambiente (convección), calor generado por accesorios y ocupantes de la casa o edificio. También deben tomarse en cuenta características propias de la construcción como: latitud, orientación, áreas, materiales, espesores de muros techos y ventanas. Asimismo, se requieren los parámetros de control para las condiciones de confort en el interior del recinto: temperaturas mínima y máxima deseadas (arranque y paro del equipo de aire acondicionado) y relación de humedad deseada (activación del equipo de humidificación o deshumidificación), todos estos datos son necesarios para modelar un sistema y efectuar el cálculo de cargas térmicas en cualquier edificación. 3.2.1 Ecuaciones para el modelado de transferencia de calor en recintos, utilizadas en TRNSYS. Si el tiempo es una variable en el modelo de alguno de los componentes del sistema, la simulación es definida como una simulación transitoria. En general una simulación transitoria es requerida si se presenta una de las siguientes condiciones: 1. Una componente del sistema tiene una salida variable, la cual es una función del tiempo. 2. La descripción matemática de un componente del sistema involucra una o más ecuaciones diferenciales dependientes del tiempo (su derivada no es cero) 3. Una cantidad física calculada por la simulación debe ser integrada en el tiempo por el componente integrador. TRNSYS puede ser usado para simulaciones en todos los casos (Beckman, 2000). 72 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación Descripción matemática: Para resolver un sistema utilizando el método de la función de transferencia, el planteamiento del problema se reduce a la siguiente ecuación matricial: Z T X i, j s ,i (3.1) i donde 𝑇𝑠,𝑖 representa la temperatura de la superficie interior del elemento 𝑖 , a menos que 𝑖 sea igual al número de superficies mas una (𝑛 + 1), en ese caso representa la temperatura del aire de la zona. El factor 𝑋𝑖 incluye las entradas que varían con el tiempo que afectan a 𝑇𝑠,𝑖 , y 𝑍𝐼,𝐽 es un coeficiente que relaciona la transferencia de calor entre los elementos 𝑖 𝑦 𝑗 . El objetivo es formular el problema en términos de la ecuación, realizando suposiciones simplificadas que conduzcan a una matriz 𝑍𝐼,𝐽 independiente del tiempo. De esta manera, la matriz 𝑍𝐼,𝐽 es invertida al principio de la simulación y es almacenada para usarla más tarde. La solución del conjunto de ecuaciones es reducida a la multiplicación de la matriz invertida y el vector 𝑋𝑖 dependiente del tiempo dado por la ecuación formulada por Madsen en 1982. X Ts,i Zi , j 1 (3.2) i A continuación se describen las ecuaciones básicas de modelado de la transferencia de calor a través y entre todos los elementos en la zona: Pared exterior. El flujo de calor instantáneo que entra o sale de la zona para una pared exterior puede ser modelado de acuerdo a la siguiente relación de función de transferencia: 𝑞𝑖 = =0 𝑏,𝑖 𝑇𝑠𝑎 ,𝑖, − =0 𝑐,𝑖 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖, − =1 𝑑,𝑖 𝑞𝑖, (3.3) los coeficientes 𝑏 , 𝑐 y 𝑑 son los coeficientes de la función de transferencia para los valores actuales y previos de la temperatura sol-aire 𝑇𝑠𝑎,𝑖 , temperatura equivalente de la zona 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 , y el flujo de calor 𝑞𝑖 . La temperatura sol-aire, 𝑇𝑠𝑎,𝑖 , es 73 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación la temperatura del aire exterior en el cual, en ausencia de todos intercambios radiativos, daría la misma transferencia de calor por la superficie exterior como ocurre realmente, un valor de igual a cero representa el intervalo de tiempo actual, igual a uno representa la hora previa y así sucesivamente. Para una pared vertical, generalmente se expresa por: 𝑇𝑠𝑎 ,𝑖 = 𝑇𝑎 + (𝛼𝐼𝑇 )𝑖 𝑐,𝑜 (3.4) la temperatura de zona equivalente 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 , es análoga a la temperatura sol-aire para la superficie interior. 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 es la temperatura del aire interior, la cual en ausencia de intercambio radiativo de la superficie interior, da la misma transferencia de calor tal y como ocurre realmente, esta es expresada como: 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 = 𝑇𝑍 + 𝑆𝑖 + 𝑁 𝑗 =1 𝑟,𝑖𝑗 (𝑇𝑠,𝑗 −𝑇𝑠,𝑖 ) 𝑐,𝑖 (3.5) la cantidad 𝑆𝑖 es la suma de las ganancias radiativas absorbidas por la superficie debido al sol, lámparas, equipo y personas. La radiación de onda-larga entre superficies de la zona es considerada a través del uso de un coeficiente de transferencia de calor radiativo linealizado 𝑟,𝑖𝑗 , todas las superficies se suponen negras para longitudes de onda-larga, tal que: 𝑟,𝑖𝑗 = 4𝜎𝐹𝑖,𝑗 𝑇 3 (3.6) el coeficiente radiativo se supone constante a través de la simulación y es evaluado a la temperatura inicial de la zona especificada por el usuario. Los factores de vista entre todas las superficies de la zona son calculados para un paralelepípedo rectangular por la subrutina ENCL. El usuario especifica la dimensión de la zona, junto con la localización de cualquier ventana o puerta. La ecuación 3.3 expresa la transferencia de calor por la superficie interior en términos de la relación de la función de transferencia. Sin embargo, esta puede ser dada de acuerdo con la siguiente ecuación de transferencia de calor: 𝑞𝑖 = 𝑐,𝑖 (𝑇𝑠,𝑖 − 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 ) (3.7) si la ecuación anterior es substituida dentro de la ecuación 3.3, el resultado puede ser arreglado en la forma de la ecuación siguiente como: 74 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación 𝑐∗ 𝑇𝑠,𝑖 1 − 𝑜 ,𝑖 𝑐,𝑖 𝑁 𝑗 =1 𝑟,𝑖𝑗 𝑐∗ 𝑁 𝑗 =1 𝑟,𝑖𝑗 + 𝑜 ,𝑖 𝑐,𝑖 ∗ =0 𝑏,𝑖 𝑇𝑠,𝑖, − ∗ 𝑇𝑠𝑗 + 𝑐𝑜,𝑖 𝑇𝑍 = ∗ =1 𝑐,𝑖 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖, − =1 𝑑,𝑖 𝑇𝑠,𝑖, − 𝑐𝑜∗ ,𝑖 𝑆𝑖 (3.8) 𝑐,𝑖 donde: 𝑐 ∗ 𝑐𝑜,𝑖 = 𝑜 ,𝑖 − 1 (3.9) 𝑐,𝑖 𝑐 ∗ 𝑐,𝑖 = ,𝑖 − 𝑑 (3.10) 𝑐,𝑖 ∗ 𝑏,𝑖 = 𝑏 ,𝑖 (3.11) 𝑐,𝑖 En términos de la nomenclatura de las funciones de transferencia: 𝑐∗ 𝑍𝑖,𝑗 = 𝑜 ,𝑖 𝑟,𝑖𝑗 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑖 ≠ 𝑗 𝑐,𝑖 𝑐∗ 𝑍𝑖,𝑖 = 1 − 𝑜 ,𝑖 𝑐,𝑖 (3.12) 𝑁 𝑗 =1 𝑟,𝑖𝑗 (3.13) ∗ 𝑍𝑖,𝑁+1 = 𝑐𝑜,𝑖 𝑋𝑖 = ∗ =0 𝑏,𝑖 𝑇𝑠𝑎,𝑖, − (3.14) ∗ =1 𝑐,𝑖 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖, − =1 𝑑,𝑖 𝑇𝑠,𝑖, − 𝑐𝑜∗ ,𝑖 𝑆𝑖 𝑐,𝑖 (3.15) Partición interior. Una partición interior se supone que es una pared que está expuesta a condiciones idénticas por ambas superficies. Con este criterio, la pared es adiabática en la línea central y la transferencia de calor en la superficie está dada como: 𝑞𝑖 = =0( 𝑏,𝑖 − 𝑐,𝑖 )𝑇𝑒𝑞 ,𝑖, − =1 𝑑,𝑖 𝑞𝑖, (3.16) sustituyendo la ecuación 3.7 dentro de la ecuación 3.16, el resultado puede ser arreglado en la forma de la siguiente ecuación, tal que: 𝑍𝑖,𝑗 = (𝑐𝑜∗ ,𝑖 −𝑏𝑜∗ ,𝑖 ) 𝑟,𝑖𝑗 𝑍𝑖,𝑖 = 1 − 𝑐,𝑖 (𝑐𝑜∗ ,𝑖 −𝑏𝑜∗ ,𝑖 ) 𝑐,𝑖 75 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑖 ≠ 𝑗 𝑟,𝑖𝑗 (3.17) (3.18) Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación ∗ ∗ 𝑍𝑖,𝑁+1 = 𝑐𝑜,𝑖 − 𝑏𝑜,𝑖 𝑋𝑖 = − ∗ =1 𝑐,𝑖 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖, − =1 𝑑,𝑖 𝑇𝑠,𝑖, − (3.19) (𝑐𝑜∗ ,𝑖 −𝑏𝑜∗ ,𝑖 )𝑆𝑖 𝑐,𝑖 (3.20) si ambos lados de la pared están expuestos al interior de la zona, entonces el usuario deberá especificar el área de la superficie para incluir las dos caras. Pared entre zonas. Una pared interior separando dos zonas adyacentes a diferentes temperaturas es remplazada por una temperatura equivalente de zona. La temperatura equivalente de zona 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 es la temperatura de la zona adyacente, la cual, en ausencia de todos los intercambios radiativos, da la misma transferencia de calor por el interior de la superficie de la zona adyacente tal y como ocurre en realidad. Las ecuaciones 3.12 a la 3.15, se aplican para paredes interiores entre las zonas si 𝑇𝑠𝑎,𝑖 es remplazada por 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 . La temperatura de zona equivalente para cualquier pared está dada como una salida opcional del programa. Ventana. Hay dos modos de ventana. En el primer modo, la transmisión solar y las ganancias térmicas de calor se determinan internamente. La energía solar que pasa a través de la ventana es el producto de la radiación solar incidente y la transmitancia suministrada como datos de entrada. La conducción térmica a través de la ventana desde el ambiente es: 𝑄𝑖 = 𝐴𝑖 𝑈𝑔,𝑜,𝑖 (𝑇𝑎 − 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 ) (3.21) el coeficiente de pérdidas desde la superficie interior a la exterior de la ventana es un dato de entrada. El coeficiente global de pérdidas, 𝑈𝑔,𝑜 es el reciproco de la 1 1 1 𝑐,𝑜 𝑐,𝑖 suma de resistencias de la ventana (𝑈 ), el aire exterior ( ) y el aire interior ( ). 𝑔 La transferencia de energía es evaluada con la ecuación anterior usando el último estimado de la temperatura interior equivalente 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 . Con esta suposición, las 76 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación ecuaciones desde la 3.17 a la 3.20 son aplicables. Este procedimiento permite un coeficiente de pérdidas global mientras se retiene la independencia de tiempo de la matriz 𝑍𝑖𝑗 . En el segundo modo de ventana, la energía solar transmitida a través de la pared y las ganancias térmicas de calor son datos de entrada. Estos pueden ser calculados usando un modelo de ventana más detallado tal como los que utiliza el Type 35. Ganancias debidas a radiación. Las ganancias por radiación de cada una de las superficies del cuarto se pueden originar por lámparas, personas, y radiación solar que entra por las ventanas. La radiación solar que pasa a través de las ventanas se supone que es reflejada difusamente. Considere un rayo radiativo que pega a una superficie 𝑘. La radiación difusa que sale de la superficie 𝑘 pega en la superficie 𝑖 y se determina usando factores de intercambio totales de Beckman. Este factor 𝐹𝑘𝑖 , es definido como la fracción de energía que pega en la superficie 𝑖 la cual es difusamente originada en la superficie 𝑘. Para una cavidad con N superficies difusas reflejantes, Fki se expresa como: 𝐹𝑖𝑗 = 𝐹𝑖𝑗 + 𝐹𝑖𝑙𝜌1 𝐹𝑖𝑗 + . . . + 𝐹𝑖𝑖𝜌𝑖 𝐹𝑖𝑗 + . . . + 𝐹𝑖𝑗 𝜌𝑖 𝐹𝑗𝑗 + . . . + 𝐹𝑖𝑁𝜌𝑁 𝐹𝑁𝑗 (3.22) la solución de la ecuación anterior puede ser escrita en notación matricial como: 𝐹𝑖𝑗 = 𝛿𝑖𝑗 − 𝐹𝑖𝑗 𝜌𝑖 𝐹𝑖𝑗 donde: (3.23) 𝛿𝑖𝑗 = 1 para 𝑖 = 𝑗, 𝛿𝑖𝑗 = 0 para otros casos La radiación difusa que entra a través de las ventanas se supone que es isotrópica, con esta suposición, la fracción de radiación difusa transmitida a través de una ventana 𝑘 que incide en la superficie es 𝐹𝑘𝑖 . Todas las superficies se suponen negras, consideradas absorbedores perfectos, para radiación de lámparas y personas. La radiación de estas fuentes también se considera isotrópica. Las ganancias radiativas de las personas se suponen que son el 70% de su energía sensible total externa. 77 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación Espacio interno. Realizando un balance de energía sobre la zona de aire y considerando cualquier mobiliario como un sistema global, denominado lumped, se tiene: 𝐶𝑎𝑝 𝑇𝑍𝐹 − 𝑇𝑍𝐼 = ∆𝑡 𝑁 𝑐,𝑗 𝐴𝑗 𝑇𝑠,𝑗 − 𝑇𝑍 + 𝑄𝑣 𝑗 =1 +𝑄𝑖𝑛𝑓𝑙 + 0.3𝑄𝑠𝑝𝑒𝑝𝑙 + 𝑄𝑖𝑛𝑡 + 𝑄𝑍 (3.24) para cambiar esta expresión a la forma de la ecuación 3.1 mientras mantenemos la independencia de tiempo de Zij, es necesario realizar dos suposiciones simplificadas. Primero, la variación de temperatura de zona es considerada lineal en cada paso de tiempo de la simulación. Segundo, las ganancias de energía por ventilación e infiltración son evaluadas usando el último estimado de la temperatura de zona. Con estas suposiciones, la ecuación 3.24 puede ser arreglada de tal manera que: 𝑍𝑁+1,𝑗 = 𝑐,𝑗 𝐴𝑗 𝑍𝑁+1,𝑁+1 = 𝑁 𝑗 =1 𝑐,𝑗 𝐴𝑗 (3.25) − 2𝐶𝑎𝑝 (3.26) ∆𝑡 𝑋𝑁+1 = −𝑄𝑍 − 𝑄𝑣 − 𝑄𝑖𝑛𝑓𝑙 − 0.3𝑄𝑠𝑝𝑒𝑝𝑙 − 𝑄𝑖𝑛𝑡 − 2𝐶𝑎𝑝 ∆𝑡 𝑇𝑍𝐼 (3.27) las ganancias por ventilación e infiltración son expresadas como 𝑄𝑣 = 𝑚𝑣 𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑣 − 𝑇𝑧 (3.28) 𝑄𝑖𝑛𝑓𝑙 = 𝑚𝑖𝑛𝑓𝑙 𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎 − 𝑇𝑧 (3.29) el flujo de ventilación es un dato de entrada, mientras que la razón de infiltración se determina de: 𝑚𝑖𝑛𝑓𝑙 = 𝜌𝑎 𝑉𝑎 𝐾1 + 𝐾2 𝑇𝑎 − 𝑇𝑧 + 𝐾3 𝑊 (3.30) K1, K2 y K3 son constantes empíricas, los valores típicos para diferentes calidades de construcción, se toman del Handbook of Fundamentals ASHRAE, están dados en la tabla 3.1 (Unidades del Sistema Internacional). 78 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación Tabla 3.1.- Coeficientes de regresión lineal múltiple de infiltración. Tipo de construcción K1 K2 K3 Fuerte 0.10 0.011 0.034 Mediana 0.10 0.017 0.049 Ligera 0.10 0.023 0.07 Descripción Nuevo edificio donde han sido tomadas precauciones especiales para prevenir la infiltración. Edificación construida usando procedimientos convencionales de construcción. Evidencia de construcción pobre sobre edificaciones viejas donde las uniones han sido separadas. La energía convectiva generada por las personas en el espacio se supone que es el 30% de la ganancia sensible total de personas. El adicional 70% es en forma de radiación hacia las superficies interiores. El número de personas en la zona en cualquier tiempo se especifica como un dato de entrada. Ambos, la ganancia sensible y latente de personas depende de su nivel de actividad. La tabla 3.2 proporciona los posibles niveles de actividad que pueden ser especificados. Esta tabla se encuentra en el Capítulo 26 del Handbook of Fundamentals de ASHRAE 1981. Nota: Los valores están basados sobre 25.5 C (78 F) temperatura de bulbo a seco de la habitación. Para 26.6 C (80 F), el total del calor remanente es el mismo, pero el valor del calor sensible puede disminuir aproximadamente 8% y por lo tanto los valores de calor latente se incrementan. b El ajuste total de las ganancias de calor está basado en un porcentaje normal de hombres, mujeres, y niños para las aplicaciones listadas, con la indicación de que las ganancias de un adulto de sexo femenino son un 85%, y las ganancias de un niño son 75%; comparadas con un adulto de sexo masculino. c El valor del calor total ajustado para comer en un restaurante, incluye 17.6W (60 Btu/h) de comida por persona 8.8W (30 Btu/h) de calor sensible y 8.8W (30 Btu/h) de calor latente. 79 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación d Se considera a la persona que está jugando boliche, y todas las demás que estén sentadas 117W (400 Btu/h) o caminando despacio 231W (790 Btu/h). Todos los valores fueron redondeados a 5 Watts o 10 Btu/h. Tabla 3.2.- Coeficientes de ganancias de calor debido a los ocupantes en espacios a acondicionados . No Grado de actividad 1 Sentado, descansando Calor Calor sensible latente Watts Btu/h Watts Btu/h Watts Btu/h 100 350 60 210 40 140 Calor totalb Aplicación típica Teatro, cine Oficinas, Sentado, escribiendo 2 hoteles, poco. Departamentos. Restaurantec, Oficinas, 3 Sentado, comiendo hoteles, Departamentos. Sentado, trabajo ligero, Oficinas, hoteles 4 escribiendo a maquina departamentos. De pie, trabajo ligero o Tiendas, 5 caminando despacio bancos. 6 Trabajo ligero Fábrica Caminando, 1.3 m/s 7 (3mph), trabajo ligero Fábrica en maquinas 8 Boliched Boliche Bailando 9 Salón de baile moderadamente Trabajo pesado, 10 Fábrica Cargando Trabajo pesado, 11 Gimnasio atletismo 120 420 65 230 55 190 170 580c 75 255 95 325 150 510 75 255 75 255 185 640 90 315 95 325 230 780 100 345 130 435 305 1040 100 345 205 695 280 960 100 345 180 615 375 1280 120 405 255 875 470 1600 165 565 300 1035 525 1800 185 635 340 1165 Las ecuaciones 3.25 a la 3.27 se aplican para un cuarto con temperatura variable. Estas son unas características del nivel del control de temperatura, o cuando la temperatura del cuarto está en la zona de confort, es decir, sin carga, utilizando el modo del control de razón de energía. Sin embargo, si la temperatura de zona estuviese arriba del límite máximo o abajo del límite mínimo requeridos 80 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación por el usuario, entonces la temperatura de zona es fijada igual al límite y son usadas las siguientes expresiones. 𝑍𝑁+1,𝑗 = 0 (3.31) 𝑍𝑁+1,𝑁+1 = 1 (3.32) 𝑋𝑁+1 = 𝑇𝑍 (3.33) La energía sensible requerida para mantener la temperatura fijada en el modo 1 es: 𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠 = 𝑄𝑍 + 𝑄𝑉 + 𝑄𝑖𝑛𝑡 + 0.3𝑄𝑠𝑝𝑒𝑝𝑙 + 𝑄𝑖𝑛𝑓 𝑁 𝑗 =1 𝑐,𝑗 𝐴𝑗 + 𝑇𝑠,𝑗 − 𝑇𝑍 − 𝐶𝑎𝑝 (𝑇𝑍𝐹 −𝑇𝑍𝐼 ) ∆𝑡 (3.34) Como se describe anteriormente, ventilación, infiltración y ganancias de energía a través de las ventanas son calculadas usando el estimado más reciente de la temperatura de zona. Si la temperatura de zona está cambiando rápidamente y esas cantidades de energía representan una porción significativa de la ganancia de energía al espacio, esta puede no ser la adecuada. Como un resultado, el TYPE 19 usa una iteración interna si el balance de energía sobre la zona no está dentro del 2%. Cargas Latentes. Un balance de humedad en el aire del cuarto en cualquier instante produce la siguiente ecuación diferencial. 𝜌𝑎 𝑉𝑎 𝑑𝑤 𝑧 𝑑𝑡 = 𝑚𝑖𝑛𝑓𝑙 𝑤𝑎 − 𝑤𝑧 + 𝑚𝑣 𝑤𝑣 − 𝑤𝑧 + 𝑤𝐼 (3.35) La ecuación anterior es resuelta para cada paso de tiempo en la simulación para el cálculo de la relación de humedad de la zona. En el control del nivel de temperatura, la corriente de ventilación o la generación de humedad deberán incluir la adición o remoción de humedad debido al equipo de calentamiento o 81 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación enfriamiento. Para este caso, la carga latente deberá calcularse externamente al TYPE 19, posiblemente con el TYPE 32. En el control de razón de energía, la carga latente es la energía requerida para mantener la relación de humedad de la zona dentro de la zona de confort de humedad (entre min y max). Si la razón de humedad de la zona cayese fuera de los límites impuestos por el usuario, entonces la razón de humedad de la zona se ajusta al límite y la carga latente se calcula como: 𝑄𝑙𝑎𝑡 = ∆𝑣𝑎𝑝 𝑚𝑖𝑛𝑓𝑙 𝑤𝑎 − 𝑤𝑧 + 𝑚𝑣 𝑤𝑣 − 𝑤𝑧 + 𝑤𝐼 (3.36) de otra manera la carga latente es cero. Note que V a (parámetro 3 en los datos de alimentación al programa para describir la zona) puede ser artificialmente aumentado para tomar en cuenta la capacitancia de humedad de mobiliario, etc., esto no afecta cualquier otro cálculo. 3.2.2 Descripción de los módulos para el cálculo de cargas térmicas. El programa es alimentado con entradas de datos meteorológicos, dimensiones del edificio, materiales de construcción, latitud, orientación del edificio, número de ocupantes y actividad que realizan, etc. Estas entradas son las fuentes de alimentación del código de cómputo, que a su vez dará salidas dependientes del tiempo como: o QCOOL: Cargas de enfriamiento o QHEAT: Cargas de calentamiento o QDEHUM: Cargas de deshumidificación o QHUM: Cargas de humidificación o QCMAX y QHMAX: Cargas máximas de calentamiento y enfriamiento o QCONV: Ganancias por convección o QINF: Ganancias por infiltración o RAD: Radiación solar incidente sobre la envolvente 82 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación A continuación se describe brevemente cada uno de los módulos utilizados en las simulaciones. TYPE 9: Data Reader. Este componente tiene el propósito de leer los datos de una unidad lógica en intervalos de tiempo regulares, los datos de pueden convertir a otro sistema de unidades y permite que estos datos estén disponibles para alimentar otros módulos. Este componente es de uso común cuando se alimentan datos meteorológicos, pero también puede ser usado para generar alguna otra función dependiente del tiempo. El TYPE 9 puede leerse en modo libre o en modo de formato, cada valor debe ser separado del valor previo por un espacio en blanco o por una coma. TYPE 16: Solar Radiation Processor. Los datos de insolación generalmente se toman a intervalos de una hora y sobre superficies horizontales. En algunas simulaciones de TRNSYS se requiere la estimación de la radiación solar a otros intervalos de tiempo. Este componente interpola los datos de radiación solar, calcula varias cantidades relacionadas a la posición del sol y estima la insolación de hasta ocho superficies de orientación fija o variable. Generalmente los datos de clima que alimentan al programa presentan la radiación global y las correlaciones proporcionan una estimación de la radiación solar difusa o directa sobre una superficie horizontal. El Type 16 tiene cuatro métodos para obtener la radiación directa y difusa sobre una superficie horizontal a partir de la radiación total sobre una superficie horizontal. TYPE 33: Psychrometrics. Se aplica cuando se requiere un manejo de las propiedades psicrométricas, para utilizar este modulo se requieren como datos de entrada al menos dos parámetros de clima y entrega como salida cualquiera de las propiedades psicrométricas del aire: humedad especifica, temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo, densidad de la mezcla agua-aire, densidad del aire 83 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación seco, humedad relativa, y punto de rocío, para cualquier número de datos y periodos de tiempo. TYPE 56 Multi-Zone Building Este componente modela el comportamiento térmico de una edificación dividida en diferentes zonas térmicas. Para ser utilizado, primero debe ser ejecutado un programa de pre-procesamiento llamado Prebid, el cual lee y procesa el archivo que contiene la descripción del edificio, a su vez genera dos archivos que serán usados por el Type 56 durante una simulación en TRNSYS. El archivo que contiene la información del edificio tiene extensión (*.BLD) y el que contiene la información de las funciones de transferencia tiene extensión (*.TRN). Todos los datos introducidos se almacenan en un archivo llamado building (*.BUI), que es un archivo de texto ASCII, en donde se pueden verificar los datos introducidos en Prebid. Es importante señalar que solo un Type 56 puede ser utilizado para cada simulación. TYPE 28: Simulation Summary. El módulo simulación sumaria TYPE 28, es un componente de procedimientos de salidas, puede usarse para generar datos de información calculada en la simulación por día, semana, mes o por estaciones. Es especialmente útil para obtener cantidades “derivadas” aritméticamente reducidas desde la salida de TRNSYS. El TYPE 28 integra sus entradas sobre un intervalo de tiempo seleccionado, ejecuta operaciones aritméticas específicas sobre las integrales, e imprime los resultados. TYPE 65: Online Graphics. Este programa es útil para mostrar en la pantalla variables de salidas seleccionadas en diferentes periodos de tiempo, se pueden utilizar un máximo de 10 TYPES y cada uno puede manejar un máximo de 10 entradas. Es conveniente hacer notar que las funciones de salida de algún comando componente en especial, pueden ser entradas de información para otro comando 84 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación componente. Las salidas en general se pueden establecer en lapsos de minutos, horas, días o meses y para simular periodos de un día, una semana, un mes o un año. La simulación modular, técnicamente disminuye la complejidad de un sistema, porque reduce un problema muy largo a varios problemas pequeños, que pueden resolverse fácilmente por separado. Sin embargo, para implementar el programa se requiere cierto grado de experiencia del usuario, debido a que no es un programa muy amigable, puesto que se maneja una gran cantidad de datos de entrada y además se debe saber interconectar los módulos, puesto que unos son salidas de información para alimentar a otros subsecuentes, también debemos considerar que sus formatos tienen una estructura muy rígida, es decir, el orden de los bancos de datos, especialmente los climáticos debe hacerse siguiendo rigurosamente las reglas del manual. La información que fluye hacia un componente puede ser de tres tipos: 1) Aquella información que contiene variables de salida (OUTPUT) de otro componente en el sistema y que constituye lo que se define como un conjunto de variables de entrada (INPUT) para el componente, estas variables pueden cambiar durante la simulación. 2) Aquellas piezas de información que son constantes a lo largo de la simulación siendo de interés para el componente son los parámetros (PARAMETERS). 3) Finalmente, se debe distinguir la variable tiempo (TIME), esta se contabiliza internamente por TRNSYS y normalmente no es manejada por el usuario. 85 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación En la figura 3.2 se presenta un esquema con los compontes del programa usados en el modelado de las viviendas. Figura 3.2.- Módulos compontes del programa. 3.2.3 Interfaces de TRNSYS utilizadas en las simulaciones. En este caso se pretende realizar las simulaciones para obtener información correspondiente a: radiación solar incidente sobre las superficies, cargas térmicas debidas a enfriamiento o calentamiento, flujo de energía debida a convección y radiación, y temperatura de cada zona, para realizar estos cálculos es necesario implementar la interfaces Prebid, la cual provee los archivos necesarios para el TYPE 56. El programa Prebid es una interfaz que define las características físicas del edificio, así como las condiciones de confort predeterminadas, actividad desarrollada por los ocupantes, condiciones de calentamiento o enfriamiento, orientación, etc. Muchos de los datos que definen esos componentes pueden variar con el tiempo. En las siguientes figuras se muestran las ventanas principales del programa Prebid, en la figura 3.3 aparecen los datos referentes a la orientación de las superficies exteriores de de la vivienda; 86 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación en la figura 3.4 se muestra la imagen con los datos para definir una zona, con las dimensiones de muros y ventanas; en la figura 3.5 se observa la información referente a las propiedades termofisicas de los materiales de construcción de los muros, toda esta información se maneja enlazada al TYPE 56 para realizar la simulación y así obtener los resultados del comportamiento térmico de la edificación. Figura 3.3.- Orientación de superficies de la envolvente. 87 Capítulo 3 Metodología y Programa de Simulación Figura 3.4.- Dimensiones de muros y ventanas. Figura 3.5.- Propiedades termofisicas de los materiales que componen los muros. 88 Capítulo 4 Validación de la simulación CAPÍTULO 4 VALIDACIÓN DE LA SIMULACIÓN En este capítulo se describe el caso de estudio para la validación de la simulación, se describe la metodología utilizada, se proporciona la información geográfica, y datos meteorológicos del sitio donde se ubica la edificación, así como sus características (propiedades termofisicas y ópticas, orientación, geometría, tamaño, área de ventanas, etc.). Finalmente, se comparan los resultados de la simulación con los datos experimentales. 89 Capítulo 4 Validación de la simulación 4.1 CASO DE ESTUDIO. Para la realización de este trabajo se contó con la valiosa colaboración del CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas), el cual ha construido un edificio ubicado en la Plataforma Solar de Almería en el desierto de Tabernas en España. El edificio está instrumentado con sistemas de adquisición de datos y se está monitorizando de forma continua, es una instalación experimental de gran valor en el campo de la investigación en Eficiencia Energética en la Edificación. Las medidas registradas en esta monitorización son de alta calidad y permiten llevar a cabo diversos trabajos de investigación sobre confort térmico, evaluación energética de edificios y de los sistemas tanto activos como pasivos integrados en estos edificios. Además el edificio instrumentado permite desarrollar y mejorar metodologías de evaluación energética experimental de edificios, en condiciones reales de uso. Estas instalaciones son prototipos singulares de gran utilidad en estudios experimentales, que se utilizan de forma complementaria a estudios teóricos [Palero, 2006], [Jiménez, 2011]. El recinto analizado corresponde a una sala de reuniones, se seleccionó este espacio porque la mayor parte de su envolvente son muros exteriores, la simulación corresponde al comportamiento en evolución libre, finalmente los resultados fueron comparados con datos medidos in situ. Como información general para evaluar el comportamiento térmico del edificio deben tenerse: la ubicación geográfica, datos meteorológicos y características del edificio (orientación, geometría, tamaño, muros, techos, ventanas, etc.), la información de las variables climáticas debe ser como mínimo el periodo de un año, para evaluar un ciclo solar completo, en este caso se realizó el análisis con datos del año 2009. La ubicación, condiciones del clima, y características de la edificación, son datos de entrada para el programa TRNSYS, posteriormente se realiza la simulación y los resultados son comparados con los datos medidos. Un esquema de la metodología aplicada se presenta en la figura 4.1 90 Capítulo 4 Validación de la simulación Comparación de resultados teóricos y experimentales. Características del Edificio Información General Clima y Geografía Resultados de la Simulación Evaluación Térmica Figura 4.1.- Diagrama esquemático de la metodología utilizada para la validación. 4.1.1 Información de la geografía y clima. El edificio se localiza en el desierto de Tabernas en España, 37º05’ latitud Norte y 2º21’ longitud Oeste, a 555 sobre el nivel del mar, el tipo de clima es desértico subtropical, con lluvias escasas e irregulares, altos índices de irradiación, con grandes variaciones de temperatura. En el periodo anual la temperatura mínima fue de -1.4 ºC en Enero y la máxima de 42.7 ºC se registró en Julio, la temperatura promedio fue de 16.9 ºC. En la tabla 4.1 se presentan los valores promedios horarios mensuales de las variables climáticas del desierto de tabernas. Tabla 4.1.- Promedios mensuales y anuales de las variables meteorológicas. MES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL T(ºC) 8.7 9.2 12.3 16.1 19.7 25.2 27.6 26.0 21.8 17.1 10.8 8.5 16.9 DATOS METEOROLÓGICOS TM(ºC) Tm(ºC) HR% lg(W/m2) 13.9 3.8 64.0 2550 15.0 4.2 66.2 3720 18.5 6.5 59.2 4724 22.5 9.0 50.7 6362 26.7 12.7 47.4 7068 32.6 18.0 40.1 7661 35.2 20.3 45.0 7633 32.9 19.9 52.8 6772 28.0 16.8 63.3 4695 22.3 12.7 71.2 3412 16.7 5.7 64.3 3062 14.1 3.6 66.6 2382 23.2 11.1 57.6 5003 91 vv(m/s) 2.5 3.0 2.8 2.2 2.8 2.5 2.4 2.8 2.6 3.1 2.4 2.3 2.6 Capítulo 4 Validación de la simulación 4.1.2 Características del edificio. El edificio consta de una planta, su área es de 1,114.96 m2, tiene una envolvente de gran masa térmica de forma rectangular con el eje alargado en dirección Este-Oeste, por lo tanto la mayor área de los muros esta en las superficies Sur y Norte, contiene varias oficinas para uso de los investigadores de la PSA. En este caso de estudio, se analizará el comportamiento térmico de la sala de reuniones, la cual se encuentra ubicada en el extremo Este del edificio, como se muestra en la figura 4.2. Figura 4.2.- Sala de reuniones (izquierda fachada al Sur, derecha vista al Este). La figura 4.3 muestra un esquema con las dimensiones de la sala de reuniones; para la simulación con TRNSYS, el recinto fue dividido en dos zonas, Zona A y Zona B, la Zona A es un pasillo a la entrada y la Zona B es la sala de reuniones. 2.91 m 6.89 m W E Zone B Zone A 7.5 m N S Zone B Zone A Temperature sensor 3.4 m Temperature sensor Figura 4.3. Vista de planta y frente. 92 Capítulo 4 Validación de la simulación Los componentes de los muros y el techo, así como sus propiedades termofisicas se muestran en las tablas 4.2 y 4.3. Tabla 4.2.- Materiales de construcción de los muros. MATERIAL l 𝑚 Yeso Ladrillo hueco Aire Poliuretano Ladrillo hueco Mortero 0.02 0.11 0.14 0.04 0.11 0.02 R 𝑚2𝐾 k 𝑊 𝑊 ρ 𝑚𝑘 𝑘𝑔 Cp 𝑚3 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝐾 0.30 0.49 900 1200 1.00 0.90 0.04 0.49 1.40 12 1200 2000 1.80 0.90 1.10 0.180 Tabla 4.3.- Materiales de construcción del techo. MATERIAL l 𝑚 Concreto Mortero Bitumen Polyestyreno Polypropyleno Grava 0.240 0.140 0.005 0.040 0.003 0.060 k 𝑊 ρ 𝑚𝑘 1.04 1.40 0.23 0.04 0.22 0.81 𝑘𝑔 Cp 𝑚3 1500 2000 1100 25 910 1700 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝐾 1.00 1.10 1.00 1.50 1.80 0.90 La resistencia térmica fue calculada considerando los coeficientes convectivos interior y exterior definidos en el modulo TRNBuild de TRNSYS, en el 𝑊 𝑊 cual se proponen los siguientes valores: ℎ𝑖 = 7.7 𝑚 2 𝐾 ; ℎ𝑜 = 25 𝑚 2 𝐾 . Desarrollando las ecuaciones apropiadas tenemos: 𝑅= 1 𝑙1 𝑙2 𝑅𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑙3 𝑙4 𝑙5 1 + + + + + + + ℎ𝑖 𝐴 𝑘1 𝐴 𝑘2 𝐴 𝐴 𝑘3 𝐴 𝑘4 𝐴 𝑘5 𝐴 ℎ𝑜 𝐴 1 0.02 0.11 0.04 0.11 0.02 1 𝑅𝐴 = + + + 0.18 + + + + 7.7 0.3 0.49 0.04 0.49 1.4 25 𝑚2 𝐾 𝑊 𝑅𝐴 = 0.1298 + 0.0666 + 0.2244 + 0.18 + 1 + 0.2244 + 0.0142 + 0.04 𝑅𝐴 = 1.8798 𝑚2𝐾 𝑊 1 1 𝑈 = 𝑅𝐴 = 1.8798 = 0.5319 y 93 𝑊 𝑚2𝐾 𝑚2 𝐾 𝑊 Capítulo 4 Validación de la simulación Como se muestra en la tabla 4.2, el espesor del muro compuesto es de 44 cm., incluyendo el espacio de aire, y el coeficiente global de transferencia de calor es: 𝑈 = 0.5319 𝑊 𝑚 2𝐾 ; para el techo es: 𝑈 = 0.621 𝑊 𝑚2𝐾 . La edificación además de estar formada por muros y techo masivos, también está formada con ventanas de doble panel con vidrio de 6mm, el marco es de aluminio con rotura de puente térmico, tiene una orientación apropiada y el color óptimo [Suehrcke, 2008] para minimizar (en verano), o tomar ventaja del efecto solar (en invierno), en estas condiciones se esperan valores para un bajo factor de decremento y un alto tiempo de retraso, por lo que las variaciones de temperatura en el interior serán muy pequeñas. 4.2 Metodología para la simulación. La información de las variables meteorológicas, localización, orientación, dimensiones del recinto, datos de los materiales de construcción etc., se utilizan para formar bases de datos que alimentan el código de cómputo. Una vez que ya se cuenta con toda la información, se configura el programa acoplando los módulos apropiados, en este caso se ha utilizado el Type 9 (Data Reader), que maneja la información del clima en periodos horarios, las salidas de la información procesada por este módulo son entradas para el Type 16 (Radiation Processor), el cual toma como base la radiación solar global, para obtener los porcentajes de las componentes directa y difusa [Ayuso 2002], utilizando el método de cloudiness; también calcula los valores de radiación solar incidente sobre los muros del edificio en sus diferentes orientaciones, para lo cual se pueden aplicar varias correlaciones, tales como: Hay and Davies, Perez, Reindl, etc., en este caso el algoritmo utilizado corresponde al Mode 2 (Total Horizontal Radiation, Temperature and Humidity Known, Full Reindl Correlation) [Duffie, 1991]. Para la evaluación térmica se utiliza el Type 56 (Multi-Zone Building), que a su vez se acopla con la interfaz TRNBuild, en la cual se describe la estructura completa del edificio, y se seleccionan las salidas del programa. Consideramos pertinente mencionar que la temperatura del suelo es un dato muy importante para obtener 94 Capítulo 4 Validación de la simulación una mayor exactitud de los resultados [Neymark, 2008], en el programa se ofrecen tres opciones: a) temperatura constante (valor predeterminado), b) temperatura igual a la del aire en la zona (suelo adiabático), y la utilizada para este caso, opción c) temperatura del suelo como una entrada del banco de datos horarios; en cuanto a la infiltración se consideraron 0.25 cambios de aire por hora [ANSI/ASHRAE, 2001], [Sherman, 2006]. 4.3 EVALUACIÓN TÉRMICA. El comportamiento térmico de la sala de reuniones del edificio se ha simulado utilizando el programa TRNSYS . Como salidas del Type 16 (Solar Radiation Processor) se obtienen valores de la radiación solar incidente sobre las superficies en las orientaciones Norte, Sur, Este y Oeste, los cuales se presentan en la gráfica 4.1. La radiación solar es mayor sobre la superficie horizontal (techo) en el periodo comprendido desde Marzo hasta Octubre, y acorde a la dinámica solar, de Noviembre a Febrero es dominante la radiación que incide por el Sur, la radiación sobre los muros Este y Oeste tiene sus valores mínimos en Diciembre y Enero, así como sus máximos en Junio y Julio. Para esta latitud, en verano se llega a tener hasta 14 horas de sol, mientras que en invierno se tiene días con solo 9 horas de radiación solar. RADIACIÓN SOLAR GLOBAL PROMEDIO DIARIO MENSUAL HORIZONTAL NORTE SUR ESTE OESTE 8 [kWhr/m2] 7 6 5 4 3 2 1 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Meses Gráfica 4.1.- Radiación solar global diaria mensual. 95 Capítulo 4 Validación de la simulación La tabla 4.4 muestra los valores de la temperatura medida en el exterior (Text), y de la temperatura del aire al interior de la sala de reuniones (TzonaB) calculada con el programa TRNSYS, para un día de invierno (17 de Enero) y otro de verano (26 de Julio). Para el 17 de Enero la diferencia entre la temperatura exterior máxima y mínima fue de 9.71 ºC, mientras que para la temperatura del aire al interior fue calculada una temperatura mínima de 11.7 ºC a las 8:00 horas y una máxima de 13.6 ºC a las 15:00 horas, cuya diferencia es de 1.85 ºC; para el día 26 de Julio la diferencia entre la temperatura exterior máxima y mínima fue de 13.09 ºC, mientras que para la temperatura del aire al interior fue calculada una temperatura mínima de 28.8 ºC a las 7:00 horas y una máxima de 29.7 ºC a las 15:00 horas, siendo su diferencia de 0.83 ºC. Tabla 4.4.- Temperatura exterior, y temperatura del aire al interior. Hora INVIERNO Text TZona 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 MIN MAX DIF 3.5 3.6 4.8 3.6 3.5 3.4 3.1 3.2 5.3 8.7 10.7 11.3 11.9 12.7 12.8 11.9 10.5 9.3 8.5 7.9 6.0 4.6 4.8 5.6 3.1 12.8 9.7 VERANO Text TZona B 12.1 12.1 12.0 12.0 11.9 11.9 11.8 11.8 11.9 12.3 12.7 13.0 13.2 13.5 13.6 13.4 13.1 12.8 12.7 12.6 12.6 12.5 12.4 12.4 11.8 13.6 1.9 96 B 21.7 21.3 20.9 21.2 21.2 21.0 21.7 22.5 24.8 27.6 29.8 31.4 32.5 33.5 34.0 33.8 34.0 31.8 29.4 26.9 24.7 24.6 24.6 24.0 20.9 34.0 13.1 29.1 29.1 29.0 29.0 28.9 28.9 28.9 28.9 28.9 29.1 29.2 29.4 29.5 29.6 29.7 29.7 29.7 29.6 29.5 29.4 29.3 29.2 29.2 29.2 28.9 29.7 0.8 Capítulo 4 Validación de la simulación 4.4 COMPARACIÓN DE RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Y DATOS EXPERIMENTALES. En Las gráficas 4.2 y 4.3 se muestra la variación de las temperaturas registradas en el exterior, y al interior de la sala de reuniones, comparadas con los resultados de la simulación para los días seleccionados en invierno y verano, se puede apreciar como la curva de la temperatura registrada, y la curva de los valores obtenidos con TRNSYS presentan la misma tendencia; las tablas 4.5 y 4.6, presentan los valores de estas variables y sus diferencias cuantitativas. En el día de invierno, la máxima diferencia fue al anochecer con 4.51% (0.60 ºC), la fluctuación de la temperatura exterior fue de 9.71 ºC, mientras que en la temperatura registrada en el interior solo cambió 1.88 ºC, la simulación indica una variación de 1.85 ºC (tabla 4.5). Para el día de verano, la máxima diferencia también se registró por la noche con 1.37% (0.41 ºC), la fluctuación de la temperatura exterior fue de 13.09 ºC, la temperatura registrada en el interior cambió 1.39 ºC y la simulada indica una variación de 0.83 ºC (tabla 4.6); las comparaciones dan un coeficiente de correlación de 0.930 para invierno y de 0.939 para verano. La temperaturas obtenidas de la simulación son muy parecidas a las registradas en la sala de reuniones, las diferencias pueden ser ocasionadas por imprecisiones en los datos de entrada al programa, por ejemplo: fluctuaciones en la infiltración, un espesor no uniforme de las capas que componen el techo y muros, pequeñas diferencias en las propiedades termofisicas de los materiales, etc. Con la simulación se calculó la temperatura al interior del recinto con muy buena aproximación respecto a los datos medidos; la máxima diferencia fue de 4.51%. La temperatura del suelo es un parámetro de entrada muy importante para lograr resultados precisos. 97 Capítulo 4 Validación de la simulación Temperatura [ºC] 25 TEMPERATURA AMBIENTE TEMPERATURA DEL SUELO DATOS EXPERIMENTALES TRNSYS 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Horas Gráfica 4.2.- Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para invierno día 17 de Enero 2009. Temperatura [ºC] 35 TEMPERATURA AMBIENTE DATOS EXPERIMENTALES TEMPERATURA DEL SUELO TRNSYS 30 25 20 15 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Horas Gráfica 4.3.- Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para verano día 26 de Julio 2009. 98 Capítulo 4 Validación de la simulación Tabla 4.5. Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para invierno día 17 de Enero 2009. Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 MIN MAX DIF Text 3.5 3.6 4.8 3.6 3.5 3.4 3.1 3.2 5.3 8.7 10.7 11.3 11.9 12.7 12.8 11.9 10.5 9.3 8.5 7.9 6.0 4.6 4.8 5.6 3.1 12.8 9.7 Medidas 12.5 12.4 12.3 12.2 12.1 12.1 12.0 11.9 11.9 12.1 12.6 12.9 13.2 13.5 13.7 13.7 13.5 13.4 13.3 13.2 13.1 13.0 12.9 12.8 11.9 13.7 1.9 Simulación 12.1 12.1 12.0 12.0 11.9 11.9 11.8 11.8 11.9 12.3 12.7 13.0 13.2 13.5 13.6 13.4 13.1 12.8 12.7 12.6 12.6 12.5 12.4 12.4 11.8 13.6 1.9 99 % DIF 2.8 2.6 2.1 1.9 1.8 1.5 1.2 0.8 0.2 1.1 0.7 0.5 0.0 0.6 0.9 2.1 3.5 4.4 4.5 4.2 4.0 3.9 3.5 3.1 0.0 4.5 Capítulo 4 Validación de la simulación Tabla 4.6.- Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para verano día 26 de Julio 2009. Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 MIN MAX DIF Text 21.7 21.3 20.9 21.2 21.2 21.0 21.7 22.5 24.8 27.6 29.8 31.4 32.5 33.5 34.0 33.8 34.0 31.8 29.4 26.9 24.7 24.6 24.6 24.0 20.9 34.0 13.1 Medidas 29.1 29.0 28.9 28.8 28.7 28.7 28.6 28.6 28.7 28.9 29.1 29.3 29.5 29.7 29.9 30.0 30.0 30.0 29.9 29.8 29.7 29.6 29.5 29.4 28.6 30.0 1.4 100 Simulación 29.1 29.1 29.0 29.0 28.9 28.9 28.9 28.9 28.9 29.1 29.2 29.4 29.5 29.6 29.7 29.7 29.7 29.6 29.5 29.4 29.3 29.2 29.2 29.2 28.9 29.7 0.8 % DIFF 0.0 0.2 0.4 0.5 0.7 0.8 0.8 0.8 0.7 0.6 0.4 0.2 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.3 1.3 1.4 1.3 1.2 1.0 0.9 0.0 1.4 Capítulo 5 Resultados CAPÍTULO 5 RESULTADOS En este apartado se presentan los resultados de las simulaciones, contemplando varias combinaciones de parámetros que influyen en el comportamiento térmico de las viviendas (orientación, geometría, materiales de construcción, propiedades ópticas, ventanas doble panel, y viviendas de una o dos plantas.), que considerando el uso de equipos de aire acondicionado impactan en la demanda energética. También se presenta un análisis de la calidad térmica de las viviendas en función de las características de la envolvente (en evolución libre). Con los resultados obtenidos se propone una escala de valores para otorgar una calificación a las edificaciones en función de un bajo o alto consumo energético, finalmente se define una relación para evaluar la calidad térmica de las viviendas. 101 Capítulo 5 Resultados 5.1 RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE SOBRE LAS SUPERFICIES DE LA VIVIENDAS. El factor que tiene mayor impacto en las ganancias externas de calor es la radiación solar, por lo que es imprescindible tener la información adecuada. Para la realización de este proyecto se cuenta con datos de radiación solar global obtenidos en las Estaciones Meteorológicas Automáticas. Con la utilización del programa TRNSYS® (Type 16), se determina la cantidad de radiación solar incidente sobre cada una de las superficies de las viviendas ubicadas en las localidades de Tlaquiltenango, Emiliano Zapata y Huitzilac, para los climas: cálido, templado y frio; en cuatro orientaciones básicas (fachada al Norte, Sur, Este y Oeste), los resultados de la simulación se muestran en las gráficas 5.1 a 5.3. En la gráfica 5.1 se muestra la variación de la radiación solar que incide sobre cada una de las superficies de la envolvente para una vivienda ubicada en la localidad de Tlaquiltenango (clima cálido), los datos de radiación solar son sumarizados diarios en promedios mensuales. RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE PROMEDIO TLAQUILTENANGO 2007 HORIZONTAL NORTE SUR ESTE OESTE AGO SEP 8 7 kWdía/m^2 6 5 4 3 2 1 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL OCT NOV DIC Gráfica 5.1.- Radiación solar incidente sobre el municipio de Tlaquiltenango. 102 Capítulo 5 Resultados Como se observa en la gráfica anterior, la superficie que recibe mayor cantidad de radiación solar promedio diaria mensual es la horizontal, sobre todo, para el periodo más caluroso del año (Abril a Junio), rebasando los 7 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 , 𝑚2 le sigue la radiación que incide sobre la superficie hacia el Oeste con 5 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 , 𝑚2 la 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 , 𝑚2 la radiación sobre la envolvente en el Este se mantiene entre 3 y 4 radiación solar incidente sobre la superficie al sur se incrementa en el solsticio de invierno, decreciendo durante el resto del año, la radiación al Norte se mantiene baja en todo el año tomando su valor máximo en el solsticio de verano. En la gráfica 5.2, se muestra la evaluación de la radiación solar que incide sobre cada una de las superficies de la envolvente para una vivienda ubicada en la localidad de Emiliano Zapata. RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE PROMEDIO ZAPATA 2007 HORIZONTAL NORTE SUR ESTE OESTE AGO SEP 8 7 kWdía/m^2 6 5 4 3 2 1 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL OCT NOV DIC Gráfica 5.2.- Radiación solar incidente sobre el municipio de Emiliano Zapata. La gráfica 5.2 corresponde a la localidad de Emiliano Zapata, clasificada como clima templado, se aprecia una dinámica similar al clima cálido, sólo que disminuyen los valores de radiación, el periodo más caluroso del año es de Abril a Junio, la superficie que recibe mayor cantidad de radiación solar promedio diaria mensual es la horizontal, estando entre 6 y 7 103 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 𝑚2 , le sigue la radiación que Capítulo 5 Resultados incide sobre la superficie hacia el Oeste con valores entre 3 y 4 sobre la envolvente en el Este se mantiene entre 2 y 3 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 𝑘𝑊 −𝑑í𝑎 , 𝑚2 𝑚2 , la radiación la radiación solar incidente sobre la superficie al sur se incrementa en el solsticio de invierno, decreciendo el resto del año, la radiación al Norte se mantiene baja en todo el año tomando su valor máximo en el solsticio de verano. En la gráfica 5.3, se muestra la evaluación de la radiación solar que incide sobre cada una de las superficies de la envolvente para una vivienda ubicada en la localidad de Huitzilac, clasificada como clima frio. RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE PROMEDIO HUITZILAC 2007 HORIZONTAL NORTE SUR ESTE OESTE AGO SEP 8 7 kWdía/m^2 6 5 4 3 2 1 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL OCT NOV DIC Grafica 5.3.- Radiación solar incidente sobre el municipio de Huitzilac. En la gráfica anterior se muestra la variación de la radiación solar al igual que las figuras 5.1 y 5.2, sin embargo, se observan diferencias significativas, hay una disminución en la radiación solar incidente sobre todas las superficies, especialmente en la época de lluvias, la superficie que recibe mayor cantidad de radiación solar promedio diaria mensual es la horizontal, apenas superando los 6 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 𝑚2 en el mes de abril, le sigue la radiación que incide sobre la superficie al Sur en Enero y Febrero con picos arriba de 4 sobre 3 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 , 𝑚2 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 , 𝑚2 en el Oeste con máximas apenas la radiación sobre la envolvente en el Este no alcanza los 3 104 𝑘𝑊−𝑑í𝑎 , 𝑚2 Capítulo 5 Resultados en el Este y Oeste los valores máximos son en Marzo y Abril, la radiación al Norte se mantiene baja en todo el año tomando su valor máximo en el solsticio de verano. Con base en la información anterior, se concluye que para todos los climas la radiación solar incidente es mayor sobre la superficie horizontal (techo); en cuanto a los muros, para climas cálido y templado, la radiación incidente sobre la superficie al Oeste es la dominante, por lo que se espera que tanto los techos, y los muros con orientación al Oeste tengan las mayores ganancias térmicas debidas a radiación solar, en clima frio la radiación incidente se ve disminuida sobre todo en la época de lluvias, en invierno se recibe mayor cantidad de radiación al sur y al oeste, y es casi uniforme para las otras orientaciones. 5.2 CARGAS TÉRMICAS. Para la evaluación de las cargas térmicas, en la implementación del programa TRNSY® se aplicó el modo de coeficiente de control de energía, estableciendo los límites de temperatura en 𝑇𝑚𝑖𝑛 = 19 ºC para calentamiento y 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 27 ºC para enfriamiento*, suelo adiabático**, y una infiltración de 0.6 cambios de aire por hora [ANSI/ASHRAE, 2001], [Sherman, 2003]; la absortancia de los muros es de 0.6 (anaranjado) y la del techo es 0.75 (rojo terracota). * Referencia en el capítulo 2. **La condición de frontera para el suelo que se puede seleccionar dentro del programa son las siguientes: 1.- Alimentar datos horarios de la temperatura real. 2.- Fijar una temperatura constante. 3.- Condición de suelo adiabático. La mejor opción es alimentar datos medidos, pero en nuestro caso no los tenemos, considerar una temperatura fija resultaría en mayores diferencias con la realidad, ya que la temperatura del suelo oscila paralela con la temperatura de la zona, por lo que la mejor aproximación es considerar que no hay intercambios energéticos con el suelo. 105 Capítulo 5 Resultados 5.2.1 Vivienda dos plantas. En este caso, la vivienda pertenece a un conjunto habitacional, donde las viviendas se encuentran en diversas orientaciones, por lo que se tomaron en cuenta cuatro posiciones, considerando la fachada frente a cada punto cardinal. A continuación se presentan los resultados obtenidos de la evaluación térmica para las localidades de Tlaquiltenango, Emiliano Zapata, y Huitzilac. En la gráfica 5.4 se muestra la evaluación de la cantidad de energía requerida para confort en la vivienda situada virtualmente en el municipio de Tlaquiltenango, en la cual se observa que las cargas térmicas para lograr condiciones de confort son mayores con la fachada orientada hacia el Este (6,613 kWhr) y Oeste (6,555 kWhr). La carga térmica anual se reduce en un 16.5% con la fachada orientada al Norte (5,524 kWhr). CARGAS DE ENFRIAMIENTO TLAQUILTENANGO FACHADA ORIENTADA AL ESTE FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL OESTE FACHADA ORIENTADA AL NORTE 1000 Carga térmica anual en kWhr 800 [kWhr] 6613 6555 600 6506 400 5524 200 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC FACHADA AL ESTE FACHADA AL OESTE FACHADA AL SUR FACHADA AL NORTE Gráfica 5.4.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. En la gráfica 5.5 se muestra la evaluación de la cantidad de energía térmica a remover para lograr condiciones de confort durante el año para diferentes orientaciones de la vivienda, en la localidad de Emiliano Zapata. 106 Capítulo 5 Resultados CARGAS DE ENFRIAMIENTO ZAPATA FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL OESTE FACHADA ORIENTADA AL ESTE FACHADA ORIENTADA AL NORTE 1000 Carga térmica anual en kWhr [kWhr] 800 3528 600 3489 3405 2871 400 200 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC FACHADA AL SUR FACHADA AL ESTE FACHADA AL OESTE FACHADA AL NORTE Gráfica 5.5.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. En la figura anterior se observa que las curvas tienen un comportamiento similar a la gráfica de clima cálido, pero en menor magnitud, las cargas térmicas para lograr condiciones de confort, son mayores con la fachada orientada al Oeste (3,528 kWhr). La carga térmica anual se reducen en un 18.6 % con la fachada orientada al Norte (2,871 kWhr). La variación de la cantidad de energía requerida para confort, en función de la orientación, de la vivienda situada virtualmente en la localidad de Huitzilac, se muestra en la gráfica 5.6. CARGAS DE CALENTAMIENTO HUITZILAC 2000 FACHADA ORIENTADA AL NORTE FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL OESTE FACHADA ORIENTADA AL ESTE 1800 1600 Carga térmica anual en kWhr [kWhr] 1400 17160 1200 16950 1000 16790 800 16580 600 400 200 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC FACHADA AL NORTE FACHADA AL OESTE FACHADA AL SUR FACHADA AL ESTE Gráfica 5.6.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac. 107 Capítulo 5 Resultados En la gráfica anterior se observan las curvas que corresponden a la evaluación de cargas térmicas para calentamiento, presentan un comportamiento diferente a las de clima cálido y templado, son mayores en invierno, y disminuyen en verano. Las cargas térmicas se reducen en un 3.4% con la fachada orientada al Este (16,589 kWhr), con respecto a las máximas con la fachada al Norte (17,160 kWhr). 5.2.2 Vivienda de una planta. Para este caso también se realizó una evaluación de las cargas térmicas, considerando los efectos debidos al cambio de orientación. A continuación se muestran los resultados obtenidos para la vivienda situada virtualmente en la localidad de Tlaquiltenango (gráfica 5.7). CARGAS DE ENFRIAMIENTO TLAQUILTENANGO 2500 FACHADA ORIENTADA AL OESTE FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL ESTE FACHADA ORIENTADA AL NORTE [kWhr] 2000 Carga térmica anual en kWhr 16910 1500 16310 15620 1000 14650 500 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC FACHADA AL OESTE FACHADA AL ESTE FACHADA AL SUR FACHADA AL NORTE Gráfica 5.7.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango. En la gráfica anterior, se observa que las cargas térmicas para lograr condiciones de confort son mayores con la fachada orientada hacia el Oeste (16,910 kWhr) y Este (16,310 kWhr), con la fachada orientada al Norte (14,650 kWhr), la carga térmica anual se reduce en un 13.4% En la gráfica 5.8 se muestra la evaluación de la cantidad de energía requerida para confort durante el año para las diferentes orientaciones de la vivienda, y los valores totales correspondientes, para la localidad de Emiliano Zapata. 108 Capítulo 5 Resultados CARGAS DE ENFRIAMIENTO ZAPATA 2500 FACHADA ORIENTADA AL OESTE FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL ESTE FACHADA ORIENTADA AL NORTE [kWhr] 2000 Carga térmica anual en kWhr 10340 1500 9969 9870 1000 9107 500 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC FACHADA AL OESTE FACHADA AL ESTE FACHADA AL SUR FACHADA AL NORTE Gráfica 5.8.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata. En la figura anterior se observa que las curvas tienen un comportamiento similar a la gráfica de clima cálido, pero en menor magnitud, las cargas térmicas para lograr condiciones de confort, son mayores con la fachada orientada al Oeste (10,340 kWhr). La carga térmica anual se reducen en un 11.9 % con la fachada orientada al Norte (9,107 kWhr). La cantidad de energía requerida para confort, y sus variaciones en función de la orientación para la vivienda situada virtualmente en la localidad de Huitzilac, se muestra en la gráfica 5.9. CARGAS DE CALENTAMIENTO HUITZILAC 3000 FACHADA ORIENTADA AL NORTE FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL OESTE FACHADA ORIENTADA AL ESTE 2500 Carga térmica anual en kWhr [kWhr] 2000 25260 1500 24920 24800 1000 24670 500 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC FACHADA AL NORTE FACHADA AL SUR FACHADA AL OESTE FACHADA AL ESTE Gráfica 5.9.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac. En la gráfica anterior se observan las curvas que corresponden a la evaluación de cargas térmicas para calentamiento, la cuales presentan un 109 Capítulo 5 Resultados comportamiento diferente a las de clima cálido y templado, son mayores en invierno, y disminuyen en verano. Las cargas anuales se reducen en un 2.3 % con la fachada orientada al Este (24,670 kWhr), respecto a una orientación al Norte (25,260 kWhr). Con base en los resultados presentados en las gráficas 5.4 a 5.9, se concluye que, el cambio de orientación influye sobre la carga térmica de manera muy parecida trátese de la vivienda de una planta, o la de dos plantas. En clima cálido para la localidad de Tlaquiltenango, la mejor orientación es con la fachada al Norte. Para clima templado en la localidad de Emiliano Zapata, las curvas son similares a las de clima cálido, pero disminuye la carga térmica, debido a que la cantidad de radiación solar para este lugar es menor. En cuanto a la localidad de Huitzilac, clima frio, el efecto del cambio de orientación sobre la carga térmica es mínimo, sin embargo, la mejor orientación resulta ser con la fachada al Este, presentando la vivienda su eje alargado Sur-Norte. 5.3 EVALUACIÓN TÉRMICA. Para evaluar la influencia del medio ambiente con la temperatura al interior de las viviendas, las simulaciones se realizaron en evolución libre. Para clima cálido se consideró el día 19 de Abril, por ser el día del año en que se presentó la temperatura exterior más elevada, y para clima frio, el día 13 de Febrero, por presentarse la temperatura más baja del año. Para las localidades de Tlaquiltenango y Emiliano Zapata se considera la fachada con orientación oeste, y en el caso de la localidad de Huitzilac, se supone una orientación hacia el norte, debido a que estas orientaciones de las viviendas son las que requieren una mayor carga térmica. 5.3.1 Vivienda de dos plantas. Para la vivienda de dos plantas, la simulación se realizó considerando una división en cuatro zonas con el fin evaluar las diferencias de temperatura entre recintos y entre planta baja y alta, como se muestra en el esquema de la figura 5.1. 110 Capítulo 5 Resultados Z-4 Z-1 Z-2 Z-3 Figura 5.1.- Vivienda dos plantas, división por zonas. En la gráfica 5.10 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Tlaquiltenango, para el día seleccionado. TEMPERATURA EXTERIOR E INTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL OESTE TLAQUILTENANGO 45 TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4 TEMPERATURA [ºC] 40 35 30 25 20 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.10.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. En la gráfica anterior, se observa que en la zona 3 se presenta la temperatura más elevada con 41 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, la mínima fue de 24.6 ºC en la zona 4 entre las 7:00 y 8:00 horas; mientras que la temperatura ambiente máxima llegó a 38.5 ºC, entre las 17:00 y 18:00 horas, y la mínima fue de 18.7 ºC entre las 6:00 y 7:00 horas; desde las 6:00 hasta las 10:00 horas la vivienda se encuentra dentro de la zona de confort térmico. En la gráfica 5.11 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Emiliano Zapata, en la zona 3 se presenta la temperatura más elevada con 38.8 ºC entre 111 Capítulo 5 Resultados las 18:00 y 19:00 horas, la mínima fue de 23 ºC en la zona 4 entre las 7:00 y 8:00 horas; mientras que la temperatura ambiente máxima llegó a 35 ºC, entre las 17:00 y 18:00 horas, y la mínima fue de 18.8 ºC a las 7:00 horas; desde las 3:00 hasta las 11:00 horas la vivienda se encuentra dentro de la zona de confort térmico. TEMPERATURA EXTERIOR E INTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL OESTE EMILIANO ZAPATA 45 TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4 TEMPERATURA [ºC] 40 35 30 25 20 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.11.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. En la gráfica 5.12 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Huitzilac, para el día seleccionado. TEMPERATURA INTERIOR Y EXTERIOR FACHADA ORIENTADA AL NORTE, HUITZILAC 30 TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4 TEMPERATURA [ºC] 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.12.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac. 112 Capítulo 5 Resultados En la gráfica anterior, se observa que en la zona 1 (planta baja), se presenta una temperatura mínima de 5.9 ºC entre las 8:00 y 9:00 horas, la máxima llegó a 25.5 ºC en la zona 4 entre las 18:00 y 19:00 horas; mientras que la temperatura ambiente mínima fue entre las 7:00 y 8:00 horas registrándose 0.7 ºC, y la máxima fue de 16.2 ºC a las 17:00 horas; la vivienda se encuentra dentro de la zona de confort térmico de las 16:00 a las 20:00 horas. 5.3.2 Vivienda de una planta. Para evaluar el comportamiento térmico en la vivienda de una planta también se realizó la simulación considerando una división en cuatro zonas, con el fin evaluar las diferencias de temperatura entre recintos, un esquema de la vivienda se muestra en la figura 5.2. Figura 5.2.- Vivienda una planta, división por zonas. En la gráfica 5.13 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Tlaquiltenango, para el día seleccionado. 113 Capítulo 5 Resultados TEMPERATURA EXTERIOR E INTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL OESTE TLAQUILTENANGO 45 TEMPERATURA [ºC] 40 35 30 25 20 TEXT 15 TZ1 TZ2 TZ3 TZ4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.13.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango. En la gráfica anterior, se observa que en la zona 2 se presenta la temperatura más elevada con 45 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, la mínima fue de 25 ºC en la zona 2 entre las 7:00 y 8:00 horas; mientras que la temperatura ambiente máxima llegó a 38.5 ºC, entre las 17:00 y 18:00 horas, y la mínima fue de 18.7 ºC entre las 6:00 y 7:00 horas; desde las 6:00 hasta las 10:00 horas la vivienda se encuentra dentro de la zona de confort térmico. En la gráfica 5.14 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Emiliano Zapata, para el día seleccionado. TEMPERATURA EXTERIOR E INTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL OESTE EMILIANO ZAPATA 45 TEMPERATURA [ºC] 40 35 30 25 20 15 TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.14.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata. 114 Capítulo 5 Resultados En la gráfica anterior, se muestra que en la zona 2 se presenta la temperatura más elevada con 42.3 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, la mínima fue de 23.7 ºC en la zona 2 entre las 7:00 y 8:00 horas; mientras que la temperatura ambiente máxima llegó a 35 ºC, entre las 17:00 y 18:00 horas, y la mínima fue de 18.8 ºC a las 7:00 horas; desde las 4:00 hasta las 10:00 horas la vivienda se encuentra dentro de la zona de confort térmico. En la gráfica 5.15 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Hitzilac, para el día seleccionado. TEMPERATURA INTERIOR Y EXTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL NORTE, HUITZILAC. 30 TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4 TEMPERATURA [ºC] 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.15.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac. En la gráfica anterior, se observa que en la zona 2, se presenta la temperatura mínima de 5.0 ºC entre las 8:00 y 9:00 horas, la máxima llegó a 27.0 ºC en la zona 4 entre las 18:00 y 19:00 horas; mientras que la temperatura ambiente mínima fue entre las 7:00 y 8:00 horas registrándose 0.7 ºC, y la máxima fue de 16.2 ºC a las 17:00 horas; la vivienda se encuentra dentro de la zona de confort térmico de las 15:00 a las 21:00 horas. Con base en los resultados presentados en las gráficas 5.10 a 5.15, se concluye que, las temperaturas interiores en la vivienda de una o dos plantas muestran un comportamiento diferente bajo las mismas condiciones de clima. En clima cálido para la localidad de Tlaquiltenango, los resultados indican que la condición más favorable para el confort se da en la vivienda de dos plantas, pues 115 Capítulo 5 Resultados mantiene una temperatura más cercana a la temperatura de confort; para clima templado en la localidad de Emiliano Zapata, el comportamiento es similar, aunque la temperatura pico es más baja que en clima cálido; en cuanto a la localidad de Huitzilac, clima frio, la vivienda de dos plantas, durante la noche mantiene una diferencia aproximada de 1 ºC sobre la temperatura de la vivienda de una planta, pero durante el día la vivienda de un planta mantiene una diferencia aproximada de 2 ºC sobre la temperatura de la vivienda de dos plantas. 5.4 VARIACIÓN DE PARÁMETROS EN LA ENVOLVENTE CONSIDERANDO SISTEMAS DE HVAC. Con la finalidad de disminuir o aprovechar los efectos de la radiación solar sobre la envolvente de las viviendas, y alcanzar las condiciones de confort con un menor consumo de energía térmica, se evalúa el impacto del cambio de parámetros tales como: orientación, geometría, propiedades ópticas y propiedades termo físicas de los materiales de la envolvente de la vivienda. Considerando abarcar esta gama de posibilidades, se realizó una serie de simulaciones variando los parámetros mencionados anteriormente, suponiendo la utilización de equipo para aire acondicionado, estableciendo los límites de temperatura en 𝑇𝑚𝑖𝑛 = 19 ºC para calentamiento y 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 27 ºC para enfriamiento. Parámetros: 1.- Cambio de orientación de la fachada. 2.- Variar el aislante de 1” hasta 4” en el techo. 3.- Variar de 1” hasta 4” de aislante en techo y muros. 4.- Cambiar propiedades ópticas en el techo y muros. 5.- Colocar dispositivos de sombreado. 6.- Colocar ventanas de doble panel. Con la finalidad de poder identificar fácilmente los cambios realizados se propone una matriz de parámetros como se describe en la tabla 5.1. 116 Capítulo 5 Resultados Tabla 5.1.- Descripción de los parámetros a cambiar en la envolvente. Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Orientación de la fachada* Espesor de aislante en el techo (pulgadas) Espesor de aislante en los muros (pulgadas) Absortancia del techo absortancia de los muros Dispositivos de sombreado Ventanas doble panel Una o dos plantas *Orientación de la fachada Fachada al Norte (N) Fachada al Sur (S) Fachada al Este (E) Fachada al Oeste (O) Por ejemplo si se presenta una matriz: (N,2,1,0.75,0.6,S,2,1), Y1=N (fachada orientada al Norte), Y2=2 (2” de aislante en el techo, Y3=1 (1” de aislante en los muros, Y4=0.75 (absortancia del techo), Y5=0.6 (absortancia de los muros), Y6=2 (ventanas de doble vidrio), Y7=S (dispositivo de sombreado) y Y8=1 (vivienda de una planta). En las tablas 5.2 y 5.3 se muestra la variación del coeficiente global de transferencia de calor 𝑈 en función del aislante agregado en muros y techos, la resistencia térmica fue calculada considerando los coeficientes convectivos interior y exterior definidos en el modulo TRNBuild de TRNSYS, en el cual se proponen 𝑊 𝑊 los siguientes valores: ℎ𝑖 = 7.7 𝑚 2 𝐾 ; ℎ𝑜 = 25 𝑚 2 𝐾 . . Tabla 5.2.- Variación de propiedades térmicas en muros. 𝑊 Condiciones Espesor 𝑙 , en metros. Vivienda real. 0.15 2.908 +1” de aislante 0.175 0.829 +2” de aislante 0.201 0.476 +3” de aislante 0.226 0.337 +4” de aislante 0.252 0.259 117 U 𝑚2𝐾 Capítulo 5 Resultados Tabla 5.3.- Variación de propiedades térmicas en techos. 𝑊 Condiciones Espesor 𝑙 , en metros. Vivienda real. 0.145 2.367 +1” de aislante 0.17 0.778 +2” de aislante 0.196 0.458 +3” de aislante 0.221 0.329 +4” de aislante 0.247 0.254 U 𝑚2𝐾 Nota: El aislante considerado para adicionar en muros y techos es: Owens Corning FOAMULAR 250 extruded polystyrene. Los valores tomados como referencia para la vivienda en condiciones reales corresponden a la descripción mostrada en el capítulo 2, tabla 2.6. En las tablas 5.2 y 5.3 se muestran los valores del coeficiente global de transferencia de calor, que disminuyen conforme se incrementa el espesor del muro debido a la adición del material aislante. En el caso de que se quiera construir una vivienda con materiales usados tradicionalmente como el adobe, podemos establecer un punto de referencia entre este y el aislante térmico, para lo cual se presenta un análisis comparativo de los valores de la resistencia térmica equivalente (Tabla 5.4). Tabla 5.4.- Resistencia térmica en aislante y adobe, en función del espesor del muro. 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑙 , 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠. Aislante 0.025 0.050 0.075 0.100 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑘 , 𝑒𝑛 Adobe 0.250 0.500 0.750 1.000 Aislante 0.029 0.029 0.029 0.029 Adobe 0.25 0.25 0.25 0.25 𝑊 𝑚𝐾 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅 , 𝑒𝑛 Aislante 0.9 1.7 2.6 3.4 𝑚2 𝐾 𝑊 Adobe 1 2 3 4 Con los datos de la tabla 5.4 se infiere que un muro construido con adobe necesita tener un espesor 10 veces mayor que el aislante, para lograr una resistencia de 1.16 veces. 118 Capítulo 5 Resultados 5.4.1 Vivienda de dos plantas. Introduciendo todos los parámetros, y realizando la simulación, se obtuvieron los valores de las cargas térmicas, en función de las características de la envolvente, para el periodo de un año (gráficas 5.16 a 5.18). En la gráfica 5.16 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en la localidad de Tlaquiltenango, para el periodo de un año. CONFIGURACIÓN CARGAS TÉRMICAS 132 131 130 (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,2) (N,4,4,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 110 83 80 79 78 50 48 45 45 45 43 31 29 27 0 20 40 60 80 100 120 140 kWhr/m^2/año Gráfica 5.16.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. En la gráfica anterior, se observa que la configuración menos favorable es en condiciones reales con la fachada orientada al Este, la carga térmica correspondiente es de 132 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , la configuración más favorable es la vivienda con la fachada orientada al Norte, con una pulgada de aislante en el techo y muros, con color claro en la envolvente (absortancia de 0.3), dispositivos de sombreado, y ventana de doble panel, la carga térmica correspondiente fue de 27 representando un 79.5 % de diferencia. 119 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , Capítulo 5 Resultados En la gráfica 5.17 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en la localidad de Emiliano Zapata, para el periodo de un año. Se observa que la configuración menos favorable es en condiciones reales con la fachada orientada 𝑘𝑊ℎ𝑟 al Este, la carga térmica correspondiente es de 71 𝑚2 , mientras que, la configuración más favorable se presenta con fachada de la vivienda orientada al Norte, con una pulgada de aislante en el techo y muros, con color claro en la envolvente (absortancia de 0.3), dispositivo de sombreado, y ventanas de doble panel, la carga térmica correspondiente fue de 7.9 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , representando un 88.9% de diferencia. CONFIGURACIÓN CARGAS TÉRMICAS 71 70 68 (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,4,4,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 57 37 35 34 34 18 18 17 17 17 14 8.9 8.3 7.9 0 10 20 30 40 50 60 70 80 kWhr/m^2/año Gráfica 5.17.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. En la gráfica 5.18 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en la localidad de Huitzilac, para el periodo de un año. 120 Capítulo 5 Resultados CARGAS TÉRMICAS 343 339 336 332 (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 312 309 308 307 CONFIGURACIÓN (E,1,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,2,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,3,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,4,0,0.75,0.6,0,1,2) 125 (E,1,1,0.75,0.6,0,1,2) 95 86 (E,1,1,0.75,0.6,0,2,2) (E,2,2,0.75,0.6,0,1,2) 70 61 59 (E,3,3,0.75,0.6,0,1,2) (E,4,4,0.75,0.6,0,1,2) (E,1,2,0.75,0.6,0,2,2) 38 30 (E,1,4,0.75,0.6,0,2,2) (E,4,4,0.75,0.6,0,2,2) 0 50 100 150 200 250 300 350 kWhr/m^2/año Gráfica 5.18.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac. En la gráfica anterior, se observa que la configuración menos favorable es en condiciones reales con la fachada orientada al Norte, la carga térmica correspondiente es de 343 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , la configuración más favorable es la vivienda con la fachada orientada al Este, con cuatro pulgadas de aislante en el techo y muros, y ventana de doble panel, la carga térmica correspondiente es de 30 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , representando un 91.3 % de diferencia. 5.4.2 Vivienda de una planta. Alimentando todos los parámetros, y realizando la simulación, se obtuvieron los valores de las cargas térmicas, en función de las características de la envolvente, para el periodo de un año (gráficas 5.19 a 5.22). En la gráfica 5.19 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en la localidad de Tlaquiltenango, para el periodo de un año. 121 Capítulo 5 Resultados CONFIGURACIÓN CARGAS TÉRMICAS 176 170 163 (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,1) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,1) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,1) (N,4,4,0.75,0.6,0,1,1) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,1) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,1) 153 84 75 72 70 70 66 57 54 52 45 40 34 31 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 kWhr/m^2/año Gráfica 5.19.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango. En la gráfica anterior, se observa que la configuración menos favorable es en condiciones reales con la fachada orientada al Oeste, la carga térmica correspondiente es de 176 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , la configuración más favorable es la vivienda con la fachada orientada al Norte, con una pulgada de aislante en el techo y muros, con color claro en la envolvente (absortancia de 0.3), dispositivo de sombreado, y ventana de doble panel, la carga térmica correspondiente es de 31 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , representando un 82.4 % de diferencia. En la gráfica 5.20 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en la localidad de Emiliano Zapata, para el periodo de un año. Se observa que la configuración menos favorable es en condiciones reales con la fachada orientada al Oeste, la carga térmica correspondiente es de 108 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , la configuración más favorable se presenta con la fachada orientada al Norte, con una pulgada de aislante en el techo, con color claro en la envolvente, dispositivo de sombreado y ventana de doble panel, la carga térmica correspondiente es de 11 representando un 89.8 % de diferencia. 122 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , Capítulo 5 Resultados CONFIGURACIÓN CARGAS TÉRMICAS 71 70 68 (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,4,4,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 57 37 35 34 34 18 18 17 17 17 14 8.9 8.3 7.9 0 10 20 30 40 50 60 70 80 kWhr/m^2/año Gráfica 5.20.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata. En la gráfica 5.21 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en la localidad de Huitzilac, para el periodo de un año. Se observa que la configuración menos favorable es en condiciones reales con la fachada orientada al Norte, la carga térmica correspondiente es de 263 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , la configuración más favorable es la vivienda con la fachada orientada al Este, con cuatro pulgadas de aislante en el techo y muros, y ventana de doble panel, la carga térmica correspondiente es de 23 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 , representando un 91.3 % de diferencia. 123 Capítulo 5 Resultados CARGAS TÉRMICAS 263 260 258 257 (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 219 214 213 212 CONFIGURACIÓN (E,1,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,2,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,3,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,4,0,0.75,0.6,0,1,1) 108 (E,1,1,0.75,0.6,0,1,1) 82 72 66 66 (E,2,2,0.75,0.6,0,1,1) (E,3,3,0.75,0.6,0,1,1) (E,4,4,0.75,0.6,0,1,1) (E,1,1,0.75,0.6,0,2,1) 46 (E,1,2,0.75,0.6,0,2,1) 35 (E,1,4,0.75,0.6,0,2,1) 23 (E,4,4,0.75,0.6,0,2,1) 0 50 100 150 200 250 300 350 kWhr/m^2/año Gráfica 5.21.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac. 5.4.3 Comparación de cargas térmicas por localidad. A continuación se realiza una comparación de la variación de las cargas térmicas en las viviendas, se analiza cada localidad, considerando las viviendas de una y dos plantas (gráficas 5.22 a 5.25). En la gráfica 5.22 se presenta la variación de cargas térmicas para viviendas de una y dos plantas para la localidad de Tlaquiltenango (clima cálido). Se observa que dependiendo del tipo de envolvente se requiere un máximo de 176 𝑘𝑊−ℎ𝑟 𝑚2 , y un mínimo de 27 𝑘𝑊−ℎ𝑟 𝑚2 de energía térmica al año para mantener condiciones de confort. Los factores que tienen mayor influencia son: el color (baja absortancia), adición de aislante en el techo y muros (con mayor impacto en el techo), orientación (fachada al Norte con el eje alargado en dirección Este-oeste), y agregar dispositivos de sombreado. Adicionar ventanas de doble panel no tiene un efecto significativo. Aplicando todos los cambios en la envolvente sería posible reducir en un 84.7% el consumo de energía. 124 Capítulo 5 Resultados CONFIGURACIÓN CARGAS TÉRMICAS 176 170 163 153 (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,1) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,1) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,1) (N,4,4,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,2) (N,4,4,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,1) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,1) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 132 131 130 110 84 83 80 79 78 75 72 70 70 66 57 54 52 50 48 45 45 45 45 43 40 34 31 31 29 27 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 kWhr/m^2/año Gráfica 5.22.- Cargas térmicas anuales para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. En la gráfica 5.23 se presenta la variación de cargas térmicas para viviendas de una y dos plantas para la localidad de Emiliano Zapata (clima templado). 125 Capítulo 5 Resultados CONFIGURACIÓN CARGAS TÉRMICAS 108 104 103 (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,1) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,1) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,1) (N,4,4,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,4,4,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,1) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,1) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 95 71 70 68 57 40 37 35 34 34 34 32 31 31 31 26 25 24 18 18 17 17 17 16 14 14 13 11 8.9 8.3 7.9 0 20 40 60 80 100 120 kWhr/m^2/año Gráfica 5.23.- Cargas térmicas anuales para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. Al igual que en el caso anterior, en la gráfica 5.23 se observan los valores de las cargas térmicas anuales para la localidad de Emiliano Zapata (clima templado), para una y dos plantas. Los parámetros con mayor influencia son los 126 Capítulo 5 Resultados mismos, sólo que en diferente magnitud. Se requiere un máximo de 108 un mínimo de 7.9 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 𝑚2 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 𝑚2 ,y , de carga térmica al año para mantener condiciones de confort (considerando el rango marcado al inicio de este apartado). La reducción del consumo en energía sería del 92.3% si se consideran todos los cambios en la envolvente. En la gráfica 5.24 se presenta la variación de cargas térmicas para viviendas de una y dos plantas para la localidad de Huitzilac (clima frio). Debido a las condiciones de clima en Huitzilac (clima frio), los valores de cargas térmicas, son para calentamiento. Se requiere un máximo de 343 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 𝑚2 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 𝑚2 , y un mínimo de 23 de carga térmica al año para mantener condiciones de confort. Para este caso, el color no tiene mucha influencia en el comportamiento térmico (aunque se obtiene más ventaja con colores obscuros), lo que impacta más es la adición de aislante en los muros. Se observa una disminución de la carga térmica con la adicción de ventana doble panel, la orientación también influye aunque en menor magnitud que para clima cálido y templado. Con la fachada al este y el eje alargado Norte-Sur, se puede lograr una reducción hasta del 93.4% con medidas adecuadas. 127 Capítulo 5 Resultados CARGAS TÉRMICAS 343 339 336 332 312 309 308 307 (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,1,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,2,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,3,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,4,0,0.75,0.6,0,1,2) 263 260 258 257 (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) CONFIGURACIÓN (E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 219 214 213 212 (E,1,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,2,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,3,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,4,0,0.75,0.6,0,1,1) 125 108 95 86 82 72 70 66 66 61 59 46 38 35 30 23 (E,1,1,0.75,0.6,0,1,2) (E,1,1,0.75,0.6,0,1,1) (E,1,1,0.75,0.6,0,2,2) (E,2,2,0.75,0.6,0,1,2) (E,2,2,0.75,0.6,0,1,1) (E,3,3,0.75,0.6,0,1,1) (E,3,3,0.75,0.6,0,1,2) (E,4,4,0.75,0.6,0,1,1) (E,1,1,0.75,0.6,0,2,1) (E,4,4,0.75,0.6,0,1,2) (E,1,2,0.75,0.6,0,2,2) (E,1,2,0.75,0.6,0,2,1) (E,1,4,0.75,0.6,0,2,2) (E,1,4,0.75,0.6,0,2,1) (E,4,4,0.75,0.6,0,2,2) (E,4,4,0.75,0.6,0,2,1) 0 50 100 150 200 250 300 350 kWhr/m^2/año Gráfica 5.24.- Cargas térmicas anuales para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Huitzilac. En la gráfica 5.25 se muestra la variación de las cargas térmicas anuales en función de los cambios de la envolvente para las viviendas de una y dos plantas, en las tres localidades consideradas. 128 Capítulo 5 Resultados Huitzilac 350 VIVIENDA 1 PLANTA VIVIENDA 2 PLANTAS 300 Tlaquiltenango 250 kWhr/m2 /año 200 Emiliano Zapata 150 100 50 0 CONFIGURACIÓN Gráfica 5.25.- Carga térmica anual de acuerdo a la configuración de la envolvente, para viviendas de una y dos plantas, en las localidades de Tlaquiltenango, Emiliano Zapata, y Huitzilac. 129 Capítulo 5 Resultados En la gráfica anterior se observa que, para Huitzilac, la vivienda de dos plantas requiere mayores cargas de calentamiento si no se coloca aislante en los muros. Si se agrega aislante con un espesor de 25mm en toda la envolvente las cargas son casi iguales para una planta y dos plantas, la configuración más favorable se encuentra cubriendo la envolvente con aislante de cuatro pulgadas y colocando ventanas de doble panel, no se presentan mayores cambios con el color de la superficie. Para la localidad de Tlaquiltenango, la vivienda de una planta requiere mayores cargas de enfriamiento. Cubriendo el techo con aislante de una pulgada las cargas serán iguales para viviendas de una y dos plantas, la configuración más favorable se encuentra agregando aislante con un espesor de 25mm en toda la envolvente, pintura de color blanco (absortancia 0.3) y colocando ventanas de doble panel. Para la localidad de Emiliazo Zapata, se presenta el mismo comportamiento que para clima cálido, pero las cargas térmicas son de menor magnitud. 5.4.4 Análisis costo-beneficio. A continuación se realiza un análisis de costo beneficio, con el fin de evaluar si las propuestas para modificar la envolvente son viables económicamente, los resultados se muestran en las tablas 5.5, 5.6 y 5.7, nótese que todas las cantidades calculadas anteriormente, tanto para enfriamiento o calentamiento, son cargas térmicas, se aplica un valor de 2.5 para el coeficiente de rendimiento (COP), posteriormente se evalúa con la tarifa correspondiente $ (2.465 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 ) , y finalmente se multiplica por el área de la vivienda, de tal manera que se obtiene el gasto de energía eléctrica anual. 130 Capítulo 5 Resultados Tabla 5.5.- Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Tlaquiltenango. TLAQUILTENANGO 𝑄𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 CONFIGURACION 𝑘𝑊 − ℎ𝑟 𝑚2 (Térmicos) Costo anual de la energía 𝑘𝑊 − ℎ𝑟 𝑚2 (Eléctricos) $ 𝑚2 50 𝑚2 Diferencia 100 𝑚2 % (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 27 10.8 26.62 1,331.10 2,662.20 85 (N,1,1,0.3,0.3,0,2,2) 29 11.4 28.18 1,408.99 2,817.99 84 (N,1,1,0.3,0.3,S,2,1) 31 12.4 30.49 1,524.36 3,048.71 82 (N,1,1,0.3,0.3,0,1,2) 31 12.4 30.49 1,524.36 3,048.71 82 (N,1,1,0.3,0.3,0,2,1) 34 13.6 33.51 1,675.69 3,351.37 81 (N,1,1,0.3,0.3,0,1,1) 40 15.8 39.00 1,949.92 3,899.84 78 (N,1,0,0.3,0.3,0,1,2) 43 17.1 42.24 2,112.01 4,224.02 76 (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) 45 17.9 44.00 2,200.01 4,400.03 75 (N,4,4,0.75,0.6,0,1,2) 45 17.9 44.23 2,211.60 4,423.20 75 (N,3,3,0.75,0.6,0,1,2) 45 18.0 44.33 2,216.53 4,433.06 74 (N,2,2,0.75,0.6,0,1,2) 45 18.2 44.82 2,241.18 4,482.36 74 (N,1,1,0.75,0.6,0,1,2) 48 19.2 47.27 2,363.44 4,726.88 73 (N,0,0,0.3,0.3,0,1,2) 50 20.2 49.75 2,487.68 4,975.36 71 (N,4,4,0.75,0.6,0,1,1) 52 21.0 51.71 2,585.68 5,171.36 70 (N,3,3,0.75,0.6,0,1,1) 54 21.7 53.44 2,671.96 5,343.91 69 (N,2,2,0.75,0.6,0,1,1) 57 22.9 56.56 2,828.07 5,656.15 67 (N,1,1,0.75,0.6,0,1,1) 66 26.5 65.25 3,262.53 6,525.06 62 (N,0,0,0.3,0.3,0,1,1) 70 27.9 68.78 3,439.19 6,878.38 60 (N,4,0,0.75,0.6,0,1,1) 70 27.9 68.82 3,441.24 6,882.49 60 (N,3,0,0.75,0.6,0,1,1) 72 28.7 70.67 3,533.68 7,067.36 59 (N,2,0,0.75,0.6,0,1,1) 75 30.0 73.93 3,696.47 7,392.95 57 (N,4,0,0.75,0.6,0,1,2) 78 31.2 76.83 3,841.46 7,682.91 56 (N,3,0,0.75,0.6,0,1,2) 79 31.5 77.54 3,876.95 7,753.90 55 (N,2,0,0.75,0.6,0,1,2) 80 32.0 78.78 3,939.07 7,878.14 55 (N,1,0,0.75,0.6,0,1,2) 83 33.3 82.04 4,101.76 8,203.52 53 (N,1,0,0.75,0.6,0,1,1) 84 33.5 82.47 4,123.74 8,247.48 52 (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 110 44.2 108.93 5,446.66 10,893.33 37 (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 130 52.0 128.30 6,414.92 12,829.83 26 (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 131 52.4 129.26 6,463.23 12,926.46 26 (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 132 52.9 130.41 6,520.42 13,040.84 25 (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 153 61.0 150.47 7,523.39 15,046.77 13 (S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 163 65.1 160.43 8,021.52 16,043.04 8 (E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 170 68.0 167.52 8,375.86 16,751.73 3 (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 176 70.5 173.68 8,683.99 17,367.98 0 131 Capítulo 5 Resultados Tabla 5.6.- Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Emiliano Zapata. EMILIANO ZAPATA 𝑄𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 CONFIGURACION (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,1) (N,1,1,0.3,0.3,0,2,1) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,2) (N,4,4,0.3,0.3,0,1,2) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,2) (N,4,4,0.75,0.6,0,1,1) (N,3,3,0.75,0.6,0,1,1) (N,2,2,0.75,0.6,0,1,1) (N,1,1,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,4,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,3,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,2,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 𝑘𝑊 − ℎ𝑟 𝑚2 (Térmicos) 7.9 8.3 9 11 13 14 14 16 17 17 17 18 18 24 25 26 31 31 31 32 34 34 34 35 37 40 57 68 70 71 95 103 104 108 Costo anual de la energía 𝑘𝑊 − ℎ𝑟 𝑚2 (Eléctricos) $ 𝑚2 50 𝑚2 100 𝑚2 3 7.79 389.47 778.94 3 8.18 409.19 818.38 4 8.78 438.77 877.54 4 10.85 542.30 1,084.60 5 13.16 657.85 1,315.69 6 13.93 696.61 1,393.22 6 14.00 699.96 1,399.91 6 15.78 788.80 1,577.60 7 16.57 828.44 1,656.87 7 16.82 840.96 1,681.92 7 16.92 845.99 1,691.98 7 17.26 862.85 1,725.70 7 17.78 889.08 1,778.15 10 23.63 1,181.66 2,363.32 10 24.35 1,217.61 2,435.21 10 25.73 1,286.42 2,572.84 12 30.10 1,505.19 3,010.38 12 30.61 1,530.35 3,060.71 12 30.72 1,536.00 3,072.01 13 31.87 1,593.52 3,187.04 14 33.35 1,667.33 3,334.65 14 33.76 1,688.03 3,376.06 14 33.90 1,695.20 3,390.40 14 34.49 1,724.51 3,449.03 15 36.48 1,824.10 3,648.20 16 39.45 1,972.51 3,945.03 23 56.62 2,830.81 5,661.61 27 67.15 3,357.33 6,714.66 28 68.80 3,440.15 6,880.31 28 69.57 3,478.61 6,957.22 38 93.54 4,676.82 9,353.65 41 101.37 5,068.66 10,137.31 42 102.39 5,119.50 10,238.99 43 106.20 5,310.02 10,620.04 132 Diferencia % 93 92 92 90 88 87 87 85 84 84 84 84 83 78 77 76 72 71 71 70 69 68 68 68 66 63 47 37 35 34 12 5 4 0 Capítulo 5 Resultados Tabla 5.7.- Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Huitzilac. HUITZILAC 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 Costo anual de la energía CONFIGURACION (E,4,4,0.75,0.6,0,2,1) (E,4,4,0.75,0.6,0,2,2) (E,1,4,0.75,0.6,0,2,1) (E,1,4,0.75,0.6,0,2,2) (E,1,2,0.75,0.6,0,2,1) (E,1,2,0.75,0.6,0,2,2) (E,4,4,0.75,0.6,0,1,2) (E,1,1,0.75,0.6,0,2,1) (E,4,4,0.75,0.6,0,1,1) (E,3,3,0.75,0.6,0,1,2) (E,3,3,0.75,0.6,0,1,1) (E,2,2,0.75,0.6,0,1,1) (E,2,2,0.75,0.6,0,1,2) (E,1,1,0.75,0.6,0,2,2) (E,1,1,0.75,0.6,0,1,1) (E,1,1,0.75,0.6,0,1,2) (E,4,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,3,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,2,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,1,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,4,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,3,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,2,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,1,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 𝑘𝑊 − ℎ𝑟 𝑚2 (Térmicos) 23 30 35 38 46 59 61 66 66 70 72 82 86 95 108 125 212 213 214 219 257 258 260 263 307 308 309 312 332 336 339 343 𝑘𝑊 − ℎ𝑟 𝑚2 (Eléctricos) 9 12 14 15 18 24 24 26 26 28 29 33 34 38 43 50 85 85 86 88 103 103 104 105 123 123 124 125 133 134 136 137 133 $ 𝑚2 22.25 29.28 34.29 37.09 45.59 58.39 60.03 64.60 65.26 68.88 71.05 81.11 84.40 93.47 106.20 123.07 208.60 209.53 211.27 215.79 253.38 254.72 255.95 259.44 303.10 303.89 304.87 307.83 326.96 331.10 334.25 338.40 50 𝑚2 1,112.33 1,464.21 1,714.72 1,854.67 2,279.61 2,919.55 3,001.38 3,230.18 3,263.04 3,444.10 3,552.68 4,055.44 4,220.08 4,673.64 5,310.02 6,153.63 10,430.03 10,476.25 10,563.55 10,789.51 12,669.07 12,735.83 12,797.46 12,972.06 15,154.82 15,194.26 15,243.56 15,391.46 16,347.88 16,554.94 16,712.70 16,919.76 Diferencia 100 𝑚2 % 2,224.66 2,928.42 3,429.43 3,709.33 4,559.22 5,839.09 6,002.77 6,460.35 6,526.09 6,888.20 7,105.36 8,110.88 8,440.16 9,347.28 10,620.04 12,307.25 20,860.06 20,952.50 21,127.10 21,579.02 25,338.15 25,471.67 25,594.92 25,944.13 30,309.64 30,388.52 30,487.12 30,782.92 32,695.76 33,109.88 33,425.40 33,839.52 93 91 90 89 87 83 82 81 81 80 79 76 75 72 69 64 38 38 38 36 25 25 24 23 10 10 10 9 3 2 1 0 Capítulo 5 Resultados Con base en los resultados mostrados en la tabla 5.5 se observa que para la comunidad de Tlaquiltenango la configuración que ofrece mayor ventaja costobeneficio para una vivienda de 100𝑚2 es (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1), con una disminución en el consumo energético del 76% con respecto a la menos eficiente, que es (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2), representa un ahorro de $13,144.00 anuales, y el gasto para colocar aislante en el techo es de $32,500.00 aproximadamente, por lo que la inversión se recuperaría en 2 años y medio. Para la comunidad de Emiliano Zapata, los resultados mostrados en la tabla 5.6 indican que las configuraciones características son las mismas que para la comunidad de Tlaquiltenango, se logra un ahorro de $9,227.00 anuales, el gasto para colocar aislante en el techo es de $32,500.00 aproximadamente, por lo que la inversión se recuperaría en 3 años y medio. Analizando los datos de la tabla 5.7 se observa que para la comunidad de Huitzilac la configuración que ofrece mayor ventaja costo-beneficio para una vivienda de 100𝑚2 es (E,1,1,0.75,0.6,0,2,1), la cual ofrece una disminución en el consumo energético del 81% con respecto a la menos eficiente, que es (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2), representa un ahorro de $27,380.00 anuales, el gasto para colocar aislante en el techo es de $32,500.00, para los muros $37,375.00, mas $25,000.00 para ventanas de doble panel, lo que da un total de aproximadamente $94,875.00, por lo que la inversión se recuperaría en 3 años y medio. Considerando que el aislante y las ventanas de doble panel tienen una duración de 20 años o más, dando el tratamiento adecuado, las medidas de uso eficiente de energía propuestas son viables y favorables. 5.5 VIVIENDAS EN EVOLUCIÓN LIBRE. Para conocer la evolución de la temperatura al interior de las viviendas se considera el comportamiento de las viviendas en evolución libre. Para esto se consideraron los cambios de parámetros mencionados en el apartado anterior. Para clima cálido y templado (municipios de Tlaquiltenango y Emiliano Zapata) se considera el día 19 de abril, por ser el más cálido del año 2007, en el caso de 134 Capítulo 5 Resultados clima frio (municipio de Huitzilac) se eligió el día 13 de Febrero, por ser el más frío del año. 5.5.1 Vivienda de dos plantas. En las gráficas 5.26 a 5.28 se puede observar el efecto del cambio de parámetros de la envolvente sobre la temperatura interior en las viviendas de dos plantas, comparando los efectos del cambio de orientación, adición de aislante, y cambio de absortancia. En la gráfica 5.26 se muestran la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Tlaquiltenango, para el día seleccionado. TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES , TLAQUILTENANGO TEXT (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 45 TEMPERATURA [ºC] 40 35 30 25 ZONA DE CONFORT 20 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.26.- Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango. En la gráfica anterior, se observa que para la configuración más desfavorable (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) se presenta la temperatura promedio máxima de la vivienda en 38.5 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, desplazada 2 horas de la temperatura ambiente máxima que fue de 38.5 ºC entre las 16:00 y 17:00 horas. Pero si se considera rotar la casa para cambiar la fachada al Norte, se agrega aislante con 135 Capítulo 5 Resultados espesor de 25mm (una pulgada) en el techo y muros, se considera color claro en el techo y muros (absortancia de 0.3), dispositivo de sombreado y ventanas de doble panel, la temperatura promedio máxima al interior de la vivienda sería de 32.7 ºC. En la gráfica 5.27 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Emiliano Zapata, para el día seleccionado. TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES , EMILIANO ZAPATA TEXT (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 45 TEMPERATURA [ºC] 40 35 30 25 ZONA DE CONFORT 20 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.27.- Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata. En la gráfica anterior, se observa que para la configuración más desfavorable (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) se presenta la temperatura promedio máxima de la vivienda en 37.2 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, desplazada dos horas de la temperatura ambiente máxima que fue de 34.8 ºC entre las 16:00 y 17:00 horas. Pero si se toman las mismas consideraciones que para el clima cálido, la temperatura promedio máxima al interior de la vivienda disminuye a 31.0 ºC. En la gráfica 5.28 se muestran la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Huitzilac, para el día seleccionado. 136 Capítulo 5 Resultados TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES HUITZILAC 25 TEXT (E,4,4,0.75,0.6,0,2,2) ZONA DE CONFORT 20 TEMPERATURA [ºC] (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.28.- Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac. En la gráfica anterior, se observa que para la configuración más desfavorable (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) se presenta la temperatura promedio mínima de la vivienda en 7.2 ºC entre las 8:00 y 9:00 horas, mientras que la temperatura ambiente mínima que fue de 0.5 ºC entre las 7:00 y 8:00 horas. Pero si se rota la vivienda colocando la fachada al Este, se agregan cuatro pulgadas de aislante en techo y muros, y se colocan ventanas de doble panel, la temperatura promedio mínima al interior de la vivienda aumenta a 15.8 ºC. 5.5.2 Vivienda de una planta. En las gráficas 5.29 a 5.31 se puede observar el efecto del cambio de parámetros de la envolvente sobre la temperatura interior en las viviendas de una planta, comparando los efectos del cambio de orientación, adición de aislante, y cambio de absortancia. En la gráfica 5.29 se muestran la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Tlaquiltenango, para el día seleccionado. 137 Capítulo 5 Resultados TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES , TLAQUILTENANGO TEXT (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,1) 45.0 TEMPERATURA [ºC] 40.0 35.0 30.0 25.0 ZONA DE CONFORT 20.0 15.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.29.- Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango. En la gráfica anterior, se observa que para la configuración más desfavorable (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) se presenta la temperatura promedio máxima de la vivienda en 42.5 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, desfasada 1 hora de la temperatura ambiente máxima que fue de 38.5 ºC entre las 17:00 y 18:00 horas. Pero si se considera rotar la casa para cambiar la fachada al Norte, se agrega una pulgada de aislante en el techo y muros, con color claro en el techo y muros (absortancia de 0.3), colocando dispositivo de sombreado y ventanas de doble panel, la temperatura promedio máxima al interior de la vivienda disminuye a 33.2 ºC. En la gráfica 5.30 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Emiliano Zapata, para el día seleccionado, en la cual, se observa que para la configuración más desfavorable (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) se presenta la temperatura promedio máxima de la vivienda en 40.1 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, desfasada 2 horas de la temperatura ambiente máxima que fue de 34.8 ºC entre las 16:00 y 17:00 horas. Pero si se toman las mismas consideraciones que para el clima cálido, la temperatura promedio máxima al interior de la vivienda disminuye a 32.1 ºC. 138 Capítulo 5 Resultados TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES , EMILIANO ZAPATA TEXT (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,1) 45 TEMPERATURA [ºC] 40 35 30 25 ZONA DE CONFORT 20 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.30.- Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata. En la gráfica 5.31 se muestran la evaluación de la temperatura ambiente y las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Huitzilac, para el día seleccionado. Se observa que para la configuración más desfavorable (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) se presenta la temperatura promedio mínima de la vivienda en 5.6 ºC entre las 8:00 y 9:00 horas, desfasada 1hora de temperatura ambiente mínima que fue de 0.5 ºC entre las 7:00 y 8:00 horas. Pero si se rota la vivienda colocando la fachada al Este, se agregan cuatro pulgadas de aislante en techo y muros, y se colocan ventanas de doble panel, la temperatura promedio mínima al interior de la vivienda aumenta a 15.1 ºC. 139 Capítulo 5 Resultados TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES HUITZILAC TEXT 25 (E,4,4,0.75,0.6,0,2,1) ZONA DE CONFORT 20 TEMPERATURA [ºC] (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS Gráfica 5.31.- Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac. En las gráficas 5.26 y 5.29 se observan variaciones en la temperatura interior en función del cambio de características de la envolvente para viviendas de 1 planta y 2 plantas. Para la localidad de Tlaquiltenango, se observa que para clima cálido, y para la configuración menos favorable (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1), la temperatura promedio máxima al interior de la vivienda fue de 42.5 ºC, cambiando las condiciones de la envolvente a (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2), fue de 32.7 ºC, disminuyendo 9.8 ºC. Las gráficas 5.27 y 5.30 muestran el resultado para clima templado en la comunidad de Emiliano Zapata. Para la envolvente menos favorable (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1), la temperatura promedio máxima al interior es de 40.1 ºC, para envolvente mejorada de (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2), fue de 31.1 ºC, disminuyendo 9.0 ºC. En lo que respecta a la localidad de Huitzilac en clima frio, las gráficas 5.28 y 5.31, los resultados muestran que la temperatura promedio mínima al interior de la vivienda es de 5.6 ºC, con la configuración (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1), cambiando la configuración de la envolvente a (E,4,4,0.75,0.6,0,2,2), fue de 15.8 ºC, aumentando 10.2 ºC. 140 Capítulo 5 Resultados Comparando la dinámica del comportamiento en evolución libre, con respecto al uso de sistemas de HVAC, se observa que las condiciones de respuesta a los cambios de la envolvente son diferentes, por ejemplo, considerando cargas térmicas resulta conveniente aislar toda la vivienda para disminuir las cargas térmicas de enfriamiento. Sin embargo, en evolución libre resulta contraproducente, ya que se almacenaría el calor ganado de día, y por la noche, sería mínimo el calor removido por ventilación e infiltración hacia el medio ambiente, o por radiación de onda larga al espacio y los alrededores por la noche. Considerando el uso de dispositivos de sombreado, resulta favorable utilizarlos en clima cálido y templado, su impacto es variable de acuerdo al área de la envolvente que proteja de la radiación solar. Para las configuraciones óptimas la vivienda tiene su fachada orientada al Norte, por lo que recibirán radiación solar directa sólo en una corta temporada del año, así resulta mejor proteger la superficie con orientación Sur y Oeste, aunque esto depende de las circunstancias de ubicación de la vivienda y el equilibrio con la estética. Con el análisis realizado se observa que para evolución libre y las condiciones de clima extremas (día más caluroso y día más frio), no se alcanzan temperaturas confortables dentro de las viviendas, por lo que se requerirá el apoyo de equipos de ventilación, enfriamiento, o calefacción. 5.6 CALIFICACIÓN ENERGÉTICA PARA VIVIENDAS CON SISTEMAS DE HVAC. Los resultados obtenidos, en los que se consideran todos los cambios y variaciones de parámetros de la envolvente, se utilizaron como base para determinar una escala que califique energéticamente una vivienda que utilice climatización en el Estado de Morelos. Para clima cálido, se tiene una carga térmica máxima anual desde 176 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 𝑚2 , hasta un mínimo de 27 𝑘𝑊−ℎ𝑟 𝑚2 . Entre estos valores se propone una escala, tal como se muestra en la figura 5.3, donde la letra “A” indica la mejor calificación y 141 Capítulo 5 Resultados “H” la más deficiente, las simulaciones se realizaron considerando cambios en la orientación (4), agregando aislante en techo y muros (8), realizando modificaciones a las propiedades ópticas (2), agregando dispositivos de protección solar (1), cambiando a ventanas de doble panel (2), y realizando modificaciones a las propiedades ópticas (2), y todos estos cambios para viviendas de una y dos plantas, de manera que tenemos 34 valores diferentes. Sin embargo, si definimos una escala de estos valores sería muy larga, por lo que se propone una escala con 8 rangos. CALIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LA VIVENDA Clima cálido DISEÑO EFICIENTE 0-25 A 26-50 B 51-75 C 76-100 D 101-125 E 126-150 F 151-175 G >175 H DISEÑO CON BAJA EFICIENCIA Figura 5.3.- Calificación energética para la región cálida del Estado de Morelos. Para clima templado, se encontró que la carga térmica máxima anual es de 108 𝑘𝑊−ℎ𝑟 𝑚2 , hasta un mínimo de 7.9 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 𝑚2 . La escala propuesta se muestra en la figura 5.4, también se considera la letra “A” como una calificación energética óptima y la letra “H” para una envolvente deficiente. 142 Capítulo 5 Resultados CALIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LA VIVENDA Clima templado DISEÑO EFICIENTE 0-10 11-30 31-45 46-60 61-75 76-90 91-105 >105 A B C D E F G H DISEÑO CON BAJA EFICIENCIA Figura 5.4.- Calificación energética para la región templada del Estado de Morelos. Para clima frio, se tiene una carga térmica máxima anual desde 343 hasta un mínimo de 23 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 𝑚2 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 𝑚2 , , se propone una escala de calificación como se muestra en la figura 5.5. Al igual que en los casos anteriores, se ha dividido la escala de valores en ocho rangos, donde “A” corresponde a un consumo mínimo con condiciones óptimas de la envolvente, hasta “H” que serían condiciones de un excesivo consumo de energía para confort. En términos de energía la carga térmica para calentamiento es mayor que la necesaria para enfriamiento, aproximadamente 1.94 veces la energía requerida para clima cálido, o 3.17 veces la energía requerida para clima templado. 143 Capítulo 5 Resultados CALIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LA VIVENDA Clima frio DISEÑO EFICIENTE 0-25 A 26-100 B 101-150 C 151-200 D 201-250 E 251-300 F 301-350 G >350 H DISEÑO CON BAJA EFICIENCIA Figura 5.5.- Calificación energética para la región fría del Estado de Morelos. En la tabla 5.8 se presenta una evaluación de las viviendas que se seleccionaron para este trabajo, en su condición real. Tabla 5.8.- Calificación energética para las viviendas en sus condiciones actuales. Clima Cálido Templado Frio Tipo de vivienda Una planta Dos plantas Una planta Dos plantas Una planta Dos plantas Carga térmica 𝑘𝑊 −ℎ𝑟 anual 𝑚 2 176 131 108 68 263 343 Calificación H F H E F G 5.7 CALIFICACIÓN TÉRMICA PARA VIVIENDAS EN EVOLUCION LIBRE. En este apartado se propone un método para evaluar el comportamiento térmico de las viviendas en evolución libre. Se introduce la definición de un valor denominado factor de confort térmico (𝑓ct ). A continuación se describen los criterios para su determinación. Debido a las diferentes características que se 144 Capítulo 5 Resultados presentan para clima cálido, templado, o frio, se estudia por separado cada uno de los tipos de climas. 5.7.1 Clima cálido. Para clima cálido y templado, el factor de confort térmico se define como el cociente del valor obtenido al restar la temperatura de confort a la temperatura máxima anual de la vivienda entre la diferencia de la temperatura de confort y la temperatura ambiente máxima anual. 𝑓ct = ∆𝑇 𝑣𝑐 ∆𝑇 𝑎𝑐 …………ec. 5.1 donde: ∆𝑇 𝑣𝑐 ∆𝑇 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎ñ𝑜 − 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑡 … . . 𝑒𝑐. 5.2 𝑎𝑐 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎ñ𝑜 − 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑡 … … . . 𝑒𝑐. 5.3 Suponiendo la temperatura de confort como los límites mínimo y máximo propuestos por ASHRAE (2004): Temperatura límite para calentamiento en 19 ºC y temperatura máxima para enfriamiento en 27 ºC. La comparación entre los valores de ∆𝑇 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎 y ∆𝑇 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 se debe realizar para el día más caluroso del año, y en función del valor obtenido del 𝑓ct se establecerá una escala de valores para calificar la calidad térmica de la vivienda. En la tabla 5.9 se presentan las temperaturas exterior e interior para la comunidad de Tlaquiltenango (19 de Abril del año 2007) y los factores de confort térmico, la temperatura ambiente máxima fue de 38.7 °C, la temperatura al interior de la vivienda con una envolvente de baja calidad térmica se calculó en 42.5 °C, sin embargo, en condiciones óptimas de la vivienda la temperatura tendría como máximo 32.7 °C. 145 Capítulo 5 Resultados Tabla 5.9.- Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para las viviendas en la localidad de Tlaquiltenango en diferentes configuraciones de la envolvente. HORA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 TEXT 28.4 27.6 26.0 24.1 22.2 20.5 18.9 18.9 21.5 25.6 29.2 31.1 33.4 34.6 35.9 36.6 37.4 38.4 38.0 35.1 32.2 30.6 30.0 27.4 28.0 fct (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 35.3 34.1 32.9 31.6 30.3 28.9 27.5 26.3 26.1 26.8 28.0 29.5 31.1 32.7 34.5 36.7 38.8 40.8 42.2 42.5 41.4 39.9 38.5 36.9 35.5 (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 32.6 31.7 30.8 29.8 28.7 27.6 26.4 25.4 25.7 26.9 28.4 30.0 31.4 32.5 33.6 34.9 36.2 37.4 38.3 38.4 37.6 36.2 35.0 33.6 32.6 (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) 31.3 30.7 30.1 29.4 28.6 27.7 26.8 26.0 26.0 26.6 27.4 28.3 29.2 30.1 30.9 31.9 32.7 33.5 34.2 34.3 33.8 33.2 32.6 31.8 31.3 (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 31.3 31.1 30.9 30.6 30.2 29.9 29.5 29.2 29.6 30.2 30.7 31.1 31.3 31.5 31.8 32.1 32.3 32.6 32.7 32.7 32.5 32.3 32.2 31.9 31.7 1.36 1.00 0.64 0.5 Nótese que al evaluar la vivienda con mejor envolvente, disminuye el valor del factor de confort térmico. Para clima cálido con las condiciones de una envolvente deficiente de la vivienda, el factor de confort térmico tiene un valor máximo de 1.36, y para una envolvente mejorada se obtiene un valor mínimo de 0.5. Con base en estas diferencias se establece una escala de calificación de la calidad térmica de las viviendas para clima cálido para el Estado de Morelos (figura 5.6), se asigna la letra “A” para las condiciones óptimas de la envolvente y una buena calidad térmica de la vivienda, la letra “H” para una baja calidad de la envolvente de la vivienda. 146 Capítulo 5 Resultados CALIFICACIÓN TÉRMICA DE LA VIVENDA Clima cálido (Factor de confort térmico) CALIDAD TÉRMICA 0-0.50 A 0.51-0.80 B 0.81-0.90 C 0.91-1.00 D 1.01-1.10 E 1.11-1.20 F 1.21 -1.30 G >1.30 H BAJA CALIDAD TÉRMICA Figura 5.6.- Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para la región cálida del Estado de Morelos. 5.7.2 Clima templado. Para clima templado, también se utiliza la ecuación 5.1, y los mismos límites de temperaturas para confort que para clima cálido. En la tabla 5.10 se muestran los valores de las temperaturas ambiente e interiores para la comunidad de Emiliano Zapata con los datos del día 19 de Abril del año 2007. La temperatura ambiente máxima fue de 38.4 °C, y en el interior de la vivienda se calculó una temperatura de 40.1 ºC para las condiciones de una envolvente deficiente, sin embargo, implementando mejoras en la envolvente se calculó una temperatura interior máxima de 31.1 °C. 147 Capítulo 5 Resultados Tabla 5.10.- Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para la vivienda en la localidad de Emiliano Zapata en diferentes configuraciones de la envolvente. HORA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tamb. 23.1 22.7 21.5 21.9 20.9 20.7 19.8 18.8 20.4 24.9 27.2 28.9 30.6 32.4 33.6 34.1 34.8 34.8 34.5 32.9 29.6 28.5 25.3 22.7 27.7 fct (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 32.7 31.3 29.9 28.8 27.7 26.6 25.6 24.7 24.2 24.9 26.2 27.7 29.4 31.0 32.8 34.9 37.0 38.9 40.1 39.8 38.7 37.6 36.0 34.3 33.3 1.68 CONFIGURACIÓN (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) 30.6 29.1 29.4 28.4 28.3 27.6 27.4 27.0 26.5 26.4 25.7 25.8 25.0 25.3 24.2 24.6 23.8 24.4 24.5 25.1 25.9 26.1 27.4 27.0 29.0 27.9 30.3 28.7 31.7 29.5 33.2 30.4 34.8 31.3 36.2 32.2 37.2 32.8 36.9 32.7 35.9 32.1 34.7 31.6 33.4 30.8 31.9 29.9 31.0 29.6 1.31 0.74 (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 29.5 29.2 28.9 28.7 28.4 28.2 27.9 27.6 27.5 28.1 28.7 29.2 29.5 29.6 30.0 30.2 30.6 30.9 31.1 31.0 30.8 30.7 30.4 30.1 30.1 0.53 Al igual que en clima cálido, al mejorar las propiedades térmicas de la envolvente, disminuye el valor del factor de confort térmico. Para clima templado con las condiciones de una envolvente deficiente de la vivienda, el factor de confort térmico tiene un valor máximo de 1.68, y un valor mínimo de 0.53 para una envolvente mejorada. Con base en esas diferencias se establece una escala de calificación de la calidad térmica de las viviendas para clima templado para el Estado de Morelos (figura 5.7). 148 Capítulo 5 Resultados CALIFICACIÓN TÉRMICA DE LA VIVENDA Clima templado (Factor de confort térmico) CALIDAD TÉRMICA 0-0.60 A 0.61-0.80 B 0.81-0.90 C 0.91-1.00 D 1.01-1.20 E 1.21-1.40 F 1.41 -1.60 G >1.60 H BAJA CALIDAD TÉRMICA Figura 5.7.- Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para clima templado del Estado de Morelos. 5.7.3 Clima frio. Dependiendo del clima y las propiedades de la envolvente, la temperatura en el interior de la vivienda puede ser igual, mayor, o menor que la temperatura al exterior. Para clima frio, si la temperatura interior es igual o por abajo de la temperatura ambiente, es debido a una baja calidad térmica de la envolvente, o si la temperatura al interior es mayor que la temperatura del ambiente, la envolvente tiene una buena calidad térmica. Para definir una escala de valores, se utilizan las ecuaciones 5.4 a 5.6, los valores de (∆T)vf y (∆T)af se deben obtener del día más frio del año. Para clima frio, el factor de confort térmico se define como el cociente del valor obtenido al restar la temperatura de confort a la temperatura mínima anual de la vivienda entre la diferencia de la temperatura de confort y la temperatura ambiente máxima anual. 𝑓𝑐𝑡 = ∆𝑇 𝑣𝑓 ∆𝑇 𝑎𝑓 ………………. ec. 5.4 donde: 149 Capítulo 5 Resultados ∆𝑇 𝑣𝑓 ∆𝑇 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑡 − 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎 … … 𝑒𝑐. 5.5 𝑎𝑓 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑡 − 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 … … 𝑒𝑐. 5.6 En la tabla 5.11 se presentan las temperaturas exterior e interiores para la comunidad de Huitzilac con los datos del día 13 de Febrero del año 2007. La temperatura ambiente mínima fue de 0.7 ºC, con una envolvente deficiente la temperatura al interior de la vivienda se calcula en 7.5 °C, sin embargo, mejorando la envolvente, se tendrían mejores condiciones de confort térmico, con una temperatura interior mínima de 15.8 ºC. Tabla 5.11.- Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para la vivienda en la localidad de Huitzilac en diferentes configuraciones de la envolvente. HORA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 TEXT 5.6 4.2 2.6 2.2 2.2 2.5 1.2 0.7 0.7 4.6 11.9 14.1 14.2 14.6 15.3 15.6 15.8 16.2 15.6 13.2 10.3 8.6 8.9 8.3 6.3 ftc (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 14.2 13.1 12.1 11.1 10.2 9.5 8.7 8.0 7.5 7.9 9.5 11.7 13.6 15.3 16.8 18.3 19.7 20.8 21.6 21.1 19.7 18.3 17.0 15.9 14.7 (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 14.6 13.2 11.8 10.5 9.4 8.4 7.4 6.5 5.7 5.8 7.2 9.2 11.2 13.2 15.2 17.2 19.1 20.7 21.8 21.6 20.5 19.2 17.8 16.6 15.2 (E,4,4,0.75,0.6,0,2,1) 17.4 17.1 16.8 16.5 16.2 16.0 15.7 15.4 15.2 15.6 16.6 17.5 17.8 18.0 18.3 18.8 19.4 19.8 20.2 19.7 19.1 18.9 18.6 18.4 18.1 0.73 0.63 0.21 (E,4,4,0.75,0.6,0,2,2) 17.5 17.3 17.0 16.8 16.6 16.4 16.2 15.9 15.8 16.0 16.7 17.3 17.7 18.1 18.4 18.8 19.1 19.3 19.5 19.2 18.9 18.7 18.5 18.4 18.1 0.17 Nótese que al mejorar las propiedades térmicas de la envolvente, el factor de confort térmico disminuye, desde 0.73 hasta 0.17, en función de ese 150 Capítulo 5 Resultados comportamiento se propone la escala para calificar la calidad térmica de las viviendas para clima frio en el Estado de Morelos, figura 5.8. CALIFICACIÓN TÉRMICA DE LA VIVENDA Clima frio (Factor de confort térmico) CALIDAD TÉRMICA 0-0.20 A 0.21-0.25 B 0.26-0.30 C 0.31-0.40 D 0.41-0.50 E 0.51-0.60 F 0.61 -0.70 G >0.70 H BAJA CALIDAD TÉRMICA Figura 5.8.- Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para clima frio del Estado de Morelos. En la gráfica 5.32 se muestran algunos valores del factor de confort térmico, representativos para las localidades con los tres climas considerados. 1.8 1.68 Factor de confort térmico 1.6 1.4 1.36 1.31 1.2 1 HUITZILAC 1 0.8 0.6 0.4 0.74 0.73 0.64 0.63 0.53 0.5 TLAQUILTENANGO E. ZAPATA 0.21 0.17 0.2 0 Gráfica 5.32.- Factores de confort térmico representativos para la calificación térmica de las viviendas en el Estado de Morelos. 151 Capítulo 5 Resultados En la tabla 5.11 se presenta una evaluación de las viviendas que se seleccionaron para este trabajo, en su condición real. Tabla 5.11.- Calificación térmica para las viviendas, sin modificaciones en la envolvente, en evolución libre. Clima Cálido Templado Frio Tipo de vivienda Una planta Dos plantas Una planta Dos plantas Una planta Dos plantas Factor de confort Calificación térmico 𝑓ct 1.36 H 1.00 D 1.68 H 1.31 F 0.73 H 0.63 G 152 Conclusiones CAPITULO 6 CONCLUSIONES GENERALES Se realizaron mapeos de clima en el Estado de Morelos, se encontró que las condiciones del clima tienen cambios significativos. Para el año 2007 la temperatura promedio anual en la zona Sur fue de 25º C y en el extremo Noroeste de 12º C; para radiación solar en la zona Sureste se registro un promedio diario anual de 6.4 tuvieron 4.7 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 𝑘𝑊ℎ𝑟 𝑚2 ; mientras que el Noroeste solo se ; en cuanto a la humedad, para el sur se registró un promedio anual de 53%, y para el Noroeste fue de 75%. Se validaron simulaciones con TRNSYS® de un recinto perteneciente a un edificio con una envolvente de alta masa térmica, el cual forma parte de la Plataforma Solar de Almería (PSA), que se encuentra en el desierto de Tabernas en España. Para validar la simulación los resultados fueron comparados con datos medidos experimentalmente. Se simuló la temperatura al interior del recinto, con muy buena aproximación respecto a las mediciones, la diferencia máxima fue del 4.5%. Se realizó un análisis sobre la demanda de vivienda en el Estado de Morelos, por medio del cual se decidió seleccionar dos viviendas, una de una planta y otra de dos plantas. Se realizaron simulaciones para evaluar las cargas térmicas, de las dos viviendas, en primer término no se consideraron modificaciones en la envolvente. Se obtuvieron resultados sobre las variaciones de las cargas térmicas en función de la orientación, se concluye que, para clima cálido y templado, la mejor orientación es con la fachada al Norte (eje alargado Este-Oeste); sin embargo, para clima frio, el efecto del cambio de orientación sobre la carga térmica es mínimo, la mejor orientación resulta ser con la fachada al Este. También se encontró que para clima cálido y templado es mejor tener viviendas de dos plantas, para 153 Conclusiones clima frio resulta mejor la vivienda de una planta, debido a que la superficie que recibe mayor cantidad de radiación solar es el techo. También se realizaron simulaciones en evolución libre, para evaluar las temperaturas del aire al interior de las viviendas, sin considerar modificaciones en la envolvente. Las condiciones más favorables para el confort se presentan para las mismas orientaciones que para el caso de cargas térmicas. Considerando cambios en la envolvente de las viviendas, los resultados muestran que para clima cálido y templado, el factor que tiene mayor impacto sobre las cargas térmicas es la absortancia de la superficie del techo, también se tiene un efecto considerable al adicionar una pulgada de aislante en el techo, la configuración más favorable se encuentra, combinando estas dos alternativas. Para clima frio, la configuración más favorable se encuentra cubriendo la envolvente con aislante de cuatro pulgadas y colocando ventanas de doble panel. Comparando la dinámica del comportamiento en evolución libre, con respecto al uso de sistemas de HVAC, se observa que las condiciones de respuesta a los cambios de la envolvente son diferentes. Por ejemplo, considerando cargas térmicas para enfriamiento, resulta conveniente aislar toda la vivienda, sin embargo, en evolución libre resulta contraproducente, ya que se almacenaría el calor ganado de día, y por la noche, sería mínimo el calor removido por ventilación e infiltración hacia el medio ambiente, o por radiación de onda larga al espacio y los alrededores. Con base en los valores obtenidos de las simulaciones considerando cambios de parámetros en la envolvente de las viviendas, y la utilización de sistemas de HVAC, se propone una escala de calificación energética para la vivienda en los tres climas: cálido, templado y frio del Estado de Morelos. 154 Conclusiones Finalmente se propone un método para evaluar el comportamiento térmico de las viviendas en evolución libre, para lo cual se introduce la definición de un valor denominado factor de confort térmico (𝑓ct ). Por medio del cual se establece el rango de valores para la calificación térmica de las viviendas en los tres climas del Estado de Morelos. 155 Bibliografía BIBLIOGRAFÍA Aguilar, R.J., Collares-Perreira, R., and Conde, J.P., Simple procedure for generating sequences of daily radiation values using a library of markov transition matrices, Solar Energy 40(3), 269-279, 1988. Air-Conditioning and Refrigeration Institute, “Manual de Refrigeración y Aire Acondicionado”, Prentice Hall, México, 1999. Ambriz J., Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa; “Curso de Ahorro de energía en sistemas de aire acondicionado y refrigeración”; ATPAE-FIDE; México; pp. 25-30: 1996. ANSI/ASHRAE, standard 62, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, 2001. Asan H., Sancaktar Y., “Effects of Wall‟s thermophysical properties on time lag and decrement factor” Energy and Buildings, Volumen 28. pp. 159-166, 1998. 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