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Primer Foro de Ahorro en Puerto Escondido, Oax.
Agradecemos la Distinguida Presencia a la
Presentación de:
Ahorro de Energía Eléctrica en
Sistemas de Aire Acondicionado
Agosto 25, 2011
Aire Acondicionado
• Es una operación energética
cuya manifestación en el
consumo de energía es
eléctrica,
• El manejo para disminuirlo es
térmico.
• Puede representar el 20% de los
costos de construcción de un
edificio.
• En climas calurosos puede llegar
a ser el mayor consumidor de
energía.
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50
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Q (m3/h)
I (W/m2)
Aire Acondicionado
• Debe proporcionar confort
Temperatura
Humedad
Limpieza, Ventilación
Sin olores, ni partículas
Temperatura exterior.
Radiación solar. Su efecto se traducirá siempre en un
calentamiento o ganancia de calor.
Iluminación artificial. produce calentamiento o ganancia de
calor, en virtud de su eficiencia de conversión.
Maquinaria y Equipos. produce calentamiento o ganancia de
calor.
Personas. una ganancia de calor que depende del tipo de
actividad desarrollada.
Las Causas
Temperatura
• Escalas comunes de temperaturas son la Celsius y la
Fahrenheit,
• La escala Celsius usa la unidad
"Grado Celsius" (cuyo símbolo es ºC) que es igual en amplitud a
la unidad "kelvin“ K
• Kelvin es un sistema de referencia absoluta para la medición de
temperaturas.
• En 0 Kelvin la materia carece de movimiento
• Toda la materia es sólida
Si Tc representa la temperatura Celsius entonces
Tc = TK - 273.15
TK = TC + 273.15
La Tonelada de Refrigeración.
Una Toneladas de Refrigeración (TR),
es la potencia frigorífica capaz de congelar
una tonelada de agua de 0°C hasta hielo a 0°C,
en un intervalo de tiempo de 24 horas.
1 TR = 12,000 BTU / h o bien 200 BTU / min
1 TR = 211 kJ / min =12,660 kJ /h = 3.516 kW
1 TR = 50.4 kcal / min = 3024 kcal /h = 72,576 kcal / día
Relación de Eficiencia Energética [REE]
Índice que manifiesta la potencia eléctrica que debe
absorber un equipo de refrigeración para producir
una tonelada de refrigeración.
kiloWatt /Tonelada de Refrigeración un equipo es
más eficiente entre menor sea este indicador.
)TR(nfrigeracióRedeToneladas
)kW(queridaReEléctricaPotencia=EnergéticaEficienciadelaciónRe
)TR(nfrigeracióRedeToneladas
)kW(queridaReEléctricaPotencia=EnergéticaEficienciadelaciónRe
Reciprocante Centrifugo 60´s Actual
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Reciprocante Centrifugo 60´s Actual
La Norma NOM-021-
ENER/SCFI/ECOL-2000,
especifica la Relación de
Eficiencia Energética (REE).
Los aparatos sujetos al cumplimiento de
esta Norma, deben tener un valor de REE
mayor o igual que los valores
especificados en la Tabla.
REE W/W
Térmico/Elec
REE (TR
/kWElec)}
REE (TR /HP
Elec)}BTUh/W
Equivalente
kW/TR
Elec/Térmico
1 0.28 0.38 3.41 3.52
1.2 0.34 0.46 4.09 2.93
1.4 0.40 0.53 4.78 2.51
1.6 0.45 0.61 5.46 2.20
1.8 0.51 0.69 6.14 1.95
2 0.57 0.76 6.82 1.76
2.2 0.63 0.84 7.51 1.60
2.4 0.68 0.91 8.19 1.47
2.6 0.74 0.99 8.87 1.35
2.8 0.80 1.07 9.55 1.26
3 0.85 1.14 10.24 1.17
3.2 0.91 1.22 10.92 1.10
3.4 0.97 1.30 11.60 1.03
3.6 1.02 1.37 12.28 0.98
3.8 1.08 1.45 12.97 0.93
4 1.14 1.52 13.65 0.88
4.2 1.19 1.60 14.33 0.84
4.4 1.25 1.68 15.01 0.80
4.6 1.31 1.75 15.70 0.76
4.8 1.36 1.83 16.38 0.73
5 1.42 1.91 17.06 0.70
5.2 1.48 1.98 17.74 0.68
5.4 1.54 2.06 18.42 0.65
5.6 1.59 2.13 19.11 0.63
5.8 1.65 2.21 19.79 0.61
6 1.71 2.29 20.47 0.59
6.2 1.76 2.36 21.15 0.57
6.4 1.82 2.44 21.84 0.55
6.6 1.88 2.52 22.52 0.53
6.8 1.93 2.59 23.20 0.52
7 1.99 2.67 23.88 0.50
Equivalencias
Formas de transferencia de calor
• Conducción
• Convección
• RadiaciónConducción
|x
)T - T(kA- = q 21
q = (T - T )
x
k A +
x
k A +
x
k A
1 4
A
A
B
B
C
C
MATERIALES DE CONSTRUCCION K
(W/m°C)
Muro de tepetate o arenisca calcárea al
interior0.93
Muro de adobes al exterior 0.93
Muro de adobes al interior 0.582
Muro de embarro (con paja - carrizo) 0.465
Granito, basalto 3.49
Piedra de cal, mármol 2.442
Piedra porosa como arenisca y caliza blanda
o arenosa2,326
Yeso 0.372
Adobe 0.93
Concreto armado 1.74
Concreto pobre al exterior 1.28
Vidrio 1.81
Paredes compuestas
Convección
q = h A (T - T )s
Fenómeno h (W/m2°C)
(Btu/hr-
pie2°F)
Convección natural, aire. de 5 a 25 de 1 a 5
Convección forzada, aire. 10-500 2-100
Convección forzada, agua. 100-15000 20-3000
Agua en ebullición. 2500-25000 500-5000
Condensación de vapor de
agua.500-100000 1000-20000
Tabla. Valores de coeficientes de transferencia de calor por
Valores de Emitancia
q = T4
Material Emitancia
Aluminio Oxidado 0.12
Aluminio Pulido 0.05
Cromo 0.17
Cobre pulido 0.05
Cobre oxidado 0.83
Hielo 0.97
Hierro Pulido 0.08
Hierro Oxidado 0.66
Ladrillo 0.9
Papel Blanco 0.95
Pintura Amarilla 0.95
Pintura Blanca 0.95
Pintura Roja 0.96
Plata pulida 0.02
Oro pulido 0.02
Ventilación.Mediante la ventilación se mantiene y controla
el grado de pureza del aire de un recinto;
además, se ayuda a mantener niveles aceptables
de temperatura y humedad.
Conducción a través de la estructura exterior.
Qp = U*Ap*DTCE
donde :
Qp = flujo de calor (kcal/h):
U = coeficiente global de transmisión (kcal/h * m2 * oC)
Ap = superficie considerada (m2).
DTCE = diferencia de temperatura para carga de enfriamiento (oC).
Calculo de la Resistencia Térmica (U) para Techos
Y Muros
U: coeficiente global de transmisión
Depende de los materiales de construcción
n
1/U = (1 / hi ) + (ei / Ki) + (1 / he )
i =1
hi : coeficiente de transferencia de calor por convección interior
he: coeficiente de transferencia de calor por convección exterior
ei : Espesor de los diferentes materiales que componen el techo o pared
Ki : Conductividad térmica de los diferentes materiales que componen el
techo o muro (W/m°C)
Las fórmulas se simplifican con:
Techos: hi = 5.8 W / m2 °C
he = 23.3 W / m2 °C (vel. viento = 2 m/s)
Muros: hi = 8.1 W / m2 °C
he = 23.3 W / m2 °C (vel. viento = 2 m/s)
La siguiente imagen representa los materiales de construcción de una pared,
en la tabla de presentan las características térmicas de los mismos.
Calculo de la Resistencia TérmicaParedes Material Espesor (m) k W/mC
interior 1 2 3 exterior Capa 1 Azulejo (marmolina) planchado 0.01 1.047
Capa 2 Tabique gris de arena y grava 0.1 0.872
Capa 3 Cemento y Arena 0.01 0.814
Coeficiente de transmisión de calor por convección
h interior aire W/m2 C 8.10
h exterior aire W/m2 C 23.30
Coeficiente Global U (W/Cm2) 3.30
2mC
w3.3U
3.23
1
814.0
01.0
872.0
1.0
047.1
01.0
1.8
1
U
1
MATERIALES DE CONSTRUCCIONDENSIDAD K MATERIALES DE CONSTRUCCIONDENSIDAD K
(Kg/m3) (W/m°C) (Kg/m3) (W/m°C)
Siporex al exterior con recubri--
Muro de ladrillo al exterior 0.872 miento impermeable por fuera. 660 -0.209
Muro de ladrillo al exterior con 510 0.163
recubrimiento impermeable por 410 0.14
fuera. 0.768 Siprex al interior en espacio
Muro de ladrillo interiores 0.698 seco. 660 0.186
Muro de ladrillo comprimido vi- 510 0.151
driado para acabado aparente, 410 0.128
extrior. 1.28 Concreto armado 2,300 1.74
Muro de tabique ligero con recu- Concreto pobre al exterior 2,200 1.28
brimiento impermeable por fuera. 1,600 0.698 Concreto ligero al exterior 1,250 0.698
1,400 0.582 Concreto ligero al interior 1,250 0.582
1,200 0.523 Concreto ligero al exterior 800 0.465
1,000 0.407 Concreto ligero al interior 800 0.349
Muro de tabique ligero al exte-- Muro de tepetate o arenisca
rior. 1,600 0.814 calcárea al exterior 1.047
Placas de asbesto cemento 1,800 0.582
Conductividad térmica (k) Varios materiales
Ejemplo de coeficiente global de transmisión
Dimensiones Alto Largo Area Orientación
Recamara 1 m m m2
Pared SO 2.3 14.65 33.70 SO
Pared SE 2.3 6.63 15.25 SE
Pared NE 2.3 14.65 33.70 NE
Pared NO 2.3 6.63 15.25 NO
Ventana SE 1.36 1.36 1.86 SE
Techo 88.78
Coeficiente Global de Transferencia de Calor
CASA SIN AISLAMIENTOMaterial de paredes y techo. U (W/°Cm
2)
Paredes, tabique gris de arena y grava, recubierto de una 1.991
capa de arena y cemento
Techo de loza de concreto con recubrimiento impermeabilizante y yeso en el interior 2.896Vidrio sencillo 3 mm de espesor 5.893
Puerta de madera de 3.8 cm de espesor 0.9
CASA CON AISLAMIENTO
Material de paredes y techo. U (W/°Cm2)
Paredes, tabique gris de arena y grava, recubierto de capa de arena y cemento 1.991
Techo de loza de concreto con aislante térmico de poliuretano espreado
de 1 1/4" recubrimiento impermeabilizante y yeso en el interior 0.445Vidrio sencillo 3 mm de espesor 5.893
Puerta de madera de 3.8 cm de espesor 0.9
Ganancia de Calor solar a través de vidrios.
Q = GM x A x CS
Donde.
GM: Ganancia máxima de radiación solar.
A: Area total de vidrio
CS=Coeficiente de sombreado
(cantidad proporcional GM,
debido a sombreado,
película reflejante o persianas).
Epoca Orientación 0� 10� 20� 30� 40� 50�
N 92 43 38 38 38 57
NE 382 352 320 292 276 317
E 442 442 447 447 439 442
24-ago SE 214 254 306 349 396 387
y S 38 38 38 170 276 287
20-abr SO 214 254 306 349 396 387
O 442 442 447 447 439 442
NO 382 352 320 292 276 317
Horizontal 664 678 669 637 580 572
N 38 38 38 38 38 32
NE 320 279 235 244 157 157
E 452 444 442 428 404 374
22-sep SE 320 344 379 412 439 442
y S 38 75 176 284 379 428
22-mar SO 320 344 379 412 439 442
O 452 444 442 428 404 374
NO 320 279 235 244 157 157
Horizontal 678 669 631 574 496 401
Ganancias por infiltraciones y ventilación.
Qs = Cpa ma (T2 - T1)a
donde
Qs : calor sensible agregado o eliminado del aire
Cpa : calor específico del aire = 1.005 kJ/kg °C (desde 0
hasta 38°C)
ma : flujo másico del aire = Velocidad x área
(T2 - T1)a : cambio de temperatura aire
La densidad del aire es 1.29 kg/m3 a 0°C y 1.14 a 38°C
Ganancias debidas a equipos calientes.
La carga térmica se calcula con la expresión:
q = h A (T - T )s
Donde:
h = Coeficiente de transferencia de calor por convección .
Su valor puede estar comprendido en rango de 5 a 25 W/m2°K,
dependiendo del tipo de superficie y siempre que no exista un flujo de aire,
es decir que se trate de convección natural.
Ts es la temperatura de la superficie caliente.
T∞ es la temperatura del medio ambiente
A es el área de la superficie caliente.
Cálculo de la carga térmica
Q total. = (qp + qt + qvent + qinf + qocup + qalum + q equip )
Se expreso en Toneladas de Refigeración
1 TR = 12,000.00 Btu/hr = 3,024.2 Kcal/hr
Reducir las ganancia a través de techos
y paredes exteriores.
Qp = U*A*DTCE
donde :
Qp = flujo de calor
U = coeficiente global de transmisión
Depende de los materiales de construcción,
A = superficie considerada
DTCE = diferencia de temperatura corregida
Ejemplo de coeficiente global de transmisión
Dimensiones Alto Largo Area Orientación
Recamara 1 m m m2
Pared SO 2.3 14.65 33.70 SO
Pared SE 2.3 6.63 15.25 SE
Pared NE 2.3 14.65 33.70 NE
Pared NO 2.3 6.63 15.25 NO
Ventana SE 1.36 1.36 1.86 SE
Techo 88.78
Coeficiente Global de Transferencia de Calor
CASA SIN AISLAMIENTOMaterial de paredes y techo. U (W/°Cm
2)
Paredes, tabique gris de arena y grava, recubierto de una 1.991
capa de arena y cemento
Techo de loza de concreto con recubrimiento impermeabilizante y yeso en el interior 2.896Vidrio sencillo 3 mm de espesor 5.893
Puerta de madera de 3.8 cm de espesor 0.9
CASA CON AISLAMIENTO
Material de paredes y techo. U (W/°Cm2)
Paredes, tabique gris de arena y grava, recubierto de capa de arena y cemento 1.991
Techo de loza de concreto con aislante térmico de poliuretano espreado
de 1 1/4" recubrimiento impermeabilizante y yeso en el interior 0.445Vidrio sencillo 3 mm de espesor 5.893
Puerta de madera de 3.8 cm de espesor 0.9
Comparación Carga Termica en una Casa
CASA SIN AISLAMIENTO CASA CON AISLAMIENTO
TIPOQ Tonelada
Refrigeración
%
ParticipaciónTIPO
Q Tonelada
Refrigeración
%
Participación
Conducción Exterior - Interior Conducción Exterior - Interior
Pared SO 0.243 4.82% Pared SO 0.243 13.59%
Pared SE 0.099 1.96% Pared SE 0.099 5.53%
Pared NE 0.224 4.46% Pared NE 0.224 12.56%
Pared NO 0.110 2.18% Pared NO 0.110 6.15%
Ventana SO 0.040 0.79% Ventana SO 0.040 2.22%
Techo 3.836 76.23% Techo 0.590 33.02%
Subtotal 4.55 90.44% Subtotal 1.31 73.07%Conducción Interior - Interior Conducción Interior - Interior
Pared SO 0.000 0.00% Pared SO 0.000 0.00%
Pared SE 0.000 0.00% Pared SE 0.000 0.00%
Pared NE 0.000 0.00% Pared NE 0.000 0.00%
Pared NO 0.000 0.00% Pared NO 0.000 0.00%
Ventana SO 0.000 0.00% Ventana SO 0.000 0.00%
Techo 0.000 0.00% Techo 0.000 0.00%
Subtotal 0.00 0.00% Subtotal 0.00 0.00%
Radiación Radiación
Ventana SO 0.044 0.88% Ventana SO 0.044 2.49%
Equipos 0.15 3.06% Equipos 0.15 8.63%
Personas 0.16 3.14% Personas 0.16 8.84%
Infiltraciones 0.12 2.47% Infiltraciones 0.12 6.97%
TOTAL en TR 5.03 100.00% TOTAL en TR 1.79 100.00%
Medición eléctrica en la misma casa
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
0:0
0
0:5
0
1:4
0
2:3
0
3:2
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4:1
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5:5
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6:4
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7:3
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8:2
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:00
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:20
Hora
Po
ten
cia
(kW
)
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
0:0
0
0:5
0
1:4
0
2:3
0
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0
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6:4
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22
:30
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:20
Hora
Po
ten
cia
(k
W)
Antes Con Aislamiento
POLIURETANO
Factor R : Resistencia a la conductividad térmica
El poliuretano espreado (espuma de poliuretano) aísla contra el calor en mayor medida que el poliestireno, la fibra de vidrio, y la lámina mineral.
Comparación Carga Termica en una Casa
CASA SIN AISLAMIENTO CASA CON AISLAMIENTO
TIPOQ Tonelada
Refrigeración
%
ParticipaciónTIPO
Q Tonelada
Refrigeración
%
Participación
Conducción Exterior - Interior Conducción Exterior - Interior
Pared SO 0.243 4.82% Pared SO 0.243 13.59%
Pared SE 0.099 1.96% Pared SE 0.099 5.53%
Pared NE 0.224 4.46% Pared NE 0.224 12.56%
Pared NO 0.110 2.18% Pared NO 0.110 6.15%
Ventana SO 0.040 0.79% Ventana SO 0.040 2.22%
Techo 3.836 76.23% Techo 0.590 33.02%
Subtotal 4.55 90.44% Subtotal 1.31 73.07%Conducción Interior - Interior Conducción Interior - Interior
Pared SO 0.000 0.00% Pared SO 0.000 0.00%
Pared SE 0.000 0.00% Pared SE 0.000 0.00%
Pared NE 0.000 0.00% Pared NE 0.000 0.00%
Pared NO 0.000 0.00% Pared NO 0.000 0.00%
Ventana SO 0.000 0.00% Ventana SO 0.000 0.00%
Techo 0.000 0.00% Techo 0.000 0.00%
Subtotal 0.00 0.00% Subtotal 0.00 0.00%
Radiación Radiación
Ventana SO 0.044 0.88% Ventana SO 0.044 2.49%
Equipos 0.15 3.06% Equipos 0.15 8.63%
Personas 0.16 3.14% Personas 0.16 8.84%
Infiltraciones 0.12 2.47% Infiltraciones 0.12 6.97%
TOTAL en TR 5.03 100.00% TOTAL en TR 1.79 100.00%
Tipos de Equipos de Aire Acondicionado
Equipos Individuales
Unidades de Ventana
Unidades Mini- Split
Equipos Paquete
Equipos Compartidos o Centrales
Unidades Multi- Split
Equipos de Expansión Directa
Generadores de agua helada enfriados por aire
Generadores de agua helada enfriados por agua
Unidades Paquete (Expansión Directa)
Compacto Convertible
Modelo: TCC Refrigerante: R22 Aplicación: Residencial, Comercial, Centro Comercial, Hotel, Hipermercado, Comercial / Industrial Capacidad: 1 1/2 a 5 Toneladas
Voyager
Modelo: TCD Descarga Vertical - TCH Horizontal Refrigerante: R22 Aplicacón: Residencial, Comercial, Industrial, Centro Comercial, Hipermercado, Comercial / Industrial Capacidad: 3 a 25 Toneladas (disponibilidad alta eficiencia)
IntelliPak
Modelo: SFHF, SXHG Refrigerante: R22 Aplicación: Industrial, Farmacéutica, Centro Comercial, Petroquímica, Hospital, Hipermercado, Comercial / Industrial Capacidad: 20 a 130 Toneladas
Voyager Alta Capacidad
Modelo: TCD Descarga Vertical - TCH Horizontal Refrigerante: R22 Aplicación: Comercial, Industrial, Centro Comercial, Petroquímica, Hospital, Hipermercado, Comercial / Industrial Capacidad: 27 a 50 tons (disponibilidad alta eficiencia)
Ventajas y Desventajas de los diferentes tipos de equipos.
Tipo de
EquipoAplicaciones Ventajas Desventajas
Cuartos
IndividualesEconómicos Son ruidosos
Ventana Recamaras No requiere ductos Mayor consumo de energía???
Usos Esporádicos Acondicionamiento IndividualPara una gran instalación sería
costosa su operación
Algunos cuentan con control de
temperatura.
Mayor mantenimiento con mayor
uso
Cuartos
IndividualesAcondicionamiento Individual Mayor Costo de Compra
Recamaras No requiere ductos Mayor consumo de energía???
Salas y
comedoresMayor sensación de confort
Para una gran instalación sería
costosa su operación
Mini SplitOficinas
PequeñasOperación silenciosa
Requieren espacio adicional
para el condensador
Usos Esporádicos Cuentan con Temporizador
Una mala ubicación del
condensador incrementa el
consumo de energía
Bibliotecas Son programablesNo incluyen un retorno de aire al
exterior
Amplia gama de modelos No ayudan a la ventilación
Salas de JuntasCuentan con control de
temperatura.
No es adecuado para lugares
donde se vicie el aire.
Ventajas y Desventajas de los diferentes tipos de equipos.
Tipo de
EquipoAplicaciones Ventajas Desventajas
OficinasAcondicionamiento para varias
áreasMayor Costo de Compra
Una vivienda
completa
Menor consumo de energía que
el equivalente de Equipos
Ventana y Mini Split
Requiere ductos de inyección y
retorno
Laboratorios No
Controlados
Acondicionamiento a zonas más
grandesMayor mantenimiento
Unidades
Paquete
Centros
Comerciales
Mayor capacidad en un solo
equipo
Es compleja la lógica de control
en ductos
Edificios
pequeños y
medianos
Amplia gama de tamaños
Una mala ubicación del
condensador incrementa el
consumo de energía
Bibliotecas Pueden automatizarseDesperdicio de energía en malas
instalaciones
EscuelasLos ductos de inyección deben ir
aislados
Salas de Juntas
Ventajas y Desventajas de los diferentes tipos de equipos.
Tipo de Equipo Aplicaciones Ventajas Desventajas
Grandes
Consumidores de
Aire
Acondicionado
Acondicionamiento para varias áreasMayor costo de compra y de
inversión del todo el sistema
Industrias
Menor consumo de energía que el
equivalente de Equipos Ventana,
Mini Split y Paquetes
Requiere bombas, tuberías,
manejadoras de aire, válvulas,
sistemas control, ductos de inyección
y retorno
Sistemas
Centrales con
Laboratorios
Controlados
Acondicionamiento a zonas más
grandes
Requiere de Bombas y Tuberías
para el agua de condensación
Generadores de
Agua Helada
Centros
ComercialesMayor capacidad en un solo equipo
Se requiere de especialistas para
automatizar su operación
Edificios
pequeños,
medianos y
grandes
Amplia gama de tamañosUna mala ubicación del condensador
incrementa el consumo de energía
Bibliotecas Pueden automatizarseDesperdicio de energía en
instalaciones NO automatizadas
Escuelas
En versiones de volumen variable
permite un optimo control de su
operación
Mayor mantenimiento
HotelesEn los enfriados por agua el costo de
la misma puede ser significativo
Los enfriados por aire son menos
eficientes