Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Ingeniería Mecánica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Estudio Térmico de un Edificio Vidriado Ubicado en la Ciudad de México y Evaluación de su Habitabilidad para el Confort
presentada por
Luis Javier Vázquez Sánchez Ing. Mecánico por el I. T. de Tuxtla Gutiérrez
como requisito para la obtención del grado de:
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica
Director de tesis: Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García
Co-Director de tesis:
M. C. Miguel Ángel Chagolla Gaona
Jurado: Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor – Presidente
Dr. Jesús Arce Landa – Secretario Dra. Yvonne Chávez Chena – Vocal
Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García – Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, México. 17 de Febrero de 2012
DEDICATORIAS
A Dios , quien siempre estuvo conmigo y jamás soltó mi mano.
A Román y Marina , mis padres, quienes son mi orgullo y mi razón de ser.
A quienes les debo todo en esta vida, y por quienes lucho día a día.
A Karolina , mi hermana, mi orgullo, mi ejemplo de que todo esfuerzo es bien recompensado.
Mi confidente y mi gran amiga.
A mi Familia , nombrar solo a algunos sería un acto egoísta, mi ser se compone de cada
aprendizaje, de cada ejemplo, de cada detalle que me han brindado.
A los que permitieron alguna vez que mi luz iluminará su vida.
A todos aquellos que ven en mí a un amigo.
A mis amigos.
AGRADECIMIENTOS
A Dios , quien sin Él nada de esto hubiera sido posible, nada sería tangible, nada de esto se
hubiera logrado, nada sería.
A Mi familia por siempre confiar en mí, por todo el esfuerzo que han hecho en la vida, por sus
consejos, por sus ejemplos, pero sobre todo por ese Amor que solo ellos pueden darme.
A la Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García , por la asesoría en este trabajo de tesis, por el
tiempo, dedicación y apoyo para la realización de este proyecto, por ser parte fundamental para mi
formación profesional y principalmente para mi formación personal. Mi admiración y cariño.
Al M. C. Miguel Ángel Chagolla Gaona , por ser el co-asesor de este trabajo de tesis y por tanto
tiempo convivido, sus enseñanzas, sus consejos y sobre todo por esa magnífica amistad. Gracias
Maestro.
Al Arq. Valente Souza Saldivar , por el apoyo otorgado en la realización del estudio en las
instalaciones del edificio Ámsterdam-270, por sus consejos y por su amistad.
Al comité revisor: Dra. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor , Dr. Jesús Arce Landa y Dra. Yvonne
Chávez Chena por sus comentarios e importantes sugerencias durante la revisión del trabajo de
tesis.
A los Catedráticos del Departamento de Ingeniería Mecánic a del CENIDET, por colaborar con
mi formación profesional.
Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), por darme la oportunidad
de pertenecer al grupo y formarme en ésta institución.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) a la Dirección General de Educación
Superior Tecnológica (DGEST) por brindarme el apoyo económico para sostenerme durante el
estudio de ésta maestría.
“El hombre nunca puede saber qué debe querer, porque vive sólo una vida
y no tiene modo de compararla con sus vidas precedentes ni de enmendarla en
sus vidas posteriores.”
No existe posibilidad alguna de comprobar cuál de las decisiones es la
mejor, porque no existe comparación alguna. El hombre lo vive todo a la primera y
sin preparación. Como si un actor representase su obra sin ningún tipo de ensayo.
Pero ¿qué valor puede tener la vida si el primer ensayo para vivir es ya la vida
misma? Por eso la vida parece un boceto. Pero ni siquiera boceto es la palabra
precisa, porque un boceto es siempre un borrador de algo, la preparación para un
cuadro, mientras que el boceto que es nuestra vida es un boceto para nada, un
borrador sin cuadro.
«Einmal ist keinmal», dice el proverbio alemán. Lo que sólo ocurre una vez
es como si no ocurriera nunca. Si el hombre sólo puede vivir una vida es como si
no viviera en absoluto.
La Insoportable Levedad del Ser.
Milan Kundera.
Índice
i
ÍNDICE
Pág.
Lista de Figuras vi
Lista de Tablas xiii
Nomenclatura xv
Resumen xx
Abstract xxiii
Capítulo I.- Introducción. 1 1.1.- Antecedentes. 2 1.1.1.- La energía en la historia de la humanidad. 2
1.1.2.- Panorama internacional del sector energético. 4 1.1.2.1.- Políticas internacionales sobre eficiencia energética. 5 1.1.2.2.- Estadísticas internacionales sobre el sector energético. 6 1.1.3.- Panorama nacional del sector energético. 9 1.1.3.1.- Políticas nacionales sobre eficiencia energética. 10 1.1.3.2.- Estadísticas nacionales sobre el sector energético. 12 1.1.4.- Consumo energético en edificaciones. 16 1.1.5.- Diseño bioclimático de edificaciones. 19 1.2.- Revisión bibliográfica. 21 1.2.1.- Programas de simulación energética en edificaciones. 21 1.2.2.- Características de envolventes en edificaciones. 29 1.2.3.- Estudios de simulación energética en edificaciones. 34 1.3.- Justificación. 40 1.4.- Objetivos. 41 1.4.1.- Objetivo general. 41 1.4.2.- Objetivos particulares. 42 1.5.- Alcance. 42
Índice
ii
Pág. Capítulo II.- Fundamentos Teóricos. 43 2.1.- Transferencia de calor. 44 2.1.1.- Mecanismos de transferencia de calor. 44 2.1.1.1.- Conducción. 44 2.1.1.2.- Convección. 46 2.1.1.3.- Radiación. 48 2.1.1.4.- Transmisión aire a aire. 52 2.1.1.5.- Balance térmico. 54 2.2.- Geometría solar. 55 2.2.1.- El sol. 55 2.2.2.- Energía solar. 56 2.2.3.- Generalidades de la geometría solar. 57 2.2.4.- Bóveda celeste. 59 2.2.5.- Métodos de análisis del comportamiento solar. 63 2.2.5.1.- Métodos gráficos. 63 2.2.5.2.- Métodos matemáticos de posición solar. 69 2.2.5.3.- Métodos físicos de simulación. 71 2.3.- El clima y la edificación. 75 2.3.1.- Radiación solar. 76 2.3.2.- Temperatura. 79 2.3.3.- Humedad. 80 2.3.4.- Viento. 82 2.4.- Confort térmico y estrategias de climatización. 83 2.4.1.- Confort térmico. 83 2.4.2.- Estrategias de climatización. 87 2.5.- Sistemas pasivos y activos en la edificación. 90 2.5.1.- Diseño pasivo. 90 2.5.2.- Diseño activo. 91
Índice
iii
Pág. Capítulo III.- TRNSYS. 93 3.1.- Descripción general. 94 3.1.1.- TRNSYS. 94
3.1.2.- Simulación térmica transitoria y en estado permanente. 95 3.1.3.- Funciones de transferencia. 96 3.1.4.- Salidas del programa. 99
3.2.- Componentes del programa. 99
3.2.1.- Numeración de componentes. 100 3.2.2.- Numeración de las unidades del sistema. 100 3.2.3.- Tipos de información. 100 3.2.4.- Subrutinas de utilerías. 101 3.2.5.- Módulos componentes para el cálculo de cargas
térmicas. 101 3.2.5.1.- Lector de datos Type9. 101 3.2.5.2.- Procesador de radiación solar Type16. 102 3.2.5.3.- Procesador psicrométrico Type33. 103 3.2.5.4.- Edificio multi-zonas Type56. 103 3.2.6.- Módulos componentes para salida de resultados. 104 3.2.6.1.- Impresora Type25. 104 3.2.6.2.- Graficador Type26. 104 3.2.6.3.- Resumen de simulación Type28. 104 3.3.- Referencias matemáticas. 105 3.3.1.- Modelos matemáticos para el cálculo de la transferencia de calor. 105 3.3.1.1.- Pared exterior. 105 3.3.1.2.- Partición interior. 108 3.3.1.3.- Pared entre zonas. 109 3.3.1.4.- Ventana. 109 3.3.1.5.- Ganancias radiativas. 110 3.3.1.6.- Espacio interno. 111 3.3.1.7.- Cargas Latentes. 115 3.4.- Interfaces del programa. 116 3.4.1.- IISiBat. 117 3.4.2.- Prebid. 118
Índice
iv
Pág. Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270. 119 4.1.- Descripción edificio Ámsterdam-270. 120 4.1.1.-Ubicación geográfica. 120 4.1.2.-Geometría general. 121 4.1.3.- Áreas. 124 4.1.4.- Orientación. 129 4.1.5.-Materiales. 130 4.1.6.-Cálculo de los coeficientes globales de transferencia de calor Factor-U y los coeficientes de ganancia solar SHGC. 133 4.2.- Condiciones meteorológicas. 135 4.2.1.- Descripción de la estación meteorológica. 137 4.2.2.-Datos meteorológicos. 140 4.2.2.1.- Valores promedios mensuales. 140 4.2.2.2.- Valores mínimos mensuales registrados. 142 4.2.2.3.- Valores máximos mensuales registrados. 144 4.3.- Clasificación climática y estrategias de climatización. 146 4.3.1.- Clasificación climática. 146 4.3.2.- Estrategias de climatización. 148 4.4.- Consideraciones en zonas del edificio Ámsterdam-270. 150 4.4.1.- Zonificación. 150 Capítulo V.- Resultados. 156
5.1.- Energía solar incidente sobre la envolvente. 157
5.2.- Situación actual del edificio. 159
5.2.1.- Evolución libre. 159
5.2.1.1.- Temperaturas promedio, máximas y mínimas
mensuales por zonas. 159
Índice
v
Pág.
5.2.1.2.- Temperatura promedio mensual del edificio. 162
5.2.2.- Cargas térmicas. 163
5.2.2.1.- Cargas térmicas mensuales por zonas. 163
5.2.2.2- Cargas térmicas anuales por zonas. 168
5.3.- Estudio de variación de parámetros. 169
5.3.1.-Definición de Casos. 169
5.3.1.1- Evolución libre. 172
5.3.1.2.- Cargas Térmicas. 184
5.4.- Análisis de Días Característicos. 188
5.4.1.- Análisis en día cálido. 188
5.4.2.- Análisis en día frío. 193
5.5.- Acciones para mejora del confort térmico al interior del edificio. 197
Capítulo VI.- Conclusiones y recomendaciones. 200 6.1.- Conclusiones. 201 6.2.- Recomendaciones. 203
Bibliografía 204
Anexos. 211
Anexo I: Situación Actual 212
Anexo II: Variación de Parámetros: Sombreamiento e Infiltración 216
Anexo III: Variación de Parámetros: Vidriado de Baj a Emisividad 226
Anexo IV: Variación de Parámetros: Vidriado Refleja nte 232
Anexo V: Reconocimientos obtenidos con la presentac ión de este trabajo 238
Lista de Figuras
vi
LISTA DE FIGURAS.
Figura Descripción Pág. Capítulo I.- Antecedentes. 1.1 Crecimiento del consumo mundial de energía entre 1970 y 2020 en Mtep
(Millones de toneladas equivalentes de petróleo). 7 1.2 Generación de electricidad a partir de energías renovables en América Latina entre
1997 y 2025 en TWh (TeraWatts-hora). 8 1.3 Consumo energético mundial en 2010. 9 1.4 Consumo energético en México 1965-2009 (Petajoules). 12 1.5 Incremento en el consumo energético en México por sectores 1965-2008 (Petajoules). 13 1.6 Ciclo de vida de una edificación. 17 Capítulo II.- Fundamentos Básicos. 2.1 Conductividad en un cuerpo homogéneo. 46 2.2 Convección superficial. 48 2.3 Radiación superficial. 50 2.4 Características de un cuerpo opaco y un cuerpo transparente como receptores de
energía radiante. 51 2.5 Transmisión aire a aire. 53 2.6 Movimiento terrestre. 59 2.7 Bóveda celeste. 61 2.8 Ángulos: cenital, de inclinación, de altura y acimutal. 62 2.9 Pirheliómetro de incidencia normal NIP (Directa). 77 2.10 Piranómetro espectral PSP. 78 2.11 Instrumentos para medir la temperatura. 80 2.12 Higrómetro analógico y digital para medir la humedad. 81 2.13 Anemómetro digital para la medir viento. 82 2.14 Diagrama de confort climático humano de Olgyay. 86
Lista de Figuras
vii
Pág. 2.15 Carta bioclimática de Givoni. 86 2.16 Clasificación climática en la carta psicrométrica. 89 Capítulo III.- TRNSYS 3.1 Ventana principal de la interfaz IISiBat para TRNSYS. 117 3.2 Ventana principal del programa Prebid. 118 Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270. 4.1 Orientación Ámsterdam-270. 120 4.2 Vista lateral y frontal del edificio Ámsterdam-270. 121 4.3 Corte longitudinal y transversal del edificio Ámsterdam-270. 122 4.4 Niveles del edificio Ámsterdam-270. 122 4.5 Vista frontal del edificio Ámsterdam-270. 123 4.6 Vista aérea del edificio Ámsterdam-270. 123 4.7 Primer nivel del edificio (medidas en metros). 125 4.8 Segundo nivel del edificio (medidas en metros). 126 4.9 Tercer nivel del edificio (medidas en metros). 127
4.10 Oficina ubicada en la azotea del edificio (medidas en metros). 128
4.11 Orientación del edificio respecto a coordenadas cartesianas. 129 4.12 Orientación de las superficies que conforman la envolvente del edificio. 129 4.13 Superficies que conforman la envolvente del edificio. 130 4.14 Localización edificio Ámsterdam 270 y la estación meteorológica SMN Observatorio. 136 4.15 Estación meteorológica utilizada en el SMN Observatorio. 137 4.16 Variables meteorológicas medidas con la EMA. 138 4.17 Ubicación de la estación meteorológica automática SMN Observatorio. 139 4.18 Valores promedios mensuales del año 2010. 141 4.19 Valores mínimos mensuales del año 2010. 143
Lista de Figuras
viii
Pág. 4.20 Valores máximos mensuales del año 2010. 145 4.21 Clasificación climática. 146 4.22 Clasificación climática para los valores máximos mensuales registrados. 147 4.23 Clasificación climática para valores mínimos mensuales registrados. 148 4.24 Estrategias de climatización para enfriamiento. 148 4.25 Estrategias de climatización para valores máximos mensuales registrados. 149 4.26 Estrategias de climatización para valores mínimos mensuales registrados. 150 4.27 Zonas primer nivel. 151 4.28 Zonas segundo nivel. 152 4.29 Zonas tercer nivel. 153 4.30 Zonas azotea. 154 Capítulo V.- Resultados. 5.1 Superficies de la envolvente del edificio. 157 5.2 Energía solar incidente sobre las superficies de la envolvente del edificio. 158 5.3 Temperaturas promedio (a), máximas (b) y mínimas (c) mensuales por zonas. 160 5.4 Comparación de la temperatura promedio del edificio y la temperatura ambiente. 162 5.5 Cargas térmicas de refrigeración y calefacción para las zonas (a) 1N-Espacio01,
(b) 1N-Espacio02, (c) 2N-Oficina y (d) 2N-Departamento. 165 5.6 Cargas térmicas de refrigeración y calefacción para las zonas (a) 3N-Oficina,
(b) 3N-Pasillo, (c) Azotea-Oficina y (d) Azotea-Poliedro. 166 5.7 Cargas térmicas de refrigeración y calefacción mensuales para el edificio. 167 5.8 Cargas térmicas de refrigeración y calefacción anuales por zonas. 168 5.9 Temperaturas promedio mensuales por zonas para (a) caso 1, (b) caso 2 y
(c) caso 3. 173 5.10 Temperaturas promedio mensuales por zonas para (a) caso 4, (b) caso 5 y
(c) caso 6. 174 5.11 Temperaturas promedio mensuales del interior del edificio para cada caso simulado. 176
Lista de Figuras
ix
Pág. 5.12 Temperaturas promedio mensuales por zonas para los casos con vidriado de baja
emisividad con una infiltración en verano de (a) 1 CVA/Hr, (b) 3 CVA/Hr y (c) 6 CVA/Hr. 177
5.13 Temperaturas promedio mensuales utilizando vidriado de baja emisividad. 179 5.14 Temperaturas promedio mensuales por zonas para los casos con vidriado reflejante
con una infiltración en verano de (a) 1 CVA/Hr, (b) 3 CVA/Hr y (c) 6 CVA/Hr. 180 5.15 Temperaturas promedio mensuales utilizando vidriado reflejante. 182 5.16 Temperaturas promedio mensuales del edificio para cada uno de los casos
simulados. 183 5.17 Cargas térmicas totales anuales necesarias en el edificio para lograr el confort al
interior. 185 5.18 Cargas térmicas totales en función del sombreamiento. 186 5.19 Cargas térmicas anuales por zonas de (a) Calefacción y (b) Refrigeración. 187 5.20 Temperaturas en día cálido. (a) Temperatura horaria por zonas durante el día cálido,
(b) Temperatura promedio del interior del edificio y la temperatura ambiente en el día cálido. 189
5.21 Temperatura promedio del edificio en el día más cálido. (a) Casos aplicando
sombreamiento, (b) Casos con vidriado de baja emisividad. (c) Casos con vidriado reflejante. 191
5.22 Temperaturas en día frío. (a) Temperatura horaria por zonas durante el día frío,
(b) Temperatura promedio del interior del edificio y la temperatura ambiente en el día frío. 193
5.23 Temperatura promedio del edificio en el día más frío. (a) Casos aplicando
sombreamiento, (b) Casos con vidriado de baja emisividad. (c) Casos con vidriado reflejante. 195
5.24 Mallasombra. 197 5.25 Sistema de lamas para sombreamiento en ventanas. 197 5.26 Películas para ventanas con filtros solares. 197 5.27 Vidriado de baja emisividad. 198 5.28 Vidriado reflejante. 198 5.29 Extractores de aire. 199 5.30 Techo con aperturas de ventilación móviles. 199
Lista de Figuras
x
Pág. Capítulo VI.- Conclusiones y Recomendaciones. No se presentan imágenes. Anexos. Anexo I. Situación Actual A1.1. Temperaturas mínimas mensuales registradas. 212 A1.2. Temperaturas máximas mensuales registradas. 212 A1.3 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración anuales por zonas del edificio. 212 A1.4 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 1N-Espacio01. 213 A1.5 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 1N-Espacio02. 213 A1.6 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 2N-Oficina. 213 A1.7 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 2N-Departamento. 214 A1.8 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 3N-Oficina. 214 A1.9 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 3N-Pasillo. 214 A1.11 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona Azotea-Poliedro. 215 A1.10 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona Azotea-Oficina. 215 Anexo II: Variación de Parámetros. Sombreamiento e Infiltración. A2.1 Temperaturas máximas mensuales registradas. 216 A2.2 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 216 A2.3 Temperaturas máximas mensuales registradas. 217 A2.4 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 217 A2.5 Temperaturas máximas mensuales registradas. 217 A2.6 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 218 A2.7 Temperaturas máximas mensuales registradas. 218 A2.8 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 218 A2.9 Temperaturas máximas mensuales registradas. 219 A2.10 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 219
Lista de Figuras
xi
Pág. A2.11 Temperaturas máximas mensuales registradas. 219 A2.12 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 220 A2.13 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 1N-Espacio01. 220 A2.14 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 1N-Espacio02. 220 A2.15 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 2N-Oficina. 221 A2.16 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 2N-Departamento. 221 A2.17 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 3N-Oficina. 221 A2.18 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 3N-Pasillo. 222 A2.19 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona Azotea-Oficina. 222 A2.20 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona Azotea-Poliedro. 222 A2.21 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 1N-Espacio01. 223 A2.22 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 1N-Espacio02. 223 A2.23 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 2N-Oficina. 223 A2.24 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 2N-Departamento. 224 A2.25 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 3N-Oficina. 224 A2.26 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 3N-Pasillo. 224 A2.27 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona Azotea-Oficina. 225 A2.28 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona Azotea-Poliedro. 225 Anexo III: Variación de Parámetros. Vidriado de Baja Emisividad. A3.1 Temperaturas máximas mensuales registradas. 226 A3.2 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 226 A3.3 Temperaturas máximas mensuales registradas. 227 A3.4 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 227 A3.5 Temperaturas máximas mensuales registradas. 227 A3.6 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 228 A3.7 Cargas térmicas anuales por zonas. 228
Lista de Figuras
xii
Pág. A3.8 Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio01. 228 A3.9 Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio02. 229 A3.10 Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Oficina. 229 A3.11 Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Departamento. 229 A3.12 Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Oficina. 230 A3.13 Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Pasillo. 230 A3.14 Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Oficina. 230 A3.15 Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Poliedro. 231 Anexo IV: Variación de Parámetros. Vidriado Reflejante. A4.1 Temperaturas máximas mensuales registradas. 232 A4.2 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 232 A4.3 Temperaturas máximas mensuales registradas. 233 A4.4 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 233 A4.5 Temperaturas máximas mensuales registradas. 233 A4.6 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 234 A4.7 Cargas térmicas anuales por zonas. 234 A4.8 Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio01. 234 A4.9 Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio02. 235 A4.10 Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Oficina. 235 A4.11 Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Departamento. 235 A4.12 Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Oficina. 236 A4.13 Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Pasillo. 236 A4.14 Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Oficina. 236 A4.15 Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Poliedro. 237 Anexo V: Reconocimientos Obtenidos con la Presentación de este Trabajo. A5.1 3er. Congreso Internacional de Energías Alternativas CINEA 2011 238 A5.2 IX Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico CIINDET 2011 239
Lista de Tablas
xiii
LISTA DE TABLAS.
Tabla Descripción Pág. Capítulo I.- Antecedentes. 1.1 Consumo total energético en México en 2009. 14 1.2 Consumo de energía en los sectores residencial, comercial y público en 2009. 15 Capítulo II.- Fundamentos Básicos. 2.1 Rangos de confort térmico para varias ciudades. 84 Capítulo III.- TRNSYS 3.1 Coeficientes de regresión lineal múltiple de infiltración. 112 3.2 Coeficientes de ganancias de calor debido a los ocupantes en espacios acondicionadosa. 113 Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270. 4.1 Materiales de construcción del edificio Ámsterdam-270. 131 4.2 Materiales de construcción del edificio Ámsterdam-270 (continuación). 132 4.3 Propiedades ópticas de los vidrios utilizados en el edificio Ámsterdam-270. 132
4.4 Coeficientes convectivos según NOM-008-ENER-2001. 133 4.5 Coeficientes globales de transferencia de calor de los materiales (U). 134 4.6 Coeficientes globales de transferencia de calor (U) y coeficientes de ganancia solar (SHGC) de los vidrios utilizados. 135 4.7 Promedios mensuales registrados de las variables meteorológicas. 140 4.8 Valores mínimos mensuales registrados de las variables meteorológicas. 142 4.9 Valores máximos mensuales registrados de las variables meteorológicas. 144
Lista de Tablas
xiv
Pág. Capítulo V.- Resultados. 5.1 Descripción de los casos variando sombreamiento e infiltración. 170 5.2 Descripción de casos utilizando vidrio de baja emisividad. 171 5.3 Descripción de casos utilizando vidrio reflejante. 172 Capítulo VI.- Conclusiones y Recomendaciones. No se presentan tablas. Anexos. Anexo I: Situación Actual No se presentan tablas. Anexo II: Variación de Parámetros. Sombreamiento e Infiltración A2.1 Variación de casos variando sombreamiento e infiltración. 216 Anexo III: Variación de Parámetros. Vidriado de Baja Emisividad A3.1 Descripción de casos utilizando vidriado de baja emisividad. 226 Anexo IV: Variación de Parámetros. Vidriado Reflejante A4.1 Descripción de casos utilizando vidriado reflejante. 232
Nomenclatura
xv
NOMENCLATURA.
Símbolo Descripción
A Área de la superficie de la pared o ventana expuesta al interior de la zona. b Espesor del material. b0 –bNb-1 Coeficiente de la función de transferencia para la temperatura sol-aire, para la hora actual y previa. C Conductancia del material. Cap Capacitancia efectiva del aire del cuarto mas cualquier masa no considerada con las funciones de transferencia. 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 previa. d0-dNd Coeficiente de la función de transferencia del flujo de calor de las horas previas. f Coeficiente de conductancia superficial. G Densidad de energía radiante incidente. h altura solar. hc,i Coeficiente convectivo interior. hc,o Coeficiente convectivo exterior. hr,ij Coeficiente radiativo linealizado entre las superficies i y j. Isc Constante solar. IT Radiación incidente total. K Conductividad del material. K1 Constante del cambio de aire por hora. K2 Constante de proporcionalidad para el cambio de aire debido a la diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior. K3 Constante de proporcionalidad para el cambio de aire debido a los efectos del viento.
Nomenclatura
xvi
Símbolo Descripción
l latitud 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 interior de una pared o ventana. Q Razón total de transferencia de calor por la superficie interior de una pared o ventana. 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 infiltración. Qint Razón de energía transferida a la zona debido a ganancias internas diferentes de personas o lámparas. Qlat Carga latente; energía requerida para tener los niveles de humedad dentro de la zona de confort. Deshumidificación es carga latente positiva, mientras que humidificación es negativa. Qm Ganancias o pérdidas por sistemas mecánicos. Qr Flujo de calor por radiación. 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 negativo. Qspepl Razón de transferencia de energía a la zona debido a ganancias sensibles de personas. Qv Flujo calorífico por convección superficial. Qv Razón de ganancia de energía al espacio debido a ventilación.
Nomenclatura
xvii
Símbolo Descripción
Qz Razón de ganancia de energía al espacio debido a la convección de las zonas
adjuntas. R Resistencia térmica del material. Ta Temperatura ambiente. 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. Tmin Temperatura mínima de zona permisible; punto fijo para calentamiento. Tmax Temperatura máxima de zona permisible; punto fijo para enfriamiento. 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. Ts Temperatura de la superficie. Tz Temperatura de la zona. T’z Temperatura de la zona adyacente. Ug Coeficiente de pérdidas de la ventana desde las superficies interiores y exteriores. Ug,o Coeficiente de pérdidas globales de la ventana incluyendo convección por las superficies interiores y exteriores. V Tasa de ventilación. Va Volumen de aire en la zona. W Velocidad de viento. w Ángulo horario. ωmin Razón de humedad mínima permisible en la zona; punto predeterminado para humidificación. ωmax Razón de humedad máxima permisible en la zona; punto predeterminado para deshumidificación. ωa Razón de humedad del aire ambiente. ωI Razón de ganancias de humedad internas a las zonas.
Nomenclatura
xviii
Símbolo Descripción
ωv Razón de humedad de la corriente de ventilación entrante. ωz 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 zonas. Zc Zona de confort. ∆hvap Calor de vaporización de agua. α Absortancia de la superficie exterior. β Ángulo de inclinación. δ Declinación. ε Emitancia. γ Ángulo acimutal. λ Latitud.
cθ Ángulo cenital.
ρ Término de reflectancia de la superficie interior. ρa Densidad del aire de la zona. σ Constante de Stefan-Boltzman. τ Transmitancia. Subíndices i,j, o 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 anterior, etc.
Nomenclatura
xix
Abreviaturas ASHRAE Sociedad americana de Ingenieros en calefacción, refrigeración y aire acondicionado CVA/Hr Cambio de Volumen de aire por cada hora EMAs Estaciones meteorológicas automáticas HVAC Calentamiento, ventilación y aire acondicionado IEA Agencia internacional de energía Mtep Millones de toneladas equivalentes de petróleo Mtoe Millones de toneladas de petróleo NOM Norma oficial mexicana OECD Organisation for Economic Co-operation and Development PEMEX Petróleos Mexicanos PIB Producto interno bruto PJ PetaJoules TWh TeraWatts-hora SENER Secretaría de Energía SMN Servicio Meteorológico Nacional TBH Temperatura de bulbo húmedo TBS Temperatura de bulbo seco
Resumen
xx
RESUMEN
Hoy en día es de vital importancia y necesario el uso eficiente y el ahorro de
energía en el entorno en el que vivimos; el sector residencial es un consumidor
importante de energía, esto debido a las necesidades de confort térmico dentro de
las mismas, lo que conlleva a utilizar equipos mecánicos para climatización.
El presente trabajo de investigación realizado se enfoca en estudios
realizados a un edificio de características únicas ubicado en la ciudad de México,
D. F., con materiales ligeros en su envolvente que permiten un comportamiento
térmico del aire al interior de manera similar al comportamiento del aire al exterior.
El edificio presenta problemas de altas temperaturas del aire al interior en
temporada de verano por encima de la temperatura del aire ambiente registradas y
en temporada de invierno las temperaturas son más bajas que la temperatura del
aire ambiente.
Para la realización de este trabajo de investigación se utilizó el software
TRNSYS (Transient System Simulation Program), así como la comprensión de
fundamentos de transferencia de calor y de variables meteorológicas necesarias
para las simulaciones realizadas.
Los resultados obtenidos de las simulaciones muestran que en el periodo
de verano existe una disminución en la temperatura del aire dentro del edificio con
la implementación de sombreado en el techo y las paredes vidriadas, al igual que
el uso de una infiltración variable conforme lo requerido en el año; de igual forma
la utilización de un vidriado especial, como lo son los de baja emisividad y
reflejantes, disminuyen las temperaturas al interior del edificio y, en el caso de la
utilización de equipos para mantener las temperaturas dentro del rango de confort
térmico, se disminuyen las cargas térmicas totales hasta en un 39.2 % con
respecto a las necesarias en la situación actual.
Resumen
xxi
En el caso de la utilización de 30 % de sombreado del área de las paredes y
techos vidriados se obtuvo una disminución máxima en el promedio mensual de la
temperatura del aire del edificio de hasta 3.1 °C, con el 50% de sombreado se
logró una disminución máxima de hasta 4 °C, mientra s que con el 70% de
sombreado se logra disminuir hasta 4.6 °C, esto se logra manteniendo la
infiltración mínima de 1 CVA/Hr en la temporada de invierno y una infiltración para
temporada de verano de 3 y 6 CVA/Hr, los mejores resultados se obtienen con
una infiltración alta para los meses de verano.
Los resultados obtenidos con la utilización de vidrios reflejantes en lugar de los
vidrios utilizados actualmente dieron como resultado una disminución máxima en
la temperatura promedio mensual del aire del interior del edificio de hasta 3.6 °C.
Mientras que los resultados obtenidos con la utilización de vidrios de baja
emisividad dieron como resultado una disminución máxima de hasta 3.5 °C, estos
se obtuvieron con una infiltración de 6 CVA/Hr para la temporada de verano y de 1
CVA/Hr para la temporada de invierno.
En la situación actual las cargas térmicas totales necesarias para mantener la
temperatura del edificio dentro de la zona de confort durante el año simulado son
de 94,880.53 kWh.
Las reducciones en la temperatura del aire al interior del edificio obtenidas con
la utilización de sombreado en los techos y paredes vidriadas se pueden comparar
con la cantidad de cargas térmicas necesarias para lograr el confort térmico al
interior del edificio. Para un sombreado de 30% del área las cargas térmicas
fueron de 71,450.8 kWh, lo que representa una disminución del 24.6%; para el
sombreado de 50% del área, las cargas térmicas fueron de 69,303.3 kWh, lo que
representa una disminución del 36.4%; utilizando un sombreado de 70% la
reducción de las cargas térmicas fue de 39.2% con un total de cargas térmicas
necesarias de 57,630.2 kWh.
Resumen
xxii
En el caso de la utilización de vidrios de baja emisividad las cargas térmicas
necesarias para mantener la temperatura del aire del interior del edificio en
condiciones de confort fueron de 65,893.8 kWh, lo que representa una disminución
de 30.5% de las cargas térmicas en comparación con la situación actual. Por
último, utilizando un vidriado reflejante las cargas térmicas totales fueron de
65,715.9 kWh, lo que representa una disminución de 30.7% en comparación con
las cargas requeridas en la situación actual.
Finalmente, con el estudio realizado se observa que los edificios de baja masa
térmica, en este caso con un alto porcentaje del área vidriada, presentan un
comportamiento térmico del aire al interior muy similar al comportamiento del aire
ambiente, por lo que es necesario el uso de técnicas pasivas para lograr mejorar
las condiciones al interior y disminuir el consumo de energía.
Abstract
xxiii
ABSTRACT
Nowadays the efficient use and energy saving are vital and necessary in the
environment in which we live; the residential sector is a significant consumer of
energy, this is because of the needs of thermal comfort within them, which involves
the use of air conditioning equipment.
This research work focuses on studies of a building of unique characteristics
located in Mexico´s City, D. F. The building envelope is made of lightweight
materials, which allow a similar thermal behavior between the indoor and outdoor
temperatures. The building presents problems of high temperatures of the air in
the summer, above the ambient temperatures recorded, and in the winter
temperatures are lower than the ambient outdoor temperatures.
To simulate the thermal behavior of the building, Software TRNSYS
(Transient System Simulation Program) was used, which it was supplied with
geometry, envelop materials and recorded meteorological variables of a year. The
TRNSYS simulations were done for the actual conditions of the glazed building and
then a study of shading glazing and infiltration were performed.
The results from the TRNSYS simulations show that the actual building
required a thermal load of 94,880.53 kWh to have confort temperatures during a
year. Simulating the building considering the shading of the glazing of walls and
roof with the optical and thermal properties of special glazing such as reflective
glazing or low emissivity glazing and supplying variable infiltration as required or
ventilation for the summer period, it was observed a decrease in the indoor air
temperature in the building, so the thermal loads decreased up to 39.2 % against
the ones required for the actual building
Abstract
xxiv
In case of using 30% of shading in the area of the glazed walls and roofs
the maximum decrease in the monthly average temperature of air in the building
was 3.1° C, with 50% of shading, a maximum temperat ure decrease was 4° C,
while using 70 % of shading, the temperature reduced to 4.6 ° C. These simulation
results were for an infiltration of 3 and 6 CVA/Hr during the summer season and a
minimal infiltration of 1 CVA/Hr in the winter season, the best results were obtained
increasing the nocturnal infiltration in the summer months.
Using reflective glazing instead of the actual glazing, the maximum
decrease of the monthly average indoor air temperature was 3.6 °C, meanwhile,
for low emissivity glazing, the maximum decrease of the monthly average indoor
air temperature was 3.5 °C. Also, these simulation results were for an infiltration of
3 and 6 CVA/Hr during the summer season and a minimal infiltration of 1 CVA/Hr
in the winter season.
In terms of thermal loads, it was found that for shading of 30% of the area,
the thermal loads were 71,450.8 kWh, representing a decrease of 24.6%
compared to the heat load required by the current building, for shading of 50%, the
thermal loads were 69,303.3 kWh, representing a decrease of 36.4% and for of
70%, thermal loads were 57,630.2 kWh, that is, there was a reduction of thermal
loads of 39.2%.
In case of using low-emissivity glass, the required thermal loads to maintain
the indoor air temperature of the building in the range of thermal comfort were
65,893.8 kWh, representing a decrease of 30.5% from the current building thermal
loads required. Considering reflective glazing, the thermal loads were 65,715.9
kWh, representing a decrease of 30.7% compared with the ones of the current
building.
Abstract
xxv
Finally, this study shows that the thermal response of lightweight building
envelope (glass) or low thermal mass buildings follows the oscillations of the
ambient temperature. In summer the indoor air temperature is above the ambient
temperatures and in winter the indoor air temperature is below the ambient
temperature. In any case, it is necessary to use air conditioning to achieve comfort
temperatures and the combination of passive techniques can help to reduce the
energy consumption.
Capítulo I.- Introducción
1
Capítulo I.- Introducción.
En este primer capítulo se establece el contexto sobre el problema a
estudiar en esta investigación, así también la revisión bibliográfica, la justificación,
el objetivo y el alcance. Se hace principal énfasis en los antecedentes respecto a
la energía, el panorama nacional e internacional existente, el consumo energético
en edificaciones, al igual que los criterios de diseño y construcción en las mismas.
La revisión bibliográfica se enfoca en tres temas relacionados con el trabajo a
realizar, estos son: Programas de simulación energética en edificaciones,
Características de envolventes de edificaciones y Estudios de simulación
energética en edificaciones.
Capítulo I.- Introducción
2
1.1.- Antecedentes.
En el momento actual, el tema energético es muy complejo y requiere la
atención de especialistas en campos muy diversos. Hasta hace unos años, los
problemas energéticos se planteaban en términos técnico-económicos y la
planificación energética consistía simplemente en asegurar el abastecimiento
para un consumo creciente. En la actualidad, por el contrario, la planificación de
un sistema energético además de abordar los aspectos de suministro, debe tratar,
también, de los legales, medio ambientales, de rendimiento de los procesos, entre
otros, junto con el estudio clásico de definición de los elementos necesarios y de la
evaluación de sus costos directos.
Normalmente se liga el consumo energético de un país con el nivel de
progreso alcanzado, tomando en cuenta como base la correlación observada para
numerosos países entre el PIB (Producto Interno Bruto) y el consumo energético
[CIEMAT, 2002].
1.1.1.- La energía en la historia de la humanidad.
Desde épocas remotas el hombre ha enfrentado una serie de retos y
necesidades, producto de su constante interacción con el medio ambiente. Para
satisfacer muchas de estas necesidades, ha hecho uso de las diversas formas de
energía existentes en el planeta, tales como la leña, el carbón y los hidrocarburos.
Una de las primeras formas de energía que usó, se remontan seguramente al
descubrimiento del fuego, 400,000 años antes de Jesucristo, en cuevas del
hombre de Pekín [García, 1996].
Desde la revolución agrícola, que comenzó hace unos 10,000 años, se
produjeron grandes cambios en las actividades humanas, como el desarrollo del
comercio, de las comunicaciones y del transporte.
Capítulo I.- Introducción
3
Estos avances tecnológicos fueron acompañados por un crecimiento de la
población que, a su vez, implicaba la necesidad de una mayor producción de
alimentos para abastecer los requerimientos nutricionales de los habitantes. Sin
embargo, los cambios tecnológicos ocurridos no fueron tan significativos como
para asegurar una cantidad suficientemente segura de alimentos y energía para el
hombre.
Hasta que en el siglo XVIII se inicia en Inglaterra un nuevo proceso de
cambio, la Revolución Industrial, que trajo innovaciones tecnológicas importantes,
desde la máquina de vapor hasta métodos de producción masiva, que dieron
impulso a la actividad económica, y le permitieron al hombre ampliar el
aprovechamiento de la energía y materiales que podía producir. Fue así como
descubrió que podía aprovechar la energía almacenada en los restos de seres
vivos acumulados en el interior de la corteza terrestre desde hace millones de
años, es decir los combustibles fósiles, como el petróleo, carbón y el gas natural,
lo que constituyó un factor determinante para el desarrollo industrial.
A fines de la Segunda Guerra Mundial con el incremento de la población, la
extensión de la producción industrial y el uso masivo de tecnologías, comenzó a
aumentar la preocupación por el agotamiento de las reservas de petróleo que se
había convertido en la principal fuente de energía y se creía inagotable. Una
fuente energética importante desarrollada para entonces fue la energía nuclear,
que condujo a la explotación de reservas de uranio y la construcción y utilización
de centrales nucleoeléctricas.
Para la década del 60 era creciente la preocupación por el deterioro del
ambiente debido al uso excesivo y sin control de los recursos naturales. A partir de
entonces se impulsó el desarrollo de tecnologías que permitieran el
aprovechamiento de energías alternativas basadas en el uso de recursos
naturales renovables.
Capítulo I.- Introducción
4
Como ejemplo de las tecnologías que utilizan energías alternativas están la
energía eólica y solar para obtener electricidad, las que, además, se consideran
ecológicamente menos perjudiciales que la quema de combustibles fósiles. Estas
fuentes de energía alternativas se consideran limpias debido al bajo, o nulo, grado
de contaminación que ocasionan cuando se utilizan en forma controlada.
El hombre actual, que puede ser denominado hombre tecnológico, emplea
un gran número de fuentes energéticas. De todas formas, la mayor parte de la
energía que se utiliza actualmente en el mundo aún proviene de los combustibles
fósiles. La realidad del crecimiento demográfico actual y el consumo excesivo de
bienes materiales y energéticos requieren adoptar conductas de cambio
tendientes al uso racional de los recursos no renovables y a incrementar el
aprovechamiento de los recursos renovables. De esta forma se podrán satisfacer
los requerimientos actuales de la humanidad sin comprometer la capacidad de las
futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades. Los recursos
renovables proporcionan cada año alrededor del 10 por ciento de la energía
mundial. [Esquerra, 1992].
1.1.2.- Panorama internacional del sector energétic o.
A nivel global se destaca un alto crecimiento en el consumo final de
energía, impulsado principalmente por India y China que representan más del 50%
del crecimiento al 2030. El crecimiento mundial de consumo de energía está
impulsado principalmente por los países que no son parte de la Organización para
la Cooperación y Desarrollo Económico (OCDE), quienes representan más del
90% del incremento de uso de energía al 2030 e incrementarán su participación
en la demanda mundial de energía de 52% a 63%.
Capítulo I.- Introducción
5
En contraste, se estima que el consumo de energía en Estados Unidos
crecerá sólo 0.1% y en Japón caerá 0.2% por año. Se observa también una
reducción moderada en la intensidad energética producto de nuevas tecnologías y
esfuerzos deliberados para reducir el consumo. Finalmente, se plantea una
diversificación en las fuentes de energía primaria motivada por preocupaciones en
materia de seguridad energética, lo que ha resultado en una reducción en la
participación de hidrocarburos y un incremento en el uso de fuentes limpias y
carbón.
Se espera que los combustibles fósiles continúen siendo los de mayor uso a
escala mundial, dada su importancia en el transporte y los sectores industriales de
uso final. El gas natural aumentará el consumo mundial en 44%, a partir de 108
billones de pies cúbicos en 2007 hasta 156 billones de pies cúbicos en 2035. En
2009, el consumo mundial de gas natural se redujo en un estimado de 1.1%, se
estima que en el sector industrial cayó en 6.0% como consecuencia de la
recesión.
El sector industrial consume en la actualidad más gas natural que cualquier
otro sector de uso final, y en la proyección, continúa como el mayor consumidor
hasta el año 2035, cuando 39% del suministro mundial de gas se consuma con
fines industriales. La generación de electricidad es otro sector en donde el uso de
gas natural va en aumento, se espera que su utilización aumente de 33% en 2007
a 36% en 2035 [Energy Information Administration, 2008].
1.1.2.1.- Políticas internacionales sobre eficienci a energética.
En los últimos años, la preocupación mundial por la investigación e
implementación de tecnologías que fomenten el uso eficiente de la energía, ha
surgido principalmente en países desarrollados, donde se han creado
organizaciones tales como la IEA (Agencia Internacional de Energía).
Capítulo I.- Introducción
6
La Agencia Internacional de Energía (IEA) desarrolla diversas políticas y
medidas de fomento para el uso eficiente de energía. Además, la mayoría de los
países miembros han adoptado medidas para la reducción de emisiones de gases
invernadero. Las principales actividades consisten en la elaboración de normas,
auditorias, información, campañas, incentivos económicos, etc. Un sector hacia
donde apuntan los programas de uso eficiente de energía es el sector residencial
y comercial, el cual adopta códigos y normas para la construcción de
edificaciones. Francia por ejemplo fortalece sus normas térmicas para los nuevos
edificios residenciales y comerciales con el objetivo de mejorar la eficiencia del
uso de la energía en un 25% [Rodríguez M., 2001].
1.1.2.2.- Estadísticas internacionales sobre el sec tor energético.
Datos de la dirección general de energía y transportes de la comisión
europea señala que en Europa las personas pasan el 90% del tiempo dentro de
los edificios y la energía que se consume en ellos representa el 40% del consumo
global de la unión europea, más que la industria y el transporte. Sin embargo,
utilizando medidas simples en conjunto con nuevas tecnologías, se puede
economizar hasta un 20% de la energía del conjunto de la unión europea y así
mejorar al mismo tiempo el confort de los edificios. Con este fin la comunidad
europea ha creado una nueva directiva en materia de rendimiento energético que
vigila e incentiva a todos los miembros a regirse por las normas establecidas para
reducir el consumo de energías no renovables y tener menos emisiones de gases
invernadero.
Por otra parte, las proyecciones de la Organización de la Naciones Unidas
indican que la población actual pasará de los actuales casi 7 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%.
Capítulo I.- Introducción
7
Así mismo, 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.
La producción de todas las fuentes energéticas tendrá un aumento
significativo; el consumo mundial de energía pasará de los 6,000 Mtep (millones
de toneladas equivalentes de petróleo) anuales de consumo actual a más de
10,000 Mtep para el año 2025, como se muestra en la Figura 1.1. 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 electricidad crecerá en América Latina entre 3.7% y 4.1%, hasta
el 2020, pasando de 638 TWh de consumo a 1,500 TWh. Las energías renovables
por su parte tendrán también un crecimiento importante, como se ve en la Figura
1.2. Latinoamérica está en estas proyecciones, entre los de menor crecimiento
esperado en el uso de energías alternativas.
Figura. 1.1.- Crecimiento del consumo mundial de energía entre 1970 y 2020 en Mtep (Millones de
toneladas equivalentes de petróleo).
Capítulo I.- Introducción
8
Figura 1.2.- Generación de electricidad a partir de energías renovables en América Latina entre
1997 y 2025 en TWh (TeraWatts-hora).
El consumo mundial de energía se estima que aumentará 57% de 2004 a
2030. Entre 1980 y 2004, los líquidos del petróleo, el carbón y el gas natural
fueron los energéticos dominantes.
De acuerdo a las proyecciones en 2007 del System for the Analysis of
Global Energy Markets (SAGEM) de la Energy Information Administration de los
Estados Unidos, los mismos energéticos seguirán dominando hasta 2030 cuando
su uso se habrá casi duplicado con una tasa de crecimiento del 2.6% anual. Sin
embargo, su contribución total al consumo mundial de energía pasaría del 38% en
2004 al 34% en 2030 [Energy Information Administration, 2008].
En la Figura 1.3 se muestra el consumo energético mundial para el año
2010, donde el consumo de petróleo contribuyó con el 34.8%, el uso del carbón
con el 29.4%, la utilización de gas natural con el 23.8%, el uso de la
hidroelectricidad 6.5% y la utilización de energía nuclear representó un 5.5%.
Figura
1.1.3.- Panorama nacional del sector energético
El sector energético en México es un componente esencial de la economía
nacional y uno de los factores clave para contribuir al desarrollo productivo y social
del país, y a la creación de empleos. La participación de los ingresos públicos que
genera y el considerable tiempo que toma el desarrollo de infraestructura y capital
humano, hacen de vital importancia que se tenga claridad sobre su futuro en el
mediano y largo plazos. La definición de las estrategias a seguir se vuelve más
relevante si a lo anterior
encuentra en una etapa de grandes cambios no sólo en el país, sino a nivel
mundial.
Se plantea una diversificación en las fuentes de energía primaria motivada
por preocupaciones en materia de seguridad
una reducción en la participación de hidrocarburos y un incremento en el u
fuentes limpias y carbón.
Petróleo
Capítulo I.
ura. 1.3.- Consumo energético mundial en 2010.
Panorama nacional del sector energético .
El sector energético en México es un componente esencial de la economía
nacional y uno de los factores clave para contribuir al desarrollo productivo y social
del país, y a la creación de empleos. La participación de los ingresos públicos que
onsiderable tiempo que toma el desarrollo de infraestructura y capital
humano, hacen de vital importancia que se tenga claridad sobre su futuro en el
mediano y largo plazos. La definición de las estrategias a seguir se vuelve más
se añade que, actualmente, el sector energético se
encuentra en una etapa de grandes cambios no sólo en el país, sino a nivel
Se plantea una diversificación en las fuentes de energía primaria motivada
por preocupaciones en materia de seguridad energética, lo que ha resultado en
una reducción en la participación de hidrocarburos y un incremento en el u
34.8%
23.8%
29.4%
5.5%
6.5%
Petróleo Gas Carbón Nuclear Hidroelectricidad
Capítulo I. - Introducción
9
El sector energético en México es un componente esencial de la economía
nacional y uno de los factores clave para contribuir al desarrollo productivo y social
del país, y a la creación de empleos. La participación de los ingresos públicos que
onsiderable tiempo que toma el desarrollo de infraestructura y capital
humano, hacen de vital importancia que se tenga claridad sobre su futuro en el
mediano y largo plazos. La definición de las estrategias a seguir se vuelve más
se añade que, actualmente, el sector energético se
encuentra en una etapa de grandes cambios no sólo en el país, sino a nivel
Se plantea una diversificación en las fuentes de energía primaria motivada
energética, lo que ha resultado en
una reducción en la participación de hidrocarburos y un incremento en el uso de
Capítulo I.- Introducción
10
Por otro lado, existe una mayor conciencia por la protección ambiental y se
han incrementado los esfuerzos para reducir el calentamiento global. En el futuro,
se espera un incremento en las medidas para reducir la demanda y para favorecer
fuentes limpias de energía, por medio del establecimiento de nuevos marcos
regulatorios, la utilización de incentivos económicos y el desarrollo y promoción de
tecnologías más eficientes.
Sin embargo, existe una alta incertidumbre tanto en la oferta como en la
demanda de energía. Desde el punto de vista de la oferta, gran parte de las
reservas de hidrocarburos se encuentran en campos que presentan dificultades
técnicas para su explotación. En cuanto a la demanda energética, hay una
multiplicidad de factores cuya evolución es difícil de anticipar, por ejemplo, la
recuperación económica asociada a la reciente crisis mundial o el avance en los
compromisos globales por reducir emisiones, entre los más importantes.
A nivel nacional, en los últimos años se han logrado avances en materia
energética. Las inversiones en este sector han alcanzado niveles históricos. Estas
inversiones han resultado en un incremento en la tasa de restitución de reservas
de hidrocarburos. También se ha observado un crecimiento en la capacidad de
generación eléctrica y un aumento en el número de hogares con acceso a
energéticos de calidad [AEAEE, 2005].
1.1.3.1.- Políticas nacionales sobre eficiencia ene rgética.
En el mundo es evidente que existe un incremento constante en la
demanda de energía. En México poco más del 85% de los energéticos provienen
de recursos naturales no renovables, principalmente hidrocarburos y carbón
[Secretaria de Energía, 2010]. Lo anterior obliga a una búsqueda de alternativas
que permitan contribuir en la preservación de dichos recursos naturales.
Capítulo I.- Introducción
11
Una de estas alternativas, con resultados positivos, ha sido la elaboración
de Normas Oficiales Mexicanas de Eficiencia energética, (NOM-ENER) que
regulan los consumos de energía de aquellos aparatos que, por su demanda de
energía y número de unidades requeridas en el país, ofrezcan un potencial de
ahorro cuyo costo-beneficio sea satisfactorio para el país y los sectores de la
producción y el consumo.
A partir del 1 de marzo de 1993, la secretaria de energía a través de la
Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, constituyó el Comité Consultivo
Nacional de Normalización para la preservación y uso racional de los energéticos,
que se encarga de elaborar, aplicar y vigilar el cumplimiento de las normas de
eficiencia energética.
En México se empiezan a desarrollar políticas de eficiencia energética, para
fomentar su uso. Se incursiona en el aprovechamiento eficiente de la energía en
equipos de enfriamiento, calentamiento, iluminación, además del uso eficiente de
la energía en motores y bombas, incorporando algunos equipos electrodomésticos
como lavadoras y refrigeradores, y tratando de incluir en esta normatividad, los
equipos de mayor consumo energético.
Las normas propuestas tienen el objetivo de limitar la ganancia de calor de
las edificaciones residenciales y no residenciales, por medio de su envolvente, con
el fin de proponer un uso eficiente de la energía para los sistemas de aire
acondicionado. Entre ellas, la NOM-008-ENER de “Eficiencia energética en
edificios no residenciales” pretende regular el diseño térmico de la envolvente de
los edificios a efecto de que tengan la capacidad para lograr la comodidad de sus
ocupantes con un mínimo consumo de energía.
Capítulo I.- Introducción
12
La NOM-020-ENER de “Eficiencia energética en edificaciones para uso
habitacional” es un complemento a la citada anteriormente, y pretende regular el
diseño térmico y la construcción de la envolvente de edificaciones del tipo
residencial hasta de tres niveles.
Las normas son especificaciones técnicas, accesibles al público,
elaboradas con la colaboración y el consenso de los involucrados; de aplicación
obligatoria para todos los productos e instalaciones en la República Mexicana
comprendidos en su campo de aplicación [Rodríguez., 2001].
1.1.3.2.- Estadísticas nacionales sobre el sector e nergético.
Históricamente se tiene registrado el consumo energético de México desde
el año de 1965, claramente se puede observar en la Figura 1.4 como a través de
los años el consumo energético ha ido creciendo, siendo el sector transporte el
que más consumo presenta, seguido del sector industrial y residencial con
incrementos anuales muy significativos.
Figura. 1.4.- Consumo energético en México 1965-2009 (Petajoules).
Capítulo I.- Introducción
13
En la Figura 1.5 se observa el crecimiento en el sector de transporte ha sido
en mayor cantidad que los demás sectores, esto a consecuencia del crecimiento
en el consumo de autotransporte, aéreo, ferroviario y marítimo. Así siendo el
sector de los autotransportes el que representa un total de 92.49% del total del
consumo energético.
Figura. 1.5.- Incremento en el consumo energético en México por sectores 1965-2008 (Petajoules).
Para el año 2009 se tiene registrado el consumo energético en el país por
sector, dividido en dos grupos: el primero el consumo no energético, que son los
sectores que consumen energía para la generación de la misma, tales como el
uso de energía que requiere Petroquímica de PEMEX y otros sectores de menor
consumo, y el segundo grupo, los que consumen energía sin tener una generación
de la misma, tales como el sector residencial, comercial, publico, transporte,
agropecuario e industrial. Las cantidades de energía que consumen se detallan en
la Tabla 1.1.
Capítulo I.- Introducción
14
Tabla 1.1.- Consumo total energético en México en 2009.
Consumo total energético en México 2009
(Petajoules) Consumo final total 4,795.241 Consumo no energético total 227.167
Petroquímica de PEMEX 115.780 Otros sectores 111.387
Consumo energético total 4,568.074 Residencial 761.787 Comercial 123.546
Público 28.091 Transporte 2,224.502
Agropecuario 146.531 Industrial 1,283.617
El consumo energético no es un asunto únicamente del clima, sino también
depende del número de habitantes y el desarrollo económico de la localidad. Los
equipos eléctricos de calefacción tienen poca influencia sobre el consumo
energético en México. Los equipos de aire acondicionado para refrigeración, son
los más utilizados para obtener condiciones de confort y tienen mayor consumo
energético en nuestro país [Secretaria de Energía, 2010].
Analizando únicamente los sectores residencial, comercial y público, se
tiene que el consumo energético en las últimas cuatro décadas es mayor en el
sector residencial con 83% del consumo total. La mayor parte del consumo de
energía aplicada en el sector residencial se utiliza para la climatización, esto
debido a que la mayoría de los edificios en México con acondicionamiento de aire
se caracterizan por su alta dependencia y consumo intensivo de combustibles
fósiles, además obedecen a diseños propios de otras latitudes sin considerar las
condiciones climáticas de un determinado sitio o proyecto.
Capítulo I.- Introducción
15
México es un país ubicado entre los 87° y 118° de longitud y entre los 14° y
32° de latitud, lo que le permite contar con gran v ariedad de climas. Estos factores,
aunado a la falta de información de control solar, favorecen el uso desmedido de
la energía eléctrica, en el caso específico de la utilización de equipos de
climatización.
En la Tabla 1.2 se detalla el consumo de energía en los sectores
residencial, comercial y público, para el año de 2009.
Tabla 1.2.- Consumo de energía en los sectores residencial, comercial y público en 2009.
Consumo de energía en los sectores residencial, comercial y público en 2009
(Petajoules) Total Sector Residencial, Comercial y Público 913.424
Residencial 761.787 Energía solar 3.847
Leña 260.678 Total de petrolíferos 291.017
Gas licuado 290.178 Querosenos 0.839 Gas seco 1 29.079 Electricidad 177.167
Comercial 123.546 Energía solar 2.592
Total de petrolíferos 63.756 Gas licuado 60.423
Diesel 3.334 Gas seco 1 8.659 Electricidad 48.539
Público 28.091 Electricidad 28.091
Capítulo I.- Introducción
16
1.1.4.- Consumo energético en edificaciones.
Los edificios modernos son considerados como sistemas térmicos
complicados de muchos elementos interactivos. Todos ellos individual y
colectivamente influencian el gasto energético. Dependiendo de los climas, los
edificios consumen grandes cantidades de energía fósil no renovable para
calentar, enfriar, ventilar, etcétera, logrando cuando se consigue, el confort interior
para los usuarios mediante un inmoderado consumo energético. Reducir este
consumo requiere examinar cada aspecto de los edificios incluyendo materiales,
estructuras, su relación con el medio ambiente y las actividades.
La tendencia actual en la arquitectura contemporánea y los efectos que
conlleva pueden y deben corregirse, con base en la aplicación de acciones
orientadas a 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 base en una cultura ecológica
que satisfaga las verdaderas necesidades presentes del hombre, sin comprometer
la capacidad para que las futuras generaciones puedan a su vez satisfacer las
propias.
Desde el punto de vista de la arquitectura, proyectar un edificio supone
condicionar a los usuarios a satisfacer sus necesidades de confort interactuando
de una determinada manera con el entorno, según las posibilidades que el edificio
le permita. En estos términos el proyecto arquitectónico puede predisponer a los
usuarios al uso de sistemas externos consumidores de unas determinadas
cantidades de energía para satisfacer sus necesidades. Se da por aceptado que
los edificios consumen mucha energía para operar de manera adecuada y
cómoda, estos consumos energéticos se deben a equipos para confort térmico,
iluminación, calentamiento de agua, entre otros.
Es necesario cuestionarse si se está diseñando y construyendo edificios
adecuados para minimizar el consumo energético y dependencia de
hidrocarburos. El ciclo de vida de un edi
tiene asociada una importante cantidad de energía consumida en cada una de sus
fases, proyecto, construcción, uso y derribo. Se trata de un proceso dinámico en
que las decisiones tomadas en una fase condicionan la i
en el impacto global.
Figura
Si se intentara clasificar los flujos energéticos presentes a lo largo del ciclo
de vida de una edificación, podríamos hablar en primer lugar de los flujos
asociados a fabricación, transporte, puesta en obra de los materiales de
construcción - e incluso su derribo
sufren variación una vez que están dispuestos en el edificio y forman parte de él, y
que constituyen la mayor parte de ellos la inversión patrimonial
Capítulo I.
Es necesario cuestionarse si se está diseñando y construyendo edificios
adecuados para minimizar el consumo energético y dependencia de
hidrocarburos. El ciclo de vida de un edificio, como se muestra en la
tiene asociada una importante cantidad de energía consumida en cada una de sus
fases, proyecto, construcción, uso y derribo. Se trata de un proceso dinámico en
que las decisiones tomadas en una fase condicionan la incidencia en las otras y
ura. 1.6.- Ciclo de vida de una edificación.
Si se intentara clasificar los flujos energéticos presentes a lo largo del ciclo
de vida de una edificación, podríamos hablar en primer lugar de los flujos
asociados a fabricación, transporte, puesta en obra de los materiales de
e incluso su derribo-, que se consideran flujos estáticos, ya que no
sufren variación una vez que están dispuestos en el edificio y forman parte de él, y
n la mayor parte de ellos la inversión patrimonial [López P. 2004]
Capítulo I. - Introducción
17
Es necesario cuestionarse si se está diseñando y construyendo edificios
adecuados para minimizar el consumo energético y dependencia de
en la Figura 1.6,
tiene asociada una importante cantidad de energía consumida en cada una de sus
fases, proyecto, construcción, uso y derribo. Se trata de un proceso dinámico en
ncidencia en las otras y
Si se intentara clasificar los flujos energéticos presentes a lo largo del ciclo
de vida de una edificación, podríamos hablar en primer lugar de los flujos
asociados a fabricación, transporte, puesta en obra de los materiales de
, que se consideran flujos estáticos, ya que no
sufren variación una vez que están dispuestos en el edificio y forman parte de él, y
[López P. 2004].
Capítulo I.- Introducción
18
Por otro lado estarían los flujos energéticos dinámicos asociados
directamente con el uso y explotación del edificio, que dependerán de su duración
en el tiempo y de la gestión como factor fundamental.
Se trata de flujos energéticos asociados a procesos que pueden
parametrizarse pero que dependen de otras variables también dinámicas para su
cuantificación y evaluación: como el tiempo de duración del proceso, la gestión de
los recursos energéticos y en algunos casos las variaciones de factores externos
como el clima.
Los estudios realizados para medir el peso relativo de cada una de las
fases del ciclo de vida de un edificio, establecen como referencia que entre el 20 y
el 33% del total de la energía que se consume está asociada a los denominados
flujos estáticos y entre el 66 y 80% restante está asociado a la fase de uso y
explotación del edificio, los flujos dinámicos.
El flujo de energía durante la vida útil de un edificio estará relacionado
directamente con los usos energéticos que posea, tales como son el alumbrado, la
climatización, entre otros. De todos estos usos energéticos los que están
directamente relacionados con la habitabilidad de los espacios son en orden
respectivo y de acuerdo al tipo de edificio, la iluminación artificial, entre el 10-20%
aprox., y la climatización con la mayor incidencia de todos los usos energéticos,
entre el 40- 60% según el tipo de edificio.
Durante la vida útil del edificio y en la medida que la arquitectura actúa
como elemento de relación entre el interior y el exterior, se puede hablar de que
éste no es un proceso lineal, sino que se trata en realidad de un balance
energético, entre la energía consumida y la energía que el propio edificio puede
aprovechar del entorno y las condiciones naturales del medio [ASHRAE, 2004].
Capítulo I.- Introducción
19
1.1.5.- Diseño bioclimático de edificaciones.
La arquitectura contemporánea busca cada vez con mayor empeño
responder a la moda estética, sin considerar los conceptos mas lógicos y simples
que permiten lograr un espacio vital. En la construcción de casas y edificios se ha
olvidado tomar en cuenta la ubicación del sol, como iluminarlos, como ventilarlos
adecuadamente, como calentarlos cuando hace frio o refrescarlos en tiempo de
calor.
En la actualidad se cuenta con nuevas herramientas de diseño, mejor
tecnología y maneras más rápidas de prever y evaluar el comportamiento de las
edificaciones; sin embargo, muchas de las soluciones técnicas a los problemas
desarrollados en las universidades y en otras instituciones de investigación son
poco conocidas por la sociedad.
Es necesario aprender a ver la arquitectura no sólo como los muros, las
fachadas o la cubierta, sino también como el espacio vital que fluye a través de
ellos y a su alrededor. Para habitarla no basta que sea sólida y económica, debe
ser saludable y agradable, responder al clima y sintetizar la experiencia
constructiva de las generaciones que nos precedieron [Rodríguez M., 2001].
El diseño de edificios debe considerar los aspectos de ahorro de energía,
por ejemplo la utilización de ventanales amplios mirando al sur, esto en el
hemisferio norte y en latitudes medias y altas, para que los días de invierno la
radiación solar caliente los recintos; aplicando un aislante térmico a las superficies
del edificio, especialmente aquellas que componen la envolvente térmica del
edificio, tales como cubiertas, fachadas, forjados, entre otros, para disminuir las
fugas de calor; o instalando paneles solares que aumenten la independencia de la
energía eléctrica.
Capítulo I.- Introducción
20
En la Unión Europea existe una normativa aplicable a los edificios similar a
la etiqueta energética de los electrodomésticos. La idea es construir edificios
bioclimáticos encargados de aprovechar la energía del entorno. Desde hace unos
años, y con origen en el centro de Europa, se ha diseñado un sistema capaz de
aportar energía solar para producir tanto calefacción en invierno, como frío en
verano [Parlamento Europeo, 2002].
Cuando se habla de arquitectura bioclimática se está haciendo mención a la
utilización de la energía solar en los edificios, considerando los requerimientos
térmicos y eléctricos, es decir las aplicaciones de la energía solar pasiva. Por lo
que la arquitectura bioclimática puede definirse como aquella que optimiza sus
relaciones energéticas con el entorno medioambiental mediante su propio diseño
arquitectónico. Por lo tanto, la arquitectura bioclimática pretende sentar las bases
para la realización de unos edificios racionalmente construidos, de modo que, con
un consumo mínimo de energía convencional, se mantenga constantemente las
condiciones de confort requeridas. Para ello, deben considerarse unas estrategias
de diseño que aprovechen de forma óptima, las condiciones ambientales del
entorno, como la energía solar disponible, temperatura exterior, dirección
predominante del viento, entre otras condiciones.
Finalmente, en el diseño deben considerarse las técnicas solares pasivas
para conseguir un ahorro energético y un confort térmico, pero a veces con el
diseño solar pasivo no se obtienen los niveles de confort térmico, esa energía
adicional que se necesita puede ser conseguida con el aprovechamiento activo de
la energía solar o por sistemas convencionales. Es decir el empleo de la energía
solar en forma pasiva o activa en los edificios son dos modos complementarios de
aprovechar la energía solar, la dimensión de esta complementariedad depende de
cada proyecto en concreto y así habrá edificios solo pasivos y otros que sean
pasivos y activos a la vez, cualquiera de estas características están englobadas en
el concepto de arquitectura bioclimática [CIEMAT, 2002].
Capítulo I.- Introducción
21
1.2.- Revisión bibliográfica.
La revisión de trabajos sobre edificaciones y los estudios realizados para el
análisis del comportamiento térmico con la utilización de programas de simulación
energética fueron divididos en tres temas, los cuales centran la importancia de los
trabajos revisados: en el primer apartado se estudiaron trabajos donde se utilizan
programas de simulación energética y se analizan los resultados obtenidos y la
comparación entre los diferentes programas; en el segundo apartado se analizan
trabajos donde se estudian las características de envolventes de edificaciones,
para observar su comportamiento de acuerdo a los materiales utilizados; por
último, en el tercer apartado se analizan trabajos de estudios realizados a
edificaciones, en los cuales, se utilizan programas de simulación energética y se
proponen alternativas para mejorar el confort al interior. A continuación se
describen cada uno de los apartados mencionados.
1.2.1.- Programas de simulación energética en edifi caciones.
En este apartado se presentan los trabajos relevantes sobre el estudio de
programas de simulación energética en edificaciones, destacando la comparación
que existe entre ellos, así como el desarrollo de métodos de validación de
programas denominados BESTest.
Judkoff y Neymark [1995] desarrollaron un procedimiento cuantitativo para
evaluar, comparar y diagnosticar los programas disponibles de simulación
energética en edificaciones, tales como DOE2, BLAST, TRNSYS, ESP,
SUNCODE, entre otros. A este procedimiento se le denominó BESTest (Building
Energy Simulation Test and Diagnostic Method), para lo cual se desarrollaron
casos específicos para construcciones ligeras y pesadas.
Capítulo I.- Introducción
22
Los mejores resultados fueron los obtenidos con DOE2, TRNSYS y BLAST,
de este trabajo se obtienen casos detallados y particularizados en sus
características geométricas y en sus propiedades termofísicas, las cuales se
dividen en dos grupos: casos para baja inercia térmica (CASE 195 al 320) y para
alta masas térmicas (Case 395 al 990). Se obtuvieron diferencias entre los
programas de 27% a 36%, para las simulaciones en los casos de baja inercia
térmica, y para las simulaciones de los casos de alta inercia térmica se obtuvieron
diferencias de 7% a 37% comparando con los resultados de las simulaciones con
los programas utilizados. Esto no es un indicativo que los programas estén dando
resultados correctos o incorrectos, sino que se presentan estas diferencias debido
a los modelos utilizados por cada programa y los algoritmos de cada uno. Los
programas DOE2 y TRNSYS son los mejores programas existentes, esto gracias a
que involucran la mayor cantidad de fenómenos que tienen que ver con la
transferencia de calor.
Blair et al. [1995] demostraron el uso de TRNSYS 14 en la simulación
energética en edificaciones, TRNSYS fue desarrollado por el Laboratorio de
Energía Solar de la Universidad de Wisconsin, Madison en Estados Unidos,
iinicialmente se utilizaba para simulaciones de sistemas térmicos solares. Gracias
a programadores de diversas universidades e institutos en el mundo, se ha
logrado desarrollar herramientas y algoritmos capaces de simular el
comportamiento transitorio de la energía en edificaciones. De igual forma, este
estudio describe el método que utiliza TRNSYS para la simulación de la
transferencia de calor en edificaciones, esto es mediante el método de la función
de transferencia, del mismo modo, el estudio presenta las principales herramientas
que se utilizan en la simulación de edificaciones para la versión de TRNSYS 14.
Capítulo I.- Introducción
23
Se describe la manera de modelar de cada uno de los componentes, como
lo son para el TYPE 12, que resuelve la transferencia de energía para un área
simple, mediante el método de una conductancia simple; mientras que el TYPE
19, resuelve la transferencia de calor en una zona simple mediante la función de
transferencia acorde a la ASHRAE, del mismo modo, el TYPE 56 resuelve la
transferencia de calor para una edificación en varios zonas utilizando también la
función de transferencia.
Bansal et al. [1996] desarrollaron un programa de simulación energética
para edificaciones llamado ADMIT, basado en soluciones periódicas que
resuelven las ecuaciones gobernantes de conducción de calor, con la novedad de
la incorporación de sistemas solares pasivos. Realizan simulaciones con TRNSYS
y SUNCODE, y comparan los resultados con los obtenidos de ADMIT, estos
difieren ya que cada programa utiliza los modelos con técnicas matemáticas
diferentes. Se obtuvieron resultados con diferencias menores de 1°C en el caso de
la simulación realizada en edificaciones con aislamiento ligero y sin ventanas. El
principal factor de la diferencia es la radiación solar, debido a los diferentes
modelos que utilizan para resolver la transferencia de calor.
Lam et al. [1999] Desarrollaron un método de diseño simple en términos de
diseños gráficos y monogramas con el cual los ingenieros y arquitectos puedan
evaluar los beneficios relativos de sistemas de iluminación natural para el
mejoramiento de las cargas térmicas en la edificación, tomando en cuenta, por lo
tanto, el comportamiento solar pasivo de la edificación y una adecuada iluminación
con luz natural. Se utilizó el programa DOE2.1 con el objetivo de realizar una base
de datos con los resultados obtenidos. Se estima que los porcentajes de consumo
energético por iluminación en las edificaciones son del 20% al 30% del total.
Capítulo I.- Introducción
24
Mientras que el consumo energético por concepto de climatización, ya sea
refrigeración o calefacción, es entre el 40% y el 60% del total del consumo. Por
ello, se busca una herramienta simple para estudiar el comportamiento pasivo de
la edificación.
Zweifel et al. [2001] realizaron un análisis, comparación y validación, de un
nuevo programa de simulación energética en edificaciones desarrollado por la
empresa sueca EQUA, este programa de nombre IDA, considera, dentro de su
modelo de solución de transferencia de calor, la tasa de flujo de aire con respecto
a los cambios en las temperaturas. Se lleva a cabo una simulación de un
BESTest, para una edificación con alta masa térmica, Case 600, los resultados
son comparados con los obtenidos con otros programas de simulación energética
en edificaciones como TRNSYS, DOE2, SUNCODE, BLAST y ESP, los resultados
obtenidos con el programa IDA difiere en ± 1 °C apr oximadamente, con relación a
los resultados obtenidos con los otros programas de simulación energética. Luego
de validar sus resultados, simularon una edificación ubicada en Suecia, con clima
característico de verano, comparando los resultados con los obtenidos con los
otros programas de simulación energética de edificaciones, teniendo resultados
muy similares.
Voeltzel et al. [2001] desarrollaron un nuevo modelo de programa de
simulación energética, llamado AIRGLAZE, para mejorar la predicción del
comportamiento térmico en espacios grandes altamente acristalados. El cual se
basa en un modelo sobre los cálculos de la transferencia de calor por conducción
y radiación en la envolvente del edificio, relacionado con el comportamiento
transitorio del flujo de aire en el interior de la habitación.
Capítulo I.- Introducción
25
El modelo desarrollado fue comparado con los resultados obtenidos en la
medición en un modelo experimental de características geométricas y propiedades
termofísicas similares al de la simulación. El porcentaje de relación de ventanas
con respecto a paredes es de 44.36%. Los resultados de la temperatura del aire al
interior de la edificación, calculados comparados con los medidos tuvieron una
diferencia aproximada menores a 0.5°C. La mayor dif erencia se presentó en la
ubicación cercana a la entrada del flujo de aire, con diferencias de 0.52°C y
0.72°C, esto debido a los fenómenos de movimiento d el aire en la entrada de la
edificación y del prototipo experimental.
McDowell et al. [2003] mencionaron que los programas de simulación
energética comúnmente no incorporan la circulación de aire en la modelación y
por ende no explican adecuadamente el efecto de estos factores en los balances
globales. La herramienta utilizada para el análisis del flujo de aire es el CONTAM y
para el análisis de la energía se usa TRNSYS. Se estudian 25 edificios en Estados
Unidos sobre una serie de condiciones de infiltración y ventilación y se señala el
proceso de modelado de los edificios en los dos programas para obtener
finalmente resultados de ambas simulaciones en cohesión. El impacto de la
infiltración en las cargas del edificio varía extensamente dependiendo del clima, de
la construcción de edificios, del horario de operación y de otros parámetros de la
simulación. En segundo lugar, la infiltración tiene un impacto relativo mucho más
grande en cargas de calefacción que en cargas de refrigeración.
Los procedimientos de validación de resultados obtenidos con los
programas de simulación energética de edificaciones, son de gran utilidad cuando
está en desarrollo una nueva versión o actualización de algún programa en
específico. Debido a que las herramientas de validación ayudan a encontrar
errores en códigos y modelos utilizados por los programas.
Capítulo I.- Introducción
26
Lo anterior motivó a Kummert et al. [2004] a presentar la aplicación de
diferentes procedimientos de validación existentes durante el desarrollo de una
nueva versión de TRNSYS. Los principales procedimientos utilizados fueron los
BESTest desarrollados por Judkoff y Neymark [1995] sobre edificaciones de
construcción ligera y pesada, con variantes en la geometría de la edificación,
como ventanas, materiales, espesores, entre otros. También fueron utilizados los
BESTest IEA HVAC, que son simulaciones de edificaciones con dispositivos de
calefacción, ventilación y aire acondicionado, estos fueron desarrollados por
Neymark y Judkoff [2002]. Otro de los BESTest utilizados fueron los de validación
empírica, IEA ECBCS desarrollado por Lomas et al. [1994], el cual compara los
resultados obtenidos de mediciones a prototipos con los obtenidos de las
simulaciones para el mismo caso de prototipo con las mismas condiciones
meteorológicas. Se encontraron algunas diferencias entre los resultados de los
BESTest y los obtenidos con la nueva versión de TRNSYS, en las cuales se
identificó que el problema se centraba en los modelos que trataban: la humedad
de la zona, la radiación difusa sobre superficies inclinadas, la radiación difusa del
cielo, la posición del sol, las propiedades ópticas y térmicas de las ventanas y los
marcos, así mismo, algunos errores surgieron por falta de información geométrica
detallada y por diferir los formatos de datos meteorológicos entre TRNSYS y los
otros programas.
Beccali et al. [2004] analizaron algunos programas disponibles para la
simulación energética en edificaciones, se dividen en dos grupos, los que utilizan
el método de diferencia finita, como los programas ESP-R, APACHE-Sim, SERI-
RES, entre otros; y los programas que utilizan el método de las funciones de
transferencia, como son BLAST, TARP, DOE, Energy-Plus, TRNSYS, entre otros.
Se presenta también un programa se nombre THELDA2000, en el cual, se
pueden escoger el orden de las funciones de transferencia y analizar los
resultados obtenidos variando este parámetro.
Capítulo I.- Introducción
27
Realizaron una simulación de una edificación ubicada en Italia, y se
comparó con las mediciones realizadas en dicha edificación. Se observó que a
determinado número de orden de las funciones de transferencia se alcanza el
estado estable y así, se obtienen resultados con una mejor aproximación con el
fenómeno real. Se concluye que el número de orden de las funciones de
transferencia debe de ser con el que se alcanza el estado estable, ya que mayor o
menor número de orden de dichas funciones de transferencia hará que la
simulación no se aproxime a los resultados reales.
Mendes et al. [2008] presentaron el programa PowerDomus, el cual integra
dentro de sus opciones, la simulación energética en edificaciones en conjunto con
la utilización de equipos y sistemas de calefacción, ventilación y aire
acondicionado (HVCA systems). El objetivo es evaluar el confort higrotérmico y el
consumo energético en una edificación de 6 pisos, ubicada en Belém, Brasil. Esta
edificación tiene paredes de concreto monolítico de 15 centímetros de espesor,
tiene ventanas de doble acristalamiento y sistemas primarios y secundarios para el
acondicionamiento del interior de la edificación. Se realizó la simulación de dos
casos en particular, el primero es usando sistemas de enfriamiento de agua y la
colocación de serpentines de agua en techo y pisos para lograr un confort térmico
adecuado al interior, y el otro caso, es utilizando solamente la refrigeración del aire
del interior con sistemas de acondicionamiento de aire. En ambos casos las
simulación dio como resultados el consumo energético total de la edificación,
incluyendo la operación de estos equipos, se obtuvo una reducción de 13% en
consumo energético para el uso de enfriamiento de agua en comparación con el
consumo energético con el uso de equipo de enfriamiento de aire, no obstante, al
simular e incluir los sistemas secundarios en el uso del sistema de enfriamiento de
agua, que son las bombas para recircular el agua de los serpentines y algunos
ventiladores, el consumo de energía apenas fue 1.6% menos que el consumido
por enfriamiento de aire.
Capítulo I.- Introducción
28
Rode y Woloszyn [2009] promovieron un proyecto que involucra a diversas
instituciones de diversos países para realizar comparaciones de simulación de
casos específicos. Para construcción ligera se tomó el BESTest Case 600 y para
construcción pesada el BESTest Case 900, se analizaron con y sin sistemas
mecánicos de calefacción y refrigeración. Entre los programas considerados
están: TRNSYS, ESP-r, ENERGYPLUS, HAM-TOOLS, CLIM2000, entre otros. Se
realizaron comparaciones con datos experimentales de prototipos. Se obtuvieron
resultados similares para el caso más simple, una edificación monolítica sin
ventanas ni contacto con el suelo. La diferencia entre las comparaciones se debe
a las diversas variaciones de los modelos de transferencia de calor utilizados por
los diferentes programas, así como los modelos que trabajan con los parámetros
de humedad y ventilación. Se siguen realizando estudios para tener un modelo
que de mejores resultados con mediciones experimentales de prototipos
considerando los parámetros de humedad, ventilación y transferencia de calor.
Boukhris et al. [2009] analiza el comportamiento de una edificación
considerando el modelado de la transferencia de calor y el flujo de aire. Se realiza
una simulación con el programa StarCD CFD, el cual está basado en el método de
volumen finito, también se realiza una simulación con el programa ZAER, ambos
resultados de las simulaciones son comparados con los medidos
experimentalmente en un celda de prueba llamada Minibat, desarrollada en el
laboratorio del INSA, en Lyon, Francia. La edificación simulada, está compuesta
de dos habitaciones. Los resultados obtenidos y comparados, difieren entre si en
un máximo de 1.07 °C para uno de los cuartos y la m áximas diferencia para el otro
es de 0.6 °C. La diferencia entre los valores de la s temperaturas medidas y
simuladas, pueden deberse a los valores de los coeficientes convectivos de las
paredes. La colocación de un muro trombe, como un componente solar pasivo, es
un componente de calefacción eficiente en las condiciones de invierno de la
edificación.
Capítulo I.- Introducción
29
1.2.2.- Características de envolventes en edificaci ones.
A continuación se presentan trabajos sobre el tema de envolventes en
edificaciones, estos son de vital importancia debido a que esta es la parte más
expuesta a la radiación solar y por ende, son las que obtienen mayor ganancia de
calor hacia el interior de las edificaciones.
Asan [1998] realiza un estudio numérico para analizar el tiempo de retraso y
el factor de decremento en materiales de construcción de paredes, madera y
ladrillo, aplicando tres diferentes aislantes, espuma de poliuretano, corcho y
madera, en cuatro diferentes posiciones sobre la pared. Resolvieron la ecuación
de conducción de calor unidimensional en estado transitorio para encontrar el
tiempo en que la onda de calor se propaga de la superficie exterior a la superficie
interior, esto es el tiempo de retraso, y la disminución de la amplitud del tiempo de
retraso durante la propagación de la onda de calor es el factor de decremento. Se
obtuvo un tiempo de retraso cercano a 15 horas con un factor de decremento de
0.004, para la configuración aislante-pared-aislante, siendo la pared de madera y
el aislante espuma de poliuretano, con una relación de 10% de aislante y 90% de
pared, con un espesor de 20 centímetros en total.
Saravia y Morillón [1998] presentan un estudio climático de la ciudad de El
Salvador y hacen recomendaciones para el diseño arquitectónico de elementos de
control solar, esto con el fin de lograr edificaciones energéticamente más
eficientes en las condiciones de clima cálido-húmedo de ese país. En el estudio se
determinan los ángulos óptimos de aleros y las orientaciones de ventanas más
convenientes para minimizar el uso de sistema activos de climatización y así lograr
una mejor adecuación de los edificios al ambiente energético, que lleve a
aumentar las condiciones de confort térmico de los usuarios.
Capítulo I.- Introducción
30
Se concluye que para lograr confort sin necesidad de gastar en energía
eléctrica se debe tomar en cuenta la ubicación geográfica y las ganancias de calor
provenientes de ventanas o zonas expuestas al sol en las construcciones a futuro.
Asan y Sancaktar [1998] realizaron un trabajo donde estudiaron como
influyen los efectos de las propiedades termofísicas, la capacidad calorífica y la
conductividad térmica, en los tiempos de retraso y los factores de decremento. Se
analizaron distintos materiales utilizados comúnmente en la construcción de
edificaciones. Se obtuvieron resultados de tiempos de retraso grandes para el
asbesto, caucho, asfalto y granito, esto debido a que tienen muy baja
conductividad térmica y alta capacidad térmica, por lo cual la conducción de la
onda de calor es lenta y el poder calorífico de la masa térmica es alto, reduciendo
así su factor de decremento. La geometría de estudio fue una pared con 14
centímetros de espesor sin aislante. El mayor tiempo de retraso lo obtuvo la pared
de asbesto con 1.23 horas
Asan [2000] realiza un estudio en donde tiene diferentes configuraciones
geométricas de pared-aislante, y también diferentes espesores. Los resultados
obtenidos fueron una configuración óptima pared-aislante-pared-aislante-pared,
con espesores de dos centímetros en cada capa de aislante y cinco centímetros
de espesores en las paredes exterior e interior, y en la pared de en medio con 10
centímetros de espesor, alcanzo tiempos de retraso mayores a 11 horas y factores
de decremento de 0.01 aproximadamente. Esta configuración es muy complicada
de elaborar en la construcción, por lo tanto, se analizó la configuración que más se
facilita en la construcción, esta es una pared compuesta por pared-aislante-pared-
aislante, la cual obtuvo tiempo de retraso alto de aproximadamente 10.5 horas,
con un factor de decremento pequeño, los espesores de la pared fueron de 10
centímetros y del aislante de 2 centímetros cada uno respectivamente.
Capítulo I.- Introducción
31
Papadopoulos [2004] realiza un estudio de las dos principales
clasificaciones de aislante disponibles, estos son los aislantes inorgánicos
fibrosos, principalmente lana de vidrio y lana de roca, que abarcan el 60% del total
de productos aislantes vendidos en el mercado; la otra clasificación de los
materiales aislantes son los materiales orgánicos espumosos, como el poliestireno
extruido, poliestireno expandido y la espuma de poliuretano, este grupo tiene el
27% del total de materiales aislantes vendidos en el mercado. En esta
investigación analizan las propiedades termofísicas de los materiales aislantes, así
como su aplicabilidad y costos. Como resultado del análisis y comparación de
estos elementos se tiene que, para los materiales inorgánicos fibrosos es
recomendable reducir las emisiones de polvo y fibras, mientras que en los
materiales orgánicos espumosos son varios los aspectos a mejorar, como son: la
eliminación del uso de los CFC´s y HCFC´s en los procesos de producción de
estos materiales. Utilizar aditivos en el caso del poliestireno extruido y expandido,
para mejorar su reacción al fuego, mientras que en la espuma de poliuretano es
necesario atender los gases tóxicos que resultan en caso de incendio. Por último,
se realizó un listado de los puntos clave que debe poseer un material aislante
óptimo, estos son: tener propiedades que no pongan en riesgo la salud pública ni
afecten el medio ambiente, facilidad de manejo para el personal de construcción
de obras, que sea rentable y tenga un buen rendimiento con respecto a la
transferencia de calor.
Karlsson y Moshfegh [2005] presentan un estudio en el cual comparan los
resultados obtenidos en la simulación de la vivienda, ubicada en Gothenburg,
Suecia, con los obtenidos en las mediciones realizadas a dicha vivienda. La
vivienda es de tipo baja energía, en el cual tiene aislamiento en su envolvente. El
programa utilizado para realizar las simulaciones fue ESP-R. Con los resultados
obtenidos se concluyó que el decremento en un grado centígrado al interior de la
vivienda incrementa el consumo energético en 200 kWh por año.
Capítulo I.- Introducción
32
Por lo tanto, se analizan técnicas de diseño pasivo, como la colocación de
ventanas de triple acristalamiento, orientación de las ventanas, el espesor del
aislante en la envolvente, entre otros factores que pueden ayudar a mantener el
interior de la vivienda con temperaturas de confort. Finalmente, en condiciones de
invierno se pretende mantener cálido el interior mediante sistemas pasivos en la
arquitectura de la vivienda, mientras que en condiciones de verano, el confort
térmico se logra con solo tener una ventilación adecuada.
Perez-Lombard et al. [2007] realiza un estudio donde investiga el consumo
energético de las edificaciones. Analiza que la contribución global de los edificios
hacia el consumo de energía, tanto residencial como comercial, ha aumentado
llegando a cifras entre 20% y 40% en los países desarrollados, y ha superado los
demás sectores principales: la industria y el transporte. El crecimiento de la
población, la demanda creciente de servicios de construcción y los niveles de
confort, junto con el aumento en el tiempo dedicado dentro de los edificios,
asegura la tendencia al alza en la demanda de energía en el futuro. A la par del
crecimiento del consumo energético, están las emisiones de CO2. El panorama
energético indica una diminución de las fuentes no renovables de energía y un
aumento en el consumo energético, por lo que se espera la utilización de nuevas
tecnologías de producción de energía mediante energías renovables en las
edificaciones.
Gregory et al. [2007] analizan diferentes tipos de paredes con diferentes
tipos de configuración en la viviendas, esto con la intención de analizarlas
numéricamente con el herramienta numérica desarrollada por la Australian
Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) de
nombre AccuRate. Se tuvieron 4 configuraciones de las ventanas y paredes en
edificaciones, y se suponen 4 diferentes materiales para las paredes, estos son:
ladrillo hueco, ladrillo revestido, ladrillo revestido interior y ladrillo de peso ligero.
Capítulo I.- Introducción
33
El programa da como resultado una calificación que especifica la eficiencia
energética, para esta región, una calificación de 5 a 6 es adecuada, ya que
calificaciones mayores, supone un ahorro de energía pero un bajo nivel de confort
al interior. Finalmente se tiene que la configuración de la vivienda con ventana en
su pared y dos paredes interior de ladrillo revestido inverso es la mejor
configuración, ya que presenta una alta calificación de eficiencia energética y un
confort térmico al interior óptimo.
Flores et al. [2009] analizaron el comportamiento de la transferencia de
calor en paredes, para dos tipos de paredes específicamente, la primera de
ladrillo, y la otra es una pared compuesta de ladrillo cerámico, poliestireno
expandido y ladrillo macizo. Se analizan con métodos analíticos, como son el
cálculo del tiempo de retraso y el factor de decremento, el modelo de losa
armónica calentada y el método Athanassouli, además también se realizó el
estudio con un programa de simulación energética, de nombre SIMEDIF. Las
condiciones climáticas a las que se expone la pared, son las propias a la ciudad
de la Pampa, Santa Rosa, en Argentina. Como resultados de estos estudios, se
determinó el espesor óptimo de una pared para viviendas específico para esta
región, siendo la pared compuesta con un espesor de 0.18 metros la más
adecuada para mantener condiciones de confort al interior de una vivienda.
Aste et al. [2009] realizaron un estudio de simulación energética a una
edificación tipo, con los datos meteorológicos de la ciudad de Milán, Italia. El
programa con que se realizaron las simulaciones fue EnergyPlus, se tuvieron 6
diferentes sistemas de construcción, en los cuales se tienen los mismos valores
del coeficiente global de transferencia de calor U, pero diferentes propiedades
físicas de los materiales utilizados, dando esto como resultado, paredes de alta
inercia y baja inercia térmica.
Capítulo I.- Introducción
34
Se realizó un estudio de variación de parámetros, estos son: la tasa de
ventilación al interior, colocación de dispositivos de sombreado, consideración de
sistemas de ventilación, calefacción y aire acondicionado, entre otros parámetros.
Las simulaciones de los 6 diferentes sistemas de construcción dan como resultado
una diferencia en la demanda energética de 10% entre los muros de baja inercia y
alta inercia térmica, para los casos de calefacción; del mismo modo, se presenta
una diferencia de cerca de 20% en el consumo de energía para la refrigeración del
espacio interior entre los muros de baja inercia y alta inercia térmica, esto en el
caso de la refrigeración. Se concluye que la inercia térmica es cada vez más
importante en las soluciones eficaces que proporcionan un ahorro de energía.
1.2.3.- Estudios de simulación energética en edific aciones.
Las edificaciones vidriadas son consideradas como construcciones de tipo
ligeras, ya que su masa térmica es baja, por lo cual permite mayor transferencia
de calor, lo que puede beneficiar en algunas regiones o perjudicar. Por ello, es
importante su análisis y estudio para las regiones donde se pretende edificar, o en
su caso proponer alternativas para mejorar su comportamiento térmico al interior.
Shariah et al. [1998] realizaron un estudio considerando la absortancia en
las superficies externas, para ello simularon dos edificaciones de construcción
ligera y pesada, mediante TRNSYS, tomando en cuenta las ganancias de calor en
paredes y techo. De los resultados destacan que el uso de pinturas claras, como
el color blanco, y un aislante de cinco centímetros de espesor se obtienen
disminuciones de las cargas térmicas de refrigeración y calefacción de un 60% en
las construcción ligeras, y de un 66% en las construcciones pesadas
aproximadamente. Se observó que la absortancia afecta directamente a los techos
y que la ganancia de calor por absortancia en las paredes es mínima y puede
despreciarse.
Capítulo I.- Introducción
35
De la misma manera se realizaron diversas simulaciones considerando la
variación de la absortancia, el color del techo y aislantes en paredes y techos, con
el objetivo de reducir las cargas térmicas, de las cuales se obtuvo un espesor
óptimo de aislamiento para los techos y reducir las ganancias de calor debido a la
absortancia
Datta [2001] realizó un estudio sobre el efecto de dispositivos de
sombreado sobre las cargas térmicas en una edificación con una alta relación de
ventanas con respecto a sus paredes. Utilizó lamas para el sombreado de las
ventanas y simuló su comportamiento variando dos parámetros: el primero fue la
relación entre la distancia vertical entre lamas y la longitud de la lama, el segundo
parámetro fue el ángulo de inclinación de las lamas. Se realizó la simulación para
cuatro diferentes ciudades de Italia, en dos tipos de clima, templado y cálido,
dando como resultado la posición óptima de las lamas para cada edificación en
cada tipo de clima. La simulación fue realizada en TRNSYS y se analizó el
impacto de las lamas sobre las cargas térmicas de refrigeración y calefacción,
dando como resultado una disminución en el consumo energético para
climatización en las edificaciones.
Álvarez et al. [2002] analizaron una edificación con el programa se
simulación energética TRNSYS, obteniendo las cargas térmicas de refrigeración y
calefacción, el edificio es de construcción pesada, una vez teniendo los resultados
de las simulaciones del edificio, se simuló la misma edificación cambiando la
orientación de su eje alargado, originalmente orientado en dirección oeste-este,
comparando los resultados obtenidos, dando como resultado que la orientación
original es la adecuada, ya que presenta un ahorro de 20.03% en las cargas
térmicas de refrigeración y calefacción, con respecto al eje orientado en dirección
norte-este, esto como resultado de una menor incidencia de la energía solar en las
paredes, siendo la diferencia de la incidencia recibida en las paredes de 2.9 kJ
Capítulo I.- Introducción
36
Pujol et al. [2006] presentaron un trabajo donde analizaron las posibles
acciones a implementar en una edificación, que por su diseño tiene altas
ganancias de calor en verano y viceversa en invierno, esto debido a su fachada
vidriada y la mala orientación de la misma. Mediante el uso de TRNSYS simulan
10 posibles acciones para implementar en la edificación, algunas acciones son
buenas para la época de verano, ya que disminuyen las ganancias de calor, pero
incrementan la necesidad de cargas de calefacción para invierno. Otras acciones
son óptimas para invierno pero no para verano. Finalmente, se logró una acción
que permite ser utilizada en verano, disminuyendo las cargas de refrigeración, y
no afecta en invierno. Esta acción consiste en colocar una cortina móvil en la
fachada, que será utilizada en verano, y removida en invierno. Con esta acción se
logra reducir un 33% el consumo energético por cargas de refrigeración.
Norton y Christensen [2006] realizaron un trabajo con el apoyo del
departamento de energía de Estados Unidos, DOE. El objetivo fue diseñar una
casa de bajo consumo energético con los menores costos posibles para
construirla en la ciudad de Denver, Colorado. Para esto, utilizaron los programas
de simulación energética DOE2 y TRNSYS. Los parámetros a variar en el diseño
de la vivienda son: la orientación de la fachada, el tamaño y la ubicación de las
ventanas, tipos de vidriado de las ventanas, los materiales de la pared y techo,
aislantes a utilizar. El resultado obtenido fue un diseño óptimo de una vivienda con
los materiales propios de la región y de bajo costo, como son la madera para los
techos y pared. El aislante a utilizar fue la fibra de vidrio. También se simularon los
dispositivos para la calefacción de agua y la calefacción del interior de la vivienda.
Mediante colectores solares se pretende calentar el agua para el consumo, con un
área de 96 pies cuadrados de colectores sobre en el techo. La calefacción de la
vivienda fue un sistema hibrido, donde se utilizará el gas natural y celdas
fotovoltaicas para la obtención de energía.
Capítulo I.- Introducción
37
Bouden [2006], realizó un trabajo extenso sobre la influencia de las paredes
vidriadas en el consumo energético de una edificación administrativa en Túnez.
Mediante el uso del programa TRNSYS se simuló la edificación con diferentes
relaciones de áreas de vidriado sobre la pared, del 20% al 90% del área total. Así
mismo, también simuló variando el tipo de vidrio, utilizando vidrios reflejantes,
vidrios de baja emisividad, doble vidrio, vidrios claros, entre otros tipos. Dando
como resultado que una pared vidriada puede funcionar mejor que una pared de
ladrillo con 20% de ventanas en su área, teniendo los vidrios adecuados. Para el
caso de la edificación seleccionada, la pared de vidrio adecuada es la que usan
vidrios inteligentes, ya sean reflejantes o de baja emisividad.
Bahaj et al. [2007] realizaron un estudio de las nuevas tecnologías de
vidrios disponibles y las que aun están en estudio. Para esto, simularon dos
edificaciones ubicadas en Dubai, Arabia Saudita, estos son los hoteles Jumeirah
Beach y Burj-al-Arab. El primero tiene un diseño de una vela de barco, por lo que
no en todo el edificio recibe la misma radiación solar. Mismo caso para la segunda
edificación, el hotel Burj-al-Arab, que tiene forma similar a una ola por lo que las
pendientes de inclinación de los techos difieren entre los niveles. Estos edificios
fueron simulados mediante el programa TRNSYS, variando las características del
vidrio con las tecnologías existentes, tales como: vidrios reflejantes, vidrios
electrocrómicos, vidrios fotovoltaicos, vidrios con elementos ópticos holográficos,
entre otros. Los resultados obtenidos fueron que para ambos edificios se logra una
disminución en el consumo energético de hasta 49% utilizando vidrios
electrocrómicos tintados. Aunque la eficiencia de los vidrios electrocrómicos es
buena, tiene una desventaja sobre el efecto que provoca en la iluminación, ya que
transforma la luz solar en una luz con tono color azul. Actualmente, se estudian
nuevas tecnologías en vidrios, la más importante está siendo desarrollada por
Lawrence Berkeley National Laboratory, quienes están desarrollando vidrios a
base de aerogel, esta tecnología promete disminuir en un 7% más el consumo
energético que los vidrios electrocrómicos, sin la desventaja de la iluminación.
Capítulo I.- Introducción
38
Wang et al. [2009] diseñaron mediante la utilización de programas de
simulación energética, como TRNSYS y ENERGYPLUS, una vivienda de energía
cero para la ciudad de Cardiff en Reino Unido. Logrando obtener un diseño óptimo
que incluye los sistemas mecánicos y pasivos para la generación de la energía
que se consumirá. Los parámetros a variar dentro de las simulaciones fueron:
orientación de las paredes, la relación de ventanas en las paredes, materiales de
las paredes, techos y ventanas, principalmente. Con la ayuda de la simulación se
obtuvieron las características óptimas de los equipos mecánicos para generación
de energía necesaria en la edificación, así como también para la calefacción y el
calentamiento de agua. Entre los sistemas que incluyeron en el diseño fue una
turbina de viento, celdas fotovoltaicas, y colectores solares
Taleb y Sharples [2010] realizaron un estudio donde analizaron una
edificación de departamentos comunes de la localidad de Jeddah, la cual presentó
un consumo energético anual de 146.372 kWh y una emisión de CO2 anual de 101
toneladas; realizando algunas mejoras en el diseño del edificio, tales como: un
aislamiento en paredes y techo de 100 mm de espesor de espuma de poliuretano,
uso de doble acristalamiento en las ventanas, utilización de lámparas
fluorescentes en el 70% de la edificación, colocación de protecciones solares en
las ventanas, voladizo y aletas laterales, se logró la reducción de la carga anual de
consumo energético en un 32.4%, con un total de 98.992 kWh y un total de
emisiones de CO2 de 69 toneladas. Adicionalmente, si se aprovecha la irradiación
solar incidente y el techo del edificio, y se colocan paneles solar fotovoltaicos, se
generaría 10% adicional del consumo eléctrico de la edificación.
Assem y Al-Mumin [2010] realizaron una investigación para edificios
vidriados de oficinas en Kuwait. Usaron el programa de simulación energética en
edificaciones ENERGYPLUS para la simulación de los edificios variando los tipos
de vidriado para encontrar los más recomendables para reducir las cargas
térmicas de refrigeración, sin afectar la iluminación.
Capítulo I.- Introducción
39
La principal propiedad de los vidrios utilizados es la transmitancia de la luz,
en un rango del 20% al 57%. Las simulaciones realizadas fueron con vidrios de
tipo: doble claro de baja emisividad, de baja emisividad tintado, de baja emisividad
reflectivo, entre otros. Los resultados obtenidos fueron una disminución en el
consumo energético por cargas térmicas de refrigeración de 6.8% para el vidrio
doble claro, de 15.5% para el vidrio de baja emisividad tintado y de 27.5% para un
vidrio de baja emisividad reflectivo. Así mismo, se simuló la utilización de equipos
de refrigeración con diferentes rendimientos. Para equipos de refrigeración por
aire, el rendimiento debe ser mínimo de 2.2; y para sistemas de refrigeración por
agua, el rendimiento mínimo de 4.7. Utilizando equipos de recuperación de calor
de se puede reducir un 18% la demanda energética para equipos de refrigeración
por aire y un 15% para los equipos de refrigeración por agua. La recomendación
principal para los edificios de esta localidad, es utilizar un vidrio de baja emisividad
con una transmitancia mínima de 40% para no afectar la iluminación del interior
del edificio, con un valor de SHGC de 0.4 para reducir la ganancia de calor en el
interior. También se recomienda tener dispositivos exteriores para una proyección
de sombreado de un metro de profundidad al interior, esto generará una
disminución de aproximadamente 9% en las cargas de refrigeración.
Álvarez et al. [2010] realizaron un estudio donde compararon las
temperaturas obtenidas con la simulación con el programa TRNSYS y los valores
medidos en una sala de reuniones de una edificación ubicada en la Plataforma
Solar de Almería en el desierto de Tabernas, España. El objetivo principal era
describir el comportamiento térmico en evolución libre y comprobar su rendimiento
térmico con los datos medidos. Las variables climáticas de entrada para la
simulación fueron la radiación solar, la temperatura de bulbo seco, la humedad
relativa y la velocidad del viento registrada por una estación meteorológica
instalada en la parte superior del edificio. Las temperaturas difieren con un
porcentaje máximo de 4.51%, lo que equivale a una diferencia máxima de 0.6°C.
Capítulo I.- Introducción
40
1.3.- Justificación.
Con base en la revisión bibliográfica, el panorama actual de los estudios
relacionados con los programas de simulación energética en edificaciones
avanzan a la par de las necesidades de ahorro de energía, los programas cada
vez más incluyen modelos detallados para tomar en cuenta la mayor cantidad
posible de variables que afectan la transferencia de calor.
De los programas analizados, TRNSYS presenta resultados muy cercanos
a los obtenidos con mediciones experimentales, esto debido al modelo que utiliza
para la solución de las ecuaciones de transferencia de calor, en las que incluye un
amplio número de variables que afectan directamente.
Con relación a los estudios de envolventes en edificaciones se presentan
estudios referentes a los tiempos de retraso y factores de decremento de
materiales de alta masa térmica principalmente, pero se tienen pocos trabajos
reportados sobre estudios con materiales con baja masa térmica, como lo son los
que cuentan con envolvente vidriada en diferentes tipos de climas.
Los análisis de consumo energético se realizan principalmente en
edificaciones de construcción pesada, poco hay reportado en la literatura sobre
análisis en edificaciones de construcción ligera, principalmente en edificios
vidriados, ya que son prácticamente diseños modernos. Por ello, es de vital
importancia el estudio de consumo energético en edificaciones vidriadas. Los
pocos estudios reportados coinciden en la utilización de vidrios adecuados para
las condiciones medioambientales en la que se ubican, así como el diseño de
edificaciones con métodos pasivos, con esto, se busca tener una edificación con
un consumo energético bajo y condiciones de confort óptimas al interior.
Capítulo I.- Introducción
41
Se concluye entonces, que con base en la revisión bibliográfica existe una
investigación y búsqueda continua para obtener mejoras en las condiciones
térmicas al interior de las edificaciones mediante técnicas solares pasivas, y así,
disminuir el consumo energético necesario para climatizar el interior con
dispositivos mecánicos, ya sean de refrigeración, calefacción, ventilación, entre
otros. Se observa que se obtienen importantes ahorros de energía en edificios
utilizando un diseño bioclimático.
Teniendo un diseño apropiado el comportamiento pasivo del edificio
contribuirá disminuyendo las ganancias de calor al interior, o aumentando las
ganancias de calor al interior, según sea el caso necesario, dadas las condiciones
climatologías propias del lugar. Esto justifica estudios de ahorro energético para
edificaciones. En México son pocos los trabajos reportados sobre estudios de
edificaciones utilizando programas de simulación energética, más aún, reportes de
trabajos realizados con edificaciones vidriadas, de ahí la importancia y justificación
de la realización de este trabajo.
1.4.- Objetivos.
Se tiene un objetivo general para la realización de este trabajo, así mismo,
se cuentan con objetivos particulares los cuales permitirán y facilitaran un buen
desarrollo del mismo.
1.4.1.- Objetivo general.
Realizar un estudio de las cargas térmicas de una edificación vidriada y de
geometría única ubicado en la Ciudad de México usando el programa de
simulación energética TRNSYS, para evaluar su habitabilidad y proponer
alternativas que permitan alcanzar el confort al interior del edificio.
Capítulo I.- Introducción
42
1.4.2.- Objetivos particulares.
• Estudiar y comprender los procesos de transferencia de calor en
edificaciones.
• Manejo y familiarización del programa de simulación energética TRNSYS
16.
• Evaluación las cargas térmicas para el periodo de un año de la edificación.
• Estudiar las alternativas para mejora del consumo energético en
edificaciones.
• Proponer alternativas para mejorar el consumo energético en la edificación
a estudiar.
1.5.- Alcance.
Realizar un estudio de la demanda energética de una edificación vidriada
en la ciudad de México, D. F. utilizando el programa de simulación energética en
edificaciones TRNSYS y proponer alternativas que permitan alcanzar el confort al
interior del edificio, usando un mínimo de consumo energético.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
43
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos.
Para llevar a cabo la realización de este estudio, así también, para una
mejor comprensión en los métodos de solución utilizados en el programa de
simulación TRNSYS, es necesario tener el conocimiento adecuado sobre los
conceptos y bases teóricas que rigen la transferencia de calor, para esto, en este
presente capítulo se presentan los fundamentos teóricos.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
44
2.1.- Transferencia de calor.
La transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia
de temperatura entre cuerpos o medios diferentes, la cual se puede llevar a cabo
mediante diferentes procesos. Cuando existe un gradiente de temperatura en un
medio estacionario, que puede ser sólido o un fluido, se utiliza el término
conducción para referirnos a la transferencia de calor que se producirá a través del
medio. En cambio, el término convección se refiere a la transferencia de calor que
ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes
temperaturas. Otro modo de transferencia de calor se denomina radiación térmica.
Todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas
electromagnéticas. Por tanto en ausencia de un medio, existe una transferencia
neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas
[Incropera, 1999].
2.1.1.- Mecanismos de transferencia de calor.
A continuación se hace una revisión de algunos aspectos del fenómeno de
transferencia de calor que tienen un papel importante en el funcionamiento de
sistemas solares y en el aprovechamiento pasivo de la energía solar en una
edificación.
2.1.1.1.- Conducción.
La transferencia de calor por conducción, es la transferencia debida a la
actividad molecular que ocurre básicamente a través de sólidos. Cuando las
primeras moléculas se calientan, su energía en forma de calor se transfiere a las
moléculas adyacentes. Cuando se aplica calor, por ejemplo, en un punto extremo
de una barra metálica, aumenta la actividad molecular y la temperatura en el lugar
de aplicación de calor.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
45
Este aumento de actividad es transferido a las moléculas adyacentes, de
forma que la temperatura se irá incrementando progresivamente a lo largo de la
barra. Algunos materiales, por mencionar a los metales, son buenos conductores
de calor, y otros, como los materiales orgánicos, son malos conductores de calor.
El grado con el cual se transmite calor a través de un material depende de
la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el material que es afectado
por esta energía térmica, o entre uno y otros puntos de un mismo cuerpo o
material, además de la conductividad térmica de éste, de su espesor y del área
expuesta.
Cuando otro objeto es puesto en contacto físico con un material caliente el
calor se transfiere directamente al objeto por conducción, mientras el flujo de calor
se detiene cuando ambos objetos o cuerpos alcanzan la misma temperatura
interna.
El flujo de energía calorífica por conducción se puede calcular a través de la
ecuación siguiente:
�� = ��∆� (2.1)
Donde:
Qc = Flujo de energía calorífica por conducción [W]
C = Conductancia del material � = �/ [W/m2 °C]
K = Conductividad térmica del material [W/m °C]
B = Espesor del material [m]
A = Área expuesta al flujo de calor [m2]
∆T = Diferencia de temperatura [°C]
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
46
En la Figura 2.1 se ilustra el esquema en el cual se representa la
conducción de calor en cuerpos homogéneos:
Figura 2.1. Conductividad en un cuerpo homogéneo.
Para elementos constituidos por varios materiales, deberán sumarse las
resistencias individuales de cada material, es decir:
�� = �1 + �2 + �3+. . . �� (2.2)
�� = 1/�1 + 2/�2 + 3/�3+. . . �/�� (2.3)
De forma que la conductancia será igual al reciproco de la resistencia total:
� = 1/ �t (2.4)
2.1.1.2.- Convección.
La convección, es la transferencia de calor entre líquidos y gases, lo cual da
como resultado el movimiento del fluido. Cuando se aplica calor a un recipiente
con agua, la porción de agua que se halla en contacto con el fondo del recipiente
es calentada por conducción, se expande y se vuelve menos densa que el agua
superior, por lo cual tiende a subir.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
47
El fluido más denso y frío reemplazará al más caliente y menos denso que
sube, con lo cual se crea una circulación convectiva. El grado o magnitud del flujo
depende principalmente de las diferencias de densidad producidas por las
diferencias de temperatura. Debido a esta circulación convectiva, eventualmente
se calentará toda el agua del recipiente, de modo que se producirá un calor
uniforme; por lo tanto, la convección implica también un proceso de mezclado.
Cuando el proceso de transferencia de calor ocurre entre un medio sólido y
un fluido, la magnitud del flujo de energía calorífica depende del área superficial
expuesta, de la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido y de un
coeficiente convectivo (hc), que a su vez depende de la viscosidad, de la velocidad
del fluido y de la configuración física y textura de la superficie, la cual determinará
si el flujo del fluido será laminar o turbulento.
El flujo de energía calorífica por convección se puede calcular por medio de
la ecuación 2.5:
�� = h��∆� (2.5)
Donde:
�� = Flujo calorífico por convección superficial [W]
h� = Coeficiente convectivo [W/m2 °C]
A = Área superficial expuesta [m2]
∆� = Diferencia de temperatura entre la superficie y el aire [°C]
La convección también se presenta en la ventilación, es decir, a las
pérdidas o ganancias de energía calorífica por intercambio de aire entre el exterior
y un espacio, ya sea por infiltración o por ventilación deliberada.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
48
La magnitud de flujo de energía calorífica por ventilación se establece
mediante la ecuación 2.6:
�� = 1200 �∆� (2.6)
Donde:
�� = flujo calorífico por ventilación [W]
1200 = calor específico volumétrico del aire [J/m3 °C]
� = tasa de ventilación [m3/s]
∆� = Diferencia de temperatura entre el interior y el exterior [°C]
En la Figura 2.2 se ilustra el mecanismo de convección superficial:
Figura 2.2. Convección superficial.
2.1.1.3.- Radiación.
La transferencia de calor por 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 un medio de transporte. Dado que la
transferencia de energía por radiación ocurre dentro de un amplio espectro de
longitud de onda, se hará referencia a la radiación térmica como aquella que es
emitida por cualquier cuerpo cuyas moléculas han sido excitadas por energía
térmica.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
49
La transferencia de calor por radiación se produce por la conversión de
energía térmica en energía radiante. La energía radiante viaja hacia fuera del
objeto emisor y conserva su intensidad, hasta que es absorbida y reconvertida en
energía térmica por un objeto receptor.
La energía radiante reflejada por un objeto no contribuye a su ganancia de
calor. 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 radiación emitida por un objeto es proporcional a la cuarta
potencia de su temperatura, es decir, si la temperatura (Kelvin) del cuerpo emisor
se incrementa al doble, la intensidad de radiación aumentará 16 veces.
La intensidad de energía radiante recibida por un objeto depende de lo
siguiente:
· De la distancia de la fuente de energía radiante: la intensidad de radiación
recibida varía inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la
fuente y el receptor (I= l/d2).
· 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.
· De la temperatura del cuerpo radiante y del receptor; al cumplir con la
segunda ley de la termodinámica; si ambos cuerpos tienen la misma
temperatura no habrá transferencia de energía.
· De las cualidades de absortancia (α) y emitancia (ε) de las superficies.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
50
En la Figura 2.3 se observa el mecanismo de radiación.
Figura 2.3. Radiación superficial.
El flujo de calor por radiación queda definido por la ecuación 2.7.
�� = ℎ��∆� (2.7)
Donde:
�� = Flujo de calor por radiación [W]
ℎ� = Coeficiente de radiación [W/m2 °C]
� = Área superficial expuesta [m2]
∆� = Diferencia de temperatura entre la superficie y el aire [°C]
Si se conoce la densidad del flujo radiante incidente (G) el calor absorbido
por la superficie será:
�� = ��α (2.8)
Para superficies vidriadas (translúcidas o transparentes), expuestas al sol
(cuerpo radiante).
�� = ��� (2.9)
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
51
Donde:
�� = Flujo de calor por radiación [W]
� = Densidad de energía radiante incidente [W/m2 °C]
� = Área superficial expuesta [m2]
α = Absortancia del material
� = Factor de ganancia solar
Cuando la radiación solar incide sobre una superficie transparente, parte de
esta energía es reflejada, parte transmitida y otra parte absorbida por el material,
en la Figura 2.4 se describe este proceso. Así la relación entre estos tres factores
de energía es:
α + τ + ρ = 1 (2.10)
Donde:
α = Absortancia
τ = Transmitancia
ρ = Reflectancia
Figura 2.4. Características de un cuerpo opaco y un cuerpo transparente como receptores de
energía radiante.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
52
El calor absorbido por el vidrio o el material transparente será re-emitido
como sigue: Una parte hacia el interior y otra hacia el exterior. El factor de
ganancia solar, es igual a la suma de la radiación transmitida, más la proporción
de energía absorbida que se re-emite al interior:
� = τ + ε! (2.11)
Aunque en términos generales se puede considerar como:
� = τ + (α
") (2.12)
2.1.1.4.- Transmisión aire a aire.
Al analizar la transferencia de calor entre el aire y un cuerpo, o viceversa,
es conveniente combinar las componentes convectivas superficial y radiantes en
un solo coeficiente de conductancia superficial:
� = ℎ# + ℎ� [W/m2 °C] (2.13)
El reciproco de la conductancia superficial es la resistencia superficial (1/f),
de tal forma que si se suman estas resistencias a la resistencia total de un
elemento, se obtendrá la resistencia total aire a aire, como se observa en la Figura
2.5, así:
�� = 1/�$ + Rt + 1/�& (2.14)
�� = 1/�$ + 1/'1 + 2/'2 + 3/'3 + . . . n/'n + 1/�& (2.15)
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
53
Donde:
�� = Resistencia aire a aire [m2 °C/W]
1/�$ = Resistencia superficial interna [W/m2 °C]
Rt = Resistencia del cuerpo u objeto [m2 °C/W]
1/�& = Resistencia superficial externa [W/m2 °C]
Figura 2.5. Transmisión aire a aire.
El inverso de la resistencia es la transmitancia térmica, comúnmente
conocido como coeficiente de transmisión. Bajo este nuevo concepto, el flujo de
energía calorífica por conducción a través de muros u otros elementos
constructivos es:
�# = )�∆� (2.16)
Donde:
∆� = �* − �! [°C]
T* = temperatura del aire exterior [°C]
T! = temperatura del aire interior [°C]
La diferencia de temperaturas corresponde a la diferencia existente en el
aire, y no a la de las superficies.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
54
2.1.1.5.- Balance térmico.
Se define balance térmico como un estudio que determina la eficiencia de
un sistema termodinámico, las transferencias de calor y las pérdidas de calor. Con
esta información, es posible determinar si es factible hacer alguna modificación en
el sistema, con el objetivo de mejorar la eficiencia, lo que se traduce en ahorro de
energía.
Existe balance térmico cuando en un recinto o habitación, la suma de todos
los flujos de calor es igual a cero:
�- + �$ ± �� ± �� ± �. – �& = 0 (2.17)
Donde:
�- = ganancia solar
�$ = ganancias internas
�� = ganancias o pérdidas por conducción
�� = ganancias o pérdidas por ventilación
�. = ganancias o pérdidas por sistemas mecánicos
�& = pérdidas por enfriamiento evaporativo
Cuando la suma sea mayor que cero la temperatura interior se
incrementará; pero cuando sea menor que cero (con signo negativo) la
temperatura interior decrecerá [Álvarez, 2000].
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
55
2.2.- Geometría solar.
La geometría solar, es uno de los elementos más importantes dentro del
diseño arquitectónico ya que a través del conocimiento del comportamiento de la
trayectoria solar e incidencia de los rayos solares, tanto en su componente térmica
como lumínica, se logrará dar la óptima orientación al edificio a construir, la mejor
ubicación de los espacios interiores de acuerdo a su uso y se podrá diseñar
adecuadamente las aberturas y los dispositivos de control solar, logrando efectos
directos de calentamiento, enfriamiento e iluminación traducibles en términos de
ahorro energético y de confort humano [Beltrán, 1937].
2.2.1.- El sol.
El sol es una estrella en cierto estado de su evolución que, puede
considerarse como una esfera de materia gaseosa, cuya composición, en peso es
de aproximadamente el 75% de hidrógeno, 24% de helio y el 1% de elementos
más pesados.
En el interior del sol se producen reacciones nucleares que la mantienen en
estado incandescente. Su diámetro es de aproximadamente 1,392,000 kilómetros,
es decir cerca de 109 veces el diámetro de la tierra. La distancia media entre el sol
y la tierra es de aproximadamente 149, 597,871 kilómetros.
Desde el planeta tierra, se observa que, el sol gira, aunque no lo hace como
un cuerpo sólido, sino, con diferente velocidad de unas regiones a otras. Así, la
zona ecuatorial invierte 27 días en cada rotación y las regiones polares, alrededor
de 30 días [Herrero, 1985].
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
56
2.2.2.- Energía solar.
La energía solar es obtenida en el núcleo con base en la fusión nuclear del
hidrógeno para formar un átomo de helio, en ésta transformación el 0.7% de la
masa del núcleo de hidrógeno se convierte en energía radiante, es decir, que si la
reacción termonuclear convierte unos 564 millones de toneladas de hidrógeno en
560 de helio cada segundo, aproximadamente 4 millones de toneladas son
convertidas en energía radiante, lográndose temperaturas en el coro o núcleo
solar de 15E6 °K (millones de grados Kelvin). Se estima que la cantidad de
hidrógeno disponible terminará por agotarse de 5 a 6 millones de años.
La energía solar llega a la tierra en forma de radiación electromagnética
extendiéndose desde los rayos ultravioleta, de 200 nm de longitud de onda, hasta
ondas infrarrojas de 3000 nm de longitud; sin embargo el máximo de radiación se
da a los 500 nm (un nanómetro nm= 1E-9 m).
La intensidad de radiación solar que incide sobre una superficie normal a
los rayos solares fuera de la atmósfera terrestre a la distancia promedio del sol a
la tierra (149,503,000 kilómetros, una unidad astronómica) es llamada constante
solar (Isc). Después de muchos estudios se ha llegado a la conclusión de que el
valor más probable de la constante solar es de 0.137 W/cm2 (W.M.O. 1980) con
un rango de error de ± 1.5%.
La mayor parte de las variaciones en la constante solar tienen lugar en la
porción de ondas cortas del espectro solar, estas variaciones dependen del grado
de actividad solar, ya que aparentemente existe una correlación significativa entre
los cambios de la constante y el tamaño, posición y frecuencia de las manchas
solares.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
57
Las principales variaciones de intensidad de radiación y temperaturas del
aire que experimentamos en la tierra son debidas a la naturaleza ligeramente
elíptica de nuestra órbita alrededor del sol y a la inclinación del eje de rotación
terrestre con respecto al plano orbital o elíptico (23.45 °).
La órbita terrestre, de 973, 728,000 kilómetros, es casi circular (0.01674 de
excentricidad), sin embargo, describe una elipse aparente dentro de la cual el sol
está ligeramente descentrado, de tal forma que la distancia más próxima de la
tierra al sol, o distancia perihélica, es de 146.504 millones de kilómetros, mientras
que la distancia más lejana, o distancia afélica, es de 151.486 millones de
kilómetros.
La tierra pasa por el punto del perigeo (punto de órbita a la distancia
perihélica) el 1° de enero, y pasa por el apogeo (p unto de la órbita a la distancia
afélica) el 1° de julio. Debido a que la intensidad de la radiación solar varia
inversamente con el cuadrado de la distancia del sol, la intensidad de incidencia
normal sobre una superficie extraterrestre varía de 0.1427 W/cm2 el 1° de enero a
0.1355 W/cm2 el 1° de julio [Leyva, 1986].
2.2.3.- Generalidades de la geometría solar.
La tierra tiene varios movimientos, pero sólo dos de ellos son significativos;
el primero es el movimiento de translación orbital alrededor del sol que transcurre
en un año solar de 365 días, 5 horas, 28 minutos y 45 segundos, con una
velocidad de desplazamiento de unos 29 km/s, el segundo es el movimiento de
rotación que transcurre en un día sideral de 23 horas, 56 minutos y 4 segundos a
una velocidad de 432 m/s.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
58
El plano que contiene la órbita terrestre se denomina plano de la eclíptica,
este plano forma un ángulo de 23°26’44”.7 (23°27’) con respecto al ecuador
terrestre y de 66°33’15”.3 (66°33’) con respecto de l eje de rotación. Debido a que
la inclinación del eje de rotación siempre es paralela a sí misma a lo largo de su
desplazamiento orbital, los rayos solares inciden perpendicularmente sobre la
superficie terrestre en un punto distinto cada día del año.
El ángulo de máxima declinación positiva, es decir, el ángulo máximo que
se da en el hemisferio norte entre el rayo solar y el ecuador es de 23°27’ y se
presenta el día 21 o 22 de junio; a esta fecha se le conoce como solsticio de
verano, mientras que a la latitud geográfica en este punto se le conoce como
trópico de cáncer. Se observa que en esta fecha el polo norte recibe los rayos
solares, mientras que el polo sur está en obscuridad.
El ángulo de máxima declinación negativa, es decir, el ángulo máximo que
se da en el hemisferio sur entre el rayo solar y el ecuador es de –23°27’ y se
presenta el día 21 o 22 de diciembre; a esta fecha se le conoce como solsticio de
invierno mientras que a la latitud geográfica en este punto se le conoce como
trópico de capricornio. En esta fecha el polo sur recibe los rayos solares mientras
que el polo norte está en obscuridad.
Existen dos puntos en los cuales los rayos solares inciden
perpendicularmente sobre el ecuador, es decir, con una declinación igual a 0°; el
primero se da el 21 de marzo y se le conoce con el nombre de equinoccio de
primavera. El segundo se da el 23 de septiembre y se conoce como equinoccio de
otoño. Esto se puede observar en la Figura 2.6.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
59
Figura 2.6.- Movimiento terrestre.
Son estas variaciones del ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la
superficie terrestre las que determinan las distintas duraciones del día y la noche
a lo largo de un año, un calentamiento no uniforme de la superficie terrestre con
altas diferencias de presión que originan desplazamientos atmosféricos
compensatorios, estos movimientos determinan también a las estaciones, a todos
los factores ambientales y a la vida misma.
2.2.4.- Bóveda celeste.
Desde antes de que el hombre guarde memoria de su propia historia ha
venido éste observando el cielo, especialmente de noche. La gran cantidad de
estrellas y luceros que pueden contemplarse en una noche clara nos causa
fascinación. Su presencia tranquila nos induce a sentirnos forzosamente
pequeños, minúsculos. En esa gran cantidad de estrellas pueden distinguirse
algunos grupos que permanecen ordenados.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
60
Unas estrellas tienen más luminosidad que otras y mantienen sus
posiciones relativas por lo que podemos agruparlas y ponerlas nombre. Esto lo
han hecho las distintas civilizaciones en general con gran imaginación. De esta
forma agrupamos las estrellas en constelaciones.
Para situar las constelaciones se utiliza la llamada bóveda o esfera celeste.
Es una esfera de tamaño arbitrariamente grande sobre la que proyectamos
cualquier objeto lejano (estrella, planeta, entre otros), haciendo que el rayo de
proyección pase por el centro de la Tierra.
Es fácil entender que para situar un punto sobre dicha esfera podemos
emplear la latitud y longitud como hacemos para situar un punto sobre la Tierra.
Los nombres que se usan en astronomía para estos ángulos son declinación y
ascensión recta.
Para fines prácticos de la geometría solar debemos partir del supuesto
movimiento del sol alrededor de la tierra, de hecho el fenómeno sería idéntico al
real, debido al carácter relativo del movimiento de la tierra con respecto al sol.
En este caso, un observador sobre una superficie plana llamada horizonte,
vería el desplazamiento del sol describiendo órbitas circulares paralelas, a lo largo
de todo el año, sobre una esfera transparente denominada bóveda celeste, como
se muestra en la Figura 2.7; donde cualquier rayo, sin importar la posición del sol,
está dirigido hacia el centro de la esfera.
Estas trayectorias constituyen lo que se conoce como la ruta del sol vista
por un observador desde la tierra. Al punto vertical más alto de la bóveda celeste
se le denomina cenit y al punto equidistante diametralmente opuesto, nadir.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
61
Para localizar un punto sobre la superficie terrestre se emplean las dos
cartas llamadas geográficas o terrestres: latitud y longitud, latitud de un lugar es el
ángulo que forma la vertical del lugar con el plano del ecuador, se cuenta de 0° a
90° del ecuador hacia los polos y puede ser positiv a o negativa, según que el lugar
se encuentre en el hemisferio norte o en el hemisferio sur, la longitud de un lugar
es el ángulo directo que forman el meridiano que se toma como origen; se cuenta
de 0° a 180° y puede ser oriental u occidental segú n el lugar se encuentre en el
este u oeste del meridiano de origen.
Figura 2.7. Bóveda celeste.
Para localizar al sol, o a cualquier astro, en la bóveda celeste se emplean
las coordenadas llamadas horizontales o celestes, por medio de las cuales se
refiere su posición al plano del horizonte y al meridiano del observador, estas son:
altura y acimut.
La altura es el ángulo formado por el rayo Solar, dirigido al centro de la
bóveda y el plano del horizonte, se mide a partir del plano del horizonte hacia el
cenit, de 0° a 90°.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
62
El acimut es el ángulo diedro formado por el plano vertical del sol con el
plano del meridiano del observador, dicho en otras palabras, es el ángulo formado
por la proyección del rayo solar sobre el horizonte con el eje norte-sur verdadero.
En términos de arquitectura bioclimática se mide a partir del sur y puede ir de 0° a
180° hacia el este u oeste.
Estas dos coordenadas celestes constituyen los datos básicos para
cualquier estudio de asoleamiento en el diseño arquitectónico o cualquier otra
aplicación en que se precise conocer la posición del sol en un momento
determinado [Ferreiro, 1996].
En la Figura.2.8, se observan los ángulos cenital θc, de inclinación β,
acimutal γ y de altura h. Que son los principales ángulos en una superficie sobre la
que incide radiación solar. El ángulo de inclinación (β), es ángulo formado entre el
plano de la superficie inclinada y la horizontal.
Figura 2.8. Ángulos: cenital, de inclinación, de altura y acimutal.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
63
2.2.5.- Métodos de análisis del comportamiento sola r.
Existen tres formas de conocer y analizar el comportamiento solar. La
primera es a través de métodos gráficos, que de hecho son los más prácticos para
los arquitectos, ya que a pesar de que no proporcionan información precisa o
exacta, sí se presentan en forma clara, fácilmente traducible en términos de
diseño y con la aproximación necesaria para los fines arquitectónicos.
Se tienen varios tipos de diagramas, cada uno de ellos con distinta
finalidad; diagramas de trayectoria y posición solar: diseño, análisis y evaluación
de sistemas y dispositivos de control, orientación y ubicación de los espacios,
análisis de obstrucciones etc. y diagramas para la estimación cuantitativa de la
energía solar.
La segunda es a través de métodos matemáticos, los cuales nos
proporcionan información precisa, utilizada principalmente para fines técnicos
como lo son: balances de energía, análisis y evaluación de materiales
constructivos y su transferencia térmica, diseño de sistemas y dispositivos solares
activos, entre otros.
La tercera es a través de modelos físicos de simulación; maquetas y
heliodones, que nos dan únicamente una visión cualitativa del comportamiento del
edificio.
2.2.5.1.- Métodos gráficos.
Dentro de los métodos gráficos se tienen dos divisiones referentes, los
diagramas solares de trayectoria y posición, y los diagramas solares energéticos.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
64
· Diagramas solares de trayectoria y posición
· Gráfica solar de proyección ortogonal
· Gráfica solar de proyección estereográfica
· Gráfica solar de proyección equidistante
· Proyección sobre ejes cartesianos
· Proyección gnomónica
· Diagramas solares energéticos
· Cardióides de asoleamiento
· Diagramas de control solar (mascarilla de sombreado)
· Diagramas de radiación solar
· Diagramas de iluminación natural
A continuación se describen cada una de ellas:
· Gráfica solar de proyección ortogonal.
La gráfica solar ortogonal es la representación de la bóveda celeste y la
trayectoria solar en geometral o montea biplanar. En ella podemos localizar
fácilmente la posición del Sol, o la trayectoria del rayo solar a cualquier hora y en
cualquier día del año, es decir, que podemos conocer los valores de los ángulos
de acimut y altura solar.
Existen dos formas de trazar la montea solar: la primera es a través de una
proyección esférica, es decir, la proyección de la bóveda celeste con la trayectoria
solar descrita sobre ella. La segunda es a través de la proyección cilíndrica.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
65
Este método de trazo simplificado fue desarrollado por el Arq. Miguel
Bertrán de Quintana en 1937, y consiste en prolongar la trayectoria solar a un
cilindro tangente a la esfera celeste; Con esto se consigue que el trazo de las
horas, tanto en la proyección vertical como en la horizontal, se resuelva con líneas
paralelas.
En ambos métodos, la lectura del acimut es directa en la proyección
horizontal, sin embargo para poder hacer una lectura correcta del ángulo de altura,
en la proyección vertical, es necesario hacer un giro del rayo solar a fin de verlo en
verdadera forma y magnitud.
La ventaja del método ortogonal es que la trayectoria solar está
representada en el mismo lenguaje en que se expresan los planos arquitectónicos,
es decir, planta, alzado o fachada y perfil o corte; de tal forma que podemos
correlacionar en forma gráfica directa la trayectoria solar y los distintos elementos
arquitectónicos
A través de este método podemos hacer análisis directos de sombras y
penetraciones solares y lo que es más importante, podemos diseñar dispositivos
de control solar con solo transportar las proyecciones de los rayos solares a las
plantas, cortes y alzados de los elementos arquitectónicos. Para ello es necesario
únicamente tener conocimientos elementales de geometría descriptiva.
· Gráfica solar de proyección estereográfica.
La proyección estereográfica es una representación de la trayectoria solar
basada en la proyección ortogonal, que consiste en trasladar la ruta del sol,
descrita sobre la bóveda celeste, sobre el plano del horizonte.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
66
El procedimiento consiste en proyectar cada uno de los puntos hacia el
nadir de la esfera celeste; en la intersección de las líneas de proyección con el
plano horizontal quedan definidas las proyecciones estereográficas de estos
puntos.
Este método tiene la ventaja de no producir distorsión en el contorno de la
gráfica, debido a que no es una proyección ortogonal, sino una representación
“plana” de la trayectoria solar. La lectura de los ángulos de acimut y altura solar se
facilita ya que se encuentran concentrados en una misma carta.
Esta gráfica es muy útil para el estudio de sombras, para el análisis y
evaluación de dispositivos de control solar y para tomar decisiones sobre la
orientación del edificio y ubicación de los espacios, ya que sobre ella pueden
sobreponerse diagramas de sombreado, diagramas energéticos de radiación o
iluminación, o simplemente expresar sobre ella los rangos y variaciones de
temperatura ambiente de la localidad en estudio.
· Gráfica solar de proyección equidistante.
Este tipo de proyección es muy similar a la proyección estereográfica y de
hecho sus usos y aplicaciones son los mismos, sin embargo difieren en su trazo,
ya que ésta proyección consiste simplemente en la graficación de las coordenadas
celestes, altura solar y acimut, sobre un sistema de graficación de ejes polares.
Dos ejes perpendiculares representan los puntos cardinales N-S-E-O, los
cuales sirven de referencia para ubicar los ángulos de acimut, mientras que
círculos concéntricos equidistantes definen los ángulos de altura solar.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
67
· Proyección sobre ejes cartesianos.
Este método consiste simplemente en la graficación de las coordenadas
celestes, altura solar y acimut, sobre un sistema de ejes cartesianos. Se utiliza
principalmente para estudiar las obstrucciones que provocan los elementos
naturales o artificiales sobre el edificio o sobre el sitio de proyecto.
· Proyección gnomónica.
La proyección gnomónica es el origen de la graficación solar. La trayectoria
del sol queda definida por la sombra que describe un gnomón o estilete sobre
cualquier plano. Su principal aplicación se da, desde luego, en los cuadrantes
solares (relojes de sol), sin embargo en la actualidad se utiliza en modelos físicos
de simulación, ya que a través de la sombra del gnomón proyectada y una
maqueta, es posible reproducir o simular las condiciones de posición solar para
cualquier hora, día y ubicación geográfica. Esto nos permite hacer un estudio de
sombras y un análisis o evaluación cualitativa de los dispositivos de control solar.
· Cardióides de asoleamiento.
Estas gráficas se deducen de la “caja solar”, desarrollo del cilindro de la
trayectoria solar de la gráfica ortogonal de proyección cilíndrica, y expresan el
tiempo de asoleamiento (en horas o porcentaje) que reciben las fachadas de un
edificio en cada una de las orientaciones.
Es necesario remarcar que los cardióides no expresan cantidad de
radiación, sino únicamente horas de sol que recibe una fachada, ya que la
radiación incidente está determinada por el ángulo de incidencia del rayo solar con
respecto a la fachada, mientras que el tiempo de asoleamiento no lo considera.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
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· Diagramas de control solar (mascarilla de sombreado).
La mascarilla de sombreado es un diagrama que se utiliza para determinar
las áreas de sombra producidas por cualquier objeto dentro de la bóveda celeste.
Este diagrama está formado por un semicírculo y líneas curvas convergentes a los
extremos del eje diametral. Estas líneas resultan de bisectar a la bóveda celeste
con planos inclinados a cada 10° de altura a partir del horizonte.
Las líneas de intersección de la bóveda con los planos, graficadas
estereográfica o equidistantemente, conforman la mascarilla de sombreado.
Líneas rectas radiales, dentro del semicírculo, determinan los ángulos acimutales
de los objetos obstructores, mientras que las líneas curvas convergentes
determinan, obviamente, los ángulos de altura.
Este diagrama sobrepuesto a la gráfica solar estereográfica o equidistante
nos permite determinar gráficamente las horas día-mes en que se cuenta con
radiación solar incidente sobre una fachada totalmente expuesta o con dispositivos
de control solar, en éste último caso podemos evaluar el grado de protección que
ofrecen éstos elementos al edificio, cuantificando y cualificando la sombra que
proyectan sobre la fachada o aberturas.
Partiendo de un modo inverso, nosotros podemos diseñar los dispositivos
de control si establecemos el grado de protección conveniente, es decir, la
cantidad y calidad de sombra que se necesita proyectar sobre el edificio en las
distintas épocas del año, dependiendo no solamente de los ángulos de incidencia
solar, sino también de las condiciones ambientales del sitio en estudio.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
69
2.2.5.2.- Métodos matemáticos de posición solar.
A través de las ecuaciones teóricas podemos determinar las coordenadas
solares en forma precisa. Para ello es necesario tener la ubicación geográfica del
sitio en análisis: latitud (λ) y longitud (l), y también debemos definir el día del año
(n) y la hora solar en que nos interesa determinar la posición solar.
Para fines del cálculo, la hora solar deberá expresarse en grados, del
meridiano celeste del sol con respecto a la posición del medio día. El ángulo
horario (τ) a las 12:00 h es igual a 00.00° (donde 1° = 4 min utos y 15° = 60
minutos). Matemáticamente el ángulo horario se define como se muestra en la
siguiente ecuación 2.18, en donde, para el tiempo a.m. el ángulo horario es
positivo y para p.m. es negativo, de tal forma que a las 11:00 h el ángulo horario
es igual a +15° mientras que a las 13:00 h es igual a –15° [Ferreiro, 1985].
0 = 112 − ℎ2��315 (2.18)
El primer paso en el cálculo es determinar la declinación (δ), la cual puede
obtenerse a partir de la ecuación de Cooper:
5 = 23.45° sin13601":;<=3
>?@3 (2.19)
Las coordenadas solares: altura (h) y acimut (z), quedan definidas por las
siguientes ecuaciones:
ℎ = ���-&�[1cos D cos 5 cos 03 + 1sin D sin 53] (2.20)
F = arcsin[1�IJ K JLM N3
�IJ O] (2.21)
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
70
Haciendo uso de las expresiones anteriores puede calcularse la longitud del
día a partir del ángulo horario [w], es decir, el tiempo de sol desde el orto hasta el
ocaso. (Haciendo h=0).
P = 2[arccos1− tan D tan 53 (2.22)
Duración del día solar:
Q2��- =N
R@ (2.23)
Mientras que el Orto y el Ocaso se definen por las siguientes ecuaciones:
Orto:
P1 = + arccos1− tan D tan 53 (2.24)
S��2 =NR
R@ (2.25)
Ocaso:
P2 = − arccos1− tan D tan 53 (2.26)
S��-2 =N"
R@+ 12 (2.27)
Donde: Latitud (λ), Longitud (l), Día del año (n), Declinación (δ), Angulo
horario (τ), Altura solar (h), Acimut (z), Duración del día (w), Orto (w1) y Ocaso
(w2).
Una vez definidas las coordenadas solares, altura y acimut, es posible
determinar el ángulo de incidencia del rayo solar en relación a cualquier superficie
inclinada con un ángulo (β) respecto a la horizontal, y una orientación (s) con
respecto al sur. Este ángulo de incidencia (T) queda definido como el ángulo que
se forma entre el rayo solar y la normal de la superficie.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
71
cos T = 1cos ℎ cos � sin U3 + 1sin ℎ cos U3 (2.28)
Donde: T es el ángulo de incidencia, ℎ es la altura solar, � es el ángulo
formado entre el acimut del rayo solar y la proyección horizontal de la normal de la
superficie u orientación de la fachada (S), y β es la inclinación de la superficie con
respecto al plano horizontal.
Si la superficie es vertical (fachada), entonces:
cos T = 1cos ℎ cos U3 (2.29)
Todas las expresiones anteriores están dadas en el tiempo solar verdadero.
La relación entre el tiempo solar verdadero y el tiempo oficial está dada por la
ecuación siguiente:
�$&.V2 W2X�� = �$&.V2 S�$�$�X + Y + 41X� − X3 (2.30)
Donde: Y es la ecuación del tiempo, lr es la longitud del meridiano de
referencia horaria oficial, y l es la longitud del meridiano del lugar.
2.2.5.3.- Métodos físicos de simulación.
· Proyección gnomónica.
Un indicador gnomónico es en realidad un reloj solar, pero en lugar de ser
utilizado para medir o leer el tiempo, se emplea para reproducir la posición celeste
del sol para cualquier latitud, fecha y hora.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
72
De tal forma que colocado sobre una maqueta del edificio en análisis se
puede simular una dirección predeterminada de los rayos solares. Esto nos
permite estudiar las sombras proyectadas y las penetraciones solares que se dan
en los distintos elementos arquitectónicos
· Heliodones o maquinas solares.
Las máquinas solares son dispositivos que permiten simular el movimiento
aparente del Sol respecto a una maqueta arquitectónica.
Estos dispositivos pueden ser clasificados en tres grupos:
· De fuente luminosa fija y modelo arquitectónico móvil.
· De fuente luminosa móvil y modelo fijo
· De fuente luminosa y modelo movibles.
En todos éstos tipos de Heliodones los mecanismos de movimiento deben
ajustar tres variables:
· Latitud, la cual define el ángulo del rayo solar con relación a la
localización geográfica.
· Variación estacional, la cual define la declinación solar en un día dado.
· Variación horaria, la cual define el ángulo horario del sol en cualquier
momento del día.
Existen muchos tipos de heliodones con ligeras variaciones entre sí, por lo
que mencionaremos únicamente los principales.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
73
· Heliodón De Eje Vertical.
El heliodón de eje vertical está formado por una plataforma con
mecanismos giratorios horizontal y vertical, sobre la cual va fija la maqueta. El
movimiento vertical inclinará a la plataforma simulando la latitud geográfica,
mientras que el giro horizontal establecerá los ángulos horarios.
El simulador se completa con un poste vertical con una lámpara deslizable,
este movimiento de la lámpara simulará la posición solar estacional. La distancia
del poste a la plataforma es previamente fijada en función del rango de
desplazamiento de la lámpara, desde luego, entre mayor distancia, el efecto focal
de la lámpara disminuirá.
De cualquier forma es conveniente utilizar una lámpara de reflector
parabólico a fin de proyectar rayos de luz paralelos y lograr más veracidad en la
simulación.
· Helioscopio.
· Heliodón de eje circular.
Los helioscopios son dispositivos similares al heliodón de eje vertical, donde
los mecanismos de movimiento se dan en la lámpara, dejando a la maqueta fija
horizontalmente. Los helioscopios son más ilustrativos, ya que la lámpara, en sus
distintos movimientos describe, con sus trayectorias circulares, la ruta aparente del
sol sobre una bóveda celeste imaginaria; Lográndose así una simulación más
precisa.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
74
· Termoheliodón.
El Termoheliodón es un dispositivo de modelo fijo y fuente luminosa móvil
desarrollado en la universidad de Princeton. Este heliodón, junto con una serie de
dispositivos adicionales está conectado a una computadora, de tal forma que,
además de establecer la posición celeste de sol también simula las condiciones
climáticas ambientales [Ferreiro, 1985].
A través de este mecanismo pueden analizarse:
· Sombras y penetraciones solares.
· Radiación directa incidente sobre los distintos elementos
arquitectónicos.
· Temperaturas ambientes e interiores.
· Humedades relativas ambiente e interiores.
· Efectos del flujo laminar de viento sobre el edificio.
· Flujos convectivos de aire debidos al calentamiento.
· Efectos del terreno sobre el patrón del viento, tanto laminar como
convectivo.
· Conducción térmica de los materiales.
· Otros.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
75
2.3.- El clima y la edificación.
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. El clima es uno de los
factores más importantes en el diseño. De las condiciones climáticas de un lugar
depende que la arquitectura sea de muros pesados o ligeros, de cubiertas
inclinadas o planas, de color oscuro o claro, con grandes o pequeñas ventanas,
entre otros factores arquitectónicos. Las condiciones del clima están en constante
cambio, de un momento a otro y de un lugar a otro suelen variar; incluso dentro de
un área mínima, es común encontrar diferencias significativas [Álvarez, 2000].
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: 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, depende de las condiciones
del cielo.
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.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
76
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, humedad, precipitación, viento, presión, radiación y nubosidad. Para
este estudio climático se considera la temperatura, la humedad, el viento y la
radiación solar [Rodríguez, 2001].
2.3.1.- Radiación 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 directa y difusa en
promedios horarios sobre superficies horizontales, los cuales son muy usados en
simulaciones de procesos solares. Muy pocas mediciones están disponibles sobre
superficies inclinadas y para muy cortos intervalos de tiempo. Los datos diarios
están a menudo disponibles y la radiación horaria puede ser estimada de datos
diarios. La radiación solar total mensual sobre una superficie horizontal puede ser
usada también para algunos procesos solares. Sin embargo, como el
comportamiento de los procesos es no lineal con la radiación solar, el uso de
promedios puede conducir a serios errores si las no linealidades no son tomadas
en cuenta.
Para efectos de análisis térmicos es conveniente considerar la radiación
solar dividida en dos intervalos de longitu
· Radiación solar de onda corta: radiación originaria del sol, en un intervalo de
longitud de onda de 0.3 a 3
y se usan flechas continuas para describirla visualmente.
· Radiación solar de onda
cercanas a la temperatura ambiente ordinaria y esta sustancialmente en
todas las longitudes de onda mayores a los a 3
como radiación terrestre. La radiación de onda larga es emi
atmósfera, por un colector o por algún otro cuerpo en temperaturas
ordinarias.
En la medida de la radiación solar se usan generalmente dos tipos de
aparatos: Piranómetro y Pirheliómetro
· Pirheliómetro: Instrumento para medir la radiación
pequeñas porciones del cielo alrededor del sol
observar en la Figura 2.
Figura 2.9 Pirheliómetro de
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
Para efectos de análisis térmicos es conveniente considerar la radiación
solar dividida en dos intervalos de longitud de onda:
Radiación solar de onda corta: radiación originaria del sol, en un intervalo de
longitud de onda de 0.3 a 3 µm. También se le llama radiación extraterrestre
y se usan flechas continuas para describirla visualmente.
Radiación solar de onda larga: radiación originaria de fuentes a temperaturas
cercanas a la temperatura ambiente ordinaria y esta sustancialmente en
todas las longitudes de onda mayores a los a 3 µm. Es conocida tambi
como radiación terrestre. La radiación de onda larga es emi
atmósfera, por un colector o por algún otro cuerpo en temperaturas
En la medida de la radiación solar se usan generalmente dos tipos de
Pirheliómetro:
Pirheliómetro: Instrumento para medir la radiación directa del sol y de
pequeñas porciones del cielo alrededor del sol, físicamente se puede
igura 2.9. Es en algunos casos llamado actinómetro.
Pirheliómetro de incidencia normal NIP (Directa).
Fundamentos Teóricos
77
Para efectos de análisis térmicos es conveniente considerar la radiación
Radiación solar de onda corta: radiación originaria del sol, en un intervalo de
én se le llama radiación extraterrestre
larga: radiación originaria de fuentes a temperaturas
cercanas a la temperatura ambiente ordinaria y esta sustancialmente en
m. Es conocida también
como radiación terrestre. La radiación de onda larga es emitida por la
atmósfera, por un colector o por algún otro cuerpo en temperaturas
En la medida de la radiación solar se usan generalmente dos tipos de
directa del sol y de
, físicamente se puede
. Es en algunos casos llamado actinómetro.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
78
· Piranómetro: es un instrumento que se usa para medir la radiación total
hemisférica, es decir, la radiación directa más la difusa, usualmente sobre
superficies horizontales. El mismo instrumento puede hacer mediciones
únicamente de la radiación solar difusa si se sombrea con un anillo o disco
sombreador para evitar medir la radiación con incidencia normal, es decir, la
radiación directa. A este instrumento también se le conoce con el nombre de
solarímetro. Físicamente se puede observa en la Figura 2.10.
Figura 2.10 Piranómetro espectral PSP.
Los datos de radiación solar están disponibles en varias formas,
generalmente ellos son mediciones instantáneas, llamada irradiancia, o valores
integrados sobre algún periodo de tiempo llamada irradiación, usualmente horas o
días; las mediciones son de radiación directa, difusa o global; la orientación de las
superficies receptoras es usualmente horizontal, aunque algunas veces con
inclinaciones fijas o normales a la radiación directa.
Hay dos tipos de datos de radiación solar disponibles: los primeros son los
datos de promedios mensuales de la radiación total diaria en una superficie
horizontal, denotado por el símbolo H.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
79
Los segundos son datos de radiación total horaria sobre una superficie
horizontal, denotado por el símbolo I, para cada hora en periodos extensos, tales
como uno o más años. Los datos H son los más comunes obtenidos de las
estaciones. Y las unidades tradicionales son las calorías por centímetro cuadrado
o los mega joules por metro cuadrado [Duffie, 1991].
2.3.2.- Temperatura.
La temperatura es un parámetro que determina la transmisión de calor de
un cuerpo a otro en forma comparativa por medio de una escala. 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, 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 varía la temperatura en un día, mes, estación o
año, y con ello podemos prever el efecto que la masa térmica y la ventilación
pueden tener en el diseño de los espacios [Rodríguez, 2001]
La temperatura del aire se mide generalmente con termómetros de mercurio
montados a la sombra y a una altura entre 1.2 y 1.8 metros, normalmente dentro
de una caseta meteorológica. Este termómetro es conocido como de bulbo seco.
También se pueden utilizar termopares o sensores. La Figura 2.11 muestra tres
instrumentos de medición de la temperatura, que son el termómetro infrarrojo, el
termómetro de mercurio y el termopar.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
80
Figura 2.11 Instrumentos para medir la temperatura.
2.3.3.- Humedad.
La humedad es el contenido de agua en el aire. Esta cantidad varía con el
tiempo y de lugar a lugar, 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 humedad que contiene el aire y la cantidad
de agua necesaria para saturar a este a una misma temperatura. Se llama relativa
porque el aire tiene la característica de poder tener mayor 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. El manejo de la humedad en el diseño es una herramienta
básica de la climatización pasiva por su bajo costo y enorme efecto en los
espacios [Rodríguez, 2001].
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
81
El instrumento más usado para medir la humedad es el psicrómetro, el cual
consiste en dos termómetros de mercurio sujetos a una tableta con manija
giratoria. Uno de los termómetros se usa para medir la temperatura del aire (TBS),
mientras que le otro medirá la temperatura de evaporación del agua contenida en
una gasa mojada que cubre el bulbo del termómetro (TBH). El psicrómetro se
hace girar a manera de onda con el fin de airear la gasa y acelerar la evaporación
del agua.
La temperatura de bulbo seco siempre será mayor que la de bulbo húmedo,
a menos que el aire se encuentre totalmente saturado de vapor de agua, en cuyo
caso las temperaturas serán iguales. De la diferencia de temperaturas se deducen
la humedad absoluta y relativa del aire, relación de datos registrados en tablas,
reglas deslizantes o diagramas psicrométricos.
Existen otros instrumentos para medir la humedad del aire llamados
higrómetros. Algunos funcionan con fibras de varios materiales que se contraen o
expanden con los cambios de humedad. Otros emplean elementos electrónicos
sensibles, conocidos como sensores, que cambian sus características eléctricas
ante las variaciones de la humedad [Álvarez, 2000]. La Figura 2.12 muestra un
Higrómetro que es el instrumento de medición más común para medir la humedad.
Figura 2.12.- Higrómetro analógico y digital para medir la humedad.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
82
2.3.4.- 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].
La velocidad del viento se mide con un anemómetro o sensores específicos
para su medición. Los datos de viento se pueden presentar en forma de una rosa
de vientos, que es un círculo que tiene marcados alrededor los rumbos en que
divide la vuelta al horizonte. El instrumento más común para medir velocidad y
dirección del viento es el anemómetro, y en la Figura 2.13 se muestra un
anemómetro climático portátil.
Figura. 2.13 Anemómetro digital para la medir viento.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
83
2.4.- Confort térmico y estrategias de climatizació n.
A continuación se explica el concepto de confort térmico y los factores que
intervienen para lograrlo. También se presentan las estrategias de climatización en
el diseño de sistemas pasivos, mediante la utilización de la carta psicrométrica.
2.4.1.- Confort térmico.
Confort es el estado físico y mental en el cual el hombre expresa satisfacción,
un bienestar, con el medio ambiente circundante. El confort térmico se refiere a la
percepción del medio ambiente circundante que se da principalmente a través de
la piel, aunque en el intercambio térmico entre el cuerpo y el ambiente los
pulmones intervienen de manera importante. El metabolismo, esto depende del
grado de actividad, es uno de los factores internos más importantes que
intervienen en la obtención del confort. Algunos otros son la edad, el sexo, forma y
superficie corporal, acumulación de grasa, condición de salud, tipos de alimentos y
bebidas, etc. Por otro lado, los factores externos más importantes son:
· Grado de arropamiento: es importante porque de él depende el grado de
transferencia de calor entre el cuerpo y el medio ambiente.
· Temperatura del aire: quizás el factor más importante, ya que entre mayor
sea la diferencia de temperatura entre el aire y el cuerpo, mayor será el flujo
de calor. La temperatura óptima o neutra representa un punto en la escala
térmica, por ello es más conveniente hablar de un rango de temperatura en
el cual el individuo expresa satisfacción con el ambiente.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
84
Los estudios más actuales son los de Szokolay a través de los cuales se ha
elaborado la Tabla 2.1, donde se definen los rangos de confort térmico de varias
ciudades de la Republica Mexicana [Álvarez, 2000].
Aplicando la formula de Szokolay se tiene:
�� = 17.6 + 0.31 1�.�3 (2.31)
F� = �� ± 2.5°� (2.32)
Donde:
�� = Temperatura Neutra
�.� = Temperatura media anual
F� = Zona de confort
Tabla 2.1 Rangos de confort térmico para varias ciudades.
Ciudad Mínimo Tn Máximo
Toluca 18.9° 21.4° 23.9°
D.F. 19.8° 22.3° 24.8°
Puebla 20.2° 22.7° 25.2°
Cuernavaca 21.6° 24.1° 26.6°
Guadalajara 21.0° 23.5° 26.0°
Monterrey 21.9° 24.4° 26.9°
Mexicali 21.9° 24.4° 26.9°
Veracruz 22.9° 25.4° 27.9°
Villahermosa 23.6° 26.1° 28.6°
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
85
· Radiación: afecta la sensación térmica del organismo, por ejemplo el estar en
un ambiente con aire frío, pero expuestos a la radiación del sol o a la emitida
por una chimenea.
· Humedad del aire: juega un papel importante en los mecanismos de
intercambio térmico del cuerpo; sudoración, evaporación e intercambio
térmico pulmonar.
· Movimiento del aire: con el movimiento del aire se incrementa la disipación
de calor de dos maneras; incrementando las pérdidas convectivas de calor y
acelerando la evaporación.
La falta de condiciones térmicas adecuadas provoca trastornos fisiológicos,
cuyos efectos pueden ir desde los temporales de poca significación hasta los
graves que pueden dañar seriamente al organismo e incluso provocar la muerte.
A efectos prácticos se considera que al menos deben cumplirse dos
condiciones para alcanzar un nivel adecuado de confort térmico, estos son:
· Que la combinación actual de temperatura de piel y temperatura del núcleo
corporal proporcionen una sensación térmica neutra.
· Que el balance energético del cuerpo está equilibrado, es decir, que el calor
producido por el metabolismo sea igual a la cantidad de calor disipada por el
cuerpo.
Una representación gráfica de la situación de confort basada principalmente
en condiciones de humedad y temperaturas exteriores, es la propuesta por
Olgyay. Esto aporta medidas correctoras muy directas y que servirán para
optimizar las condiciones de diseño urbano, dicha gráfica se observa en la Figura
2.14.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
86
Figura 2.14.- Diagrama de confort climático humano de Olgyay.
Otra representación gráfica del concepto de confort es la propuesta por
Givoni, quien resume todos los resultados en una única Carta Bioclimática que
dependiendo básicamente de la temperatura y humedad exteriores, propias del
lugar, dirige el diseño del edificio con base en potenciar una u otra técnica pasiva.
La Figura 2.15 muestra la gráfica propuesta por Givoni [CIEMAT, 2002].
Figura 2.15.- Carta bioclimática de Givoni.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
87
2.4.2.- Estrategias de climatización.
Como se mostró en el apartado anterior, existen representaciones gráficas
para ubicar las zonas de confort térmico dado las condiciones climatológicas del
lugar, esto da paso a la utilización de las estrategias de climatización.
El término estrategias se refiere a la definición de las acciones óptimas para
la consecución de un fin, basadas en ciertas reglas o principios que ayuden a
tomar decisiones correctas. Las condiciones térmicas de un lugar pueden
encontrarse en cualquiera de los siguientes casos:
· Por debajo del rango de confort
· En la zona de confort
· Por arriba de la zona de confort
El primer caso es conocido como sub calentamiento, es decir, cuando el
ambiente es frío y por lo tanto es necesario ganar energía calorífica. En este caso
las estrategias básicas serán: promover la ganancia de calor y evitar al máximo la
pérdida de calor ganado o generado en el interior de los locales.
En el segundo caso, las condiciones térmicas son confortables y
adecuadas, por lo cual se deberá tratar de mantenerlas en ese estado. Las
estrategias para conseguirlo dependerán de si la tendencia del comportamiento
térmico es ascendente o descendente.
El tercer caso también es llamado como periodo de sobrecalentamiento, es
decir que las condiciones ambientales son calurosas. En este caso, las estrategias
básicas serán las inversas a los periodos fríos, es decir, evitar la ganancia de calor
y favorecer las pérdidas.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
88
A mediados de los años 70´s, Givoni presentó aportaciones significativas, al
determinar, dentro de un diagrama psicrómetrico los limites de efectividad de
diferentes estrategias de diseño enfocadas a conseguir el confort higrotérmico.
Los límites para las diferentes estrategias forman zonas, que indican hasta donde
el diseño adecuado de las edificaciones puede responder favorablemente ante
determinadas condiciones de temperatura y humedad para propiciar un ambiente
confortable. Originalmente las zonas para cada una de las estrategias se llamaron:
· Zona neutra o de confort
· Zona de ventilación natural
· Zona de calentamiento
· Zona de enfriamiento evaporativo
· Zona de masa térmica
· Zona de humidificación
· Zona de aire acondicionado artificial
Las características de cada zona se describen a continuación:
Zona 1 Calentamiento: promover el calentamiento solar pasivo y conservar
el calor interno, prediciendo el flujo conductivo de calor y evitar pérdidas por fugas
o infiltraciones de aire. Se utiliza esta estrategia cuando la temperatura está por
debajo de los 20°C a cualquier humedad; cuando la t emperatura sea menor de
10°C, se agregarán sistemas activos de calentamient o.
Zona 2 Confort: se define entre 20°C y 25°C y una humedad menor al
80%, la estrategia es el control de la ganancia solar (por ejemplo la utilización de
sombreamiento).
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
89
Zona 3 Ventilación natural: entre 20°C y 32°C con u na humedad relativa
entre 20 y 80%; esta zona incluye la zona de confort, ya que la estrategia deberá
utilizarse para controlar posibles calentamientos ocasionales.
Zona 4 Masa térmica: el límite inferior de temperatura es de 20°C,
incluyendo la zona de confort, y el límite superior de temperatura es mayor en
condiciones áridas debido a dos razones: el cuerpo humano se siente más
confortable a temperaturas más altas con humedades bajas y a que la oscilación
de temperatura es mayor en los climas áridos, teniendo temperaturas más
constantes en los climas húmedos.
Zona 5 Enfriamiento evaporativo: consiste en incrementar el contenido de
agua del aire a través de la vaporización. En el cambio de fase del agua líquida en
vapor se absorbe calor sensible del aire y se transforma en latente, por lo tanto, la
entalpía se mantiene constante; en otras palabras la energía total no se altera. Los
límites de la temperatura de bulbo seco van desde 20°C hasta 40°C.
La carta psicrométrica se utiliza también para ubicar las zonas climáticas
con base en los datos meteorológicos reportados para una región, como se
muestra en la Figura 2.16:
Figura. 2. 16.- Clasificación climática en la carta psicrométrica.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
90
2.5.- Sistemas pasivos y activos en la edificación.
En la actualidad la arquitectura utiliza diversas técnicas para reducir las
necesidades energéticas de edificios mediante el ahorro de energía y para
aumentar su capacidad de capturar la energía del sol o de generar su propia
energía.
Entre estas estrategias de diseño sustentable se encuentran los diseños y
sistemas pasivos y activos, a continuación se describe cada uno de ellos.
2.5.1.- Diseño pasivo.
Este método es utilizado en arquitectura con el fin de obtener edificios que
logren su acondicionamiento ambiental mediante procedimientos naturales.
Utilizando el sol, las brisas y vientos, las características propias de los materiales
de construcción, la orientación, entre otras.
Dado que un edificio se construye con el fin de cobijar y separarnos del
clima exterior creando un clima interior, cuando las condiciones del exterior
impiden el confort del espacio interior se recurre a sistemas de calefacción o
refrigeración. El diseño pasivo busca minimizar el uso de estos sistemas y la
energía que consumen. Entre las medidas de diseño más eficaces se encuentran:
· El ahorro de energía mediante el uso de aislamiento térmico.
· Orientación adecuada de cada ventana respecto al sol.
· Protección solar sobre las ventanas
· Ventilación natural
· Uso de la inercia térmica
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
91
Los sistemas pasivos se fundamentan en el control de las variables
climáticas en el interior de las edificaciones mediante el uso racional de las formas
y de los materiales utilizados en arquitectura, incidiendo fundamentalmente en la
radiación solar, facilitando o limitando su incidencia y utilizando los aislamientos y
la inercia térmica de los materiales como sistemas de control y amortiguamiento
térmico. La elección de los vidrios y del material de construcción de los forjados,
cerramientos, tabiquería y estructuras se supedita a la obtención de los resultados
prefijados.
Se les llama sistemas pasivos ya que no se utilizan otros dispositivos
electromecánicos, como bombas recirculadoras, ventiladores, entre otros equipos,
para recircular el calor. Esto sucede por principios físicos básicos como la
conducción, radiación y convección del calor [CIEMAT, 2002].
2.5.2.- Diseño activo.
Los diseños activos son utilizados en arquitectura para satisfacer las
condiciones de confort al interior de las edificaciones con el uso de equipos,
dispositivos y aparatos mecánicos para lograr obtener las condiciones deseadas.
Los sistemas activos, por el contrario que los sistemas pasivos, aplican
directamente las nuevas tecnologías de aprovechamiento de las energías
renovables, como la solar, para producción de agua caliente sanitaria, calefacción
o energía fotovoltaica, la energía eólica o la biomasa.
En este sentido habría que hacer una primera distinción entre aquellas
técnicas probadas y cuantitativamente rentables en todas condiciones, como es la
energía solar para ACS (agua caliente sanitaria), o la energía eólica, de aquellas
otras cuya aplicación es más discutible en términos de rentabilidad, como la
fotovoltaica.
Capítulo II.- Fundamentos Teóricos
92
También entrarían en este apartado todos aquellos sistemas de ahorro
energético de equipos tradicionales, como los que suponen las centrales de
cogeneración y todos aquellos otros sistemas de control ambiental que necesitan
un gasto inicial de energía para su correcto funcionamiento: sistemas móviles de
parasoles, domótica, sistemas variables de iluminación, entre otros equipo
mecánicos de HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado).
Capítulo III.- TRNSYS
93
Capítulo III.- TRNSYS.
En este capítulo se describen las funciones del programa TRNSYS, los
componentes, las características, las interfaces utilizadas para este trabajo y los
diversos resultados que se pueden obtener a partir de las simulaciones realizadas.
También se detallan brevemente las ecuaciones utilizadas para la solución de la
transferencia de calor en los principales componentes en la envolvente de una
edificación.
Capítulo III.- TRNSYS
94
3.1.- Descripción general.
A continuación se presenta una descripción de las principales
características y componentes de TRNSYS, sus orígenes y su utilización en
edificaciones, se describirá cada uno de los componentes utilizados en este
trabajo.
3.1.1.- TRNSYS.
TRNSYS es un programa de simulación de sistemas transitorios con una
estructura modular que utiliza el método de funciones de transferencia para
resolver el sistema de ecuaciones diferenciales que describen el problema físico.
El nombre viene de “TRansient eNergy SYstem Simulation tool”. Está disponible
desde 1975, surge como un proyecto conjunto entre la el Laboratorio de Energía
Solar de la Universidad de Wisconsin-Madison y el Laboratorio de Aplicaciones en
Energía Solar de la Universidad de Colorado [TRNSYS, 2007].
En la década de 1970 se construyó una casa en Colorado para estudiar las
nuevas tecnologías de energía solar. La Universidad de Wisconsin contribuyó
escribiendo un programa Fortran para predecir el uso de la energía en el edificio.
En trabajos posteriores, la Universidad de Wisconsin, desarrolló un método para
describir cada componente del sistema y la energía como una subrutina en
Fortran, la cual tiene entradas y salidas. Cualquier persona con un compilador
Fortran puede utilizar el formato de los componentes básicos para modelar las
nuevas tecnologías y rápidamente incorporarlos en la biblioteca de TRNSYS.
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.
Capítulo III.- TRNSYS
95
En TRNSYS, 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 e itera en cada instante de tiempo, hasta que el sistema converge. Los
componentes de TRNSYS incluyen sistemas termoenergéticos como equipos de
acondicionamiento, edificios detallados, sistemas solares térmicos, entre otros.
Por lo tanto, el uso de TRNSYS facilita la solución de sistemas energéticos
complejos, debido a su estructura modular.
3.1.2.- Simulación térmica transitoria y en estado permanente.
Se define como una simulación transitoria si el tiempo es una variable en el
modelo de alguno de los componentes del sistema. En general una simulación
transitoria es requerida si una de las tres situaciones ocurren:
1. Un 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, es decir, su
derivada es diferente de cero.
3. Una cantidad física calculada por la simulación debe ser integrada en el
tiempo por el componente integrador.
Aunque las situaciones 2 y 3 ambas llaman a una integración numérica, son
conceptualmente diferentes y TRNSYS las maneja de manera diferente. Si la
descripción matemática de un componente involucra una o más ecuaciones
diferenciales, TRNSYS debe saber el número de ecuaciones diferenciales
involucradas y los valores de las variables dependientes al inicio de la simulación.
Capítulo III.- TRNSYS
96
TRNSYS espera que las derivadas de las variables dependientes en
cualquier instante sean evaluadas por el componente del modelo. Usando los
valores proporcionados de las derivadas. Así también el programa
automáticamente realiza la integración para evaluar las variables independientes.
La simulación de sistemas no transitorios son llamadas simulaciones en
estado permanente. Un sistema en estado permanente es uno en el cual ninguna
de las variables del sistema cambia con el tiempo. TRNSYS puede ser usado para
simulaciones en ambos casos.
3.1.3.- Funciones de transferencia.
Una función de transferencia es un modelo matemático que entrega la
respuesta de un sistema a una señal de entrada o excitación exterior. Uno de los
primeros matemáticos en describir estos modelos fue Laplace, a través de su
transformación matemática. Por definición una función de transferencia se puede
determinar según la siguiente expresión:
���� = ������� (3.1)
Donde H�s� es la función de transferencia; Y�s�es la transformada de
Laplace de la respuesta y U�s� es la transformada de Laplace de la señal de
entrada. La función de transferencia también puede considerarse como la
respuesta de un sistema inicialmente inerte a un impulso como señal de entrada:
���� = ��ℎ����} = � ����ℎ�����∞
� (3.2)
Capítulo III.- TRNSYS
97
La salida o respuesta en frecuencia del sistema se halla entonces de:
���� = ���� ���� (3.3)
Y la respuesta como función del tiempo se halla con la transformada de
Laplace inversa de Y�s�:
���� = ���[����] (3.4)
Cualquier sistema físico, ya sea mecánico, eléctrico u otro, se puede
traducir a una serie de valores matemáticos a través de los cuales se conoce el
comportamiento de estos sistemas frente a valores concretos. Para resolver el
modelo de ecuaciones básicas de transferencia de calor a través y entre todos los
elementos de una zona, el problema se reduce a la siguiente ecuación matricial:
!",$% &�,"% = ['"] (3.5)
Donde &�," representa la temperatura de la superficie interior del elemento (, a menos que ( sea igual al número de superficies más una �n + 1�, en tal caso
sería la temperatura del aire en la zona. El factor '" incluye las entradas que
varían con el tiempo que afectan a &�,". !",$ es un coeficiente que relaciona la
transferencia de calor entre los elementos ( y ,. Una vez formulado el problema en
términos de la ecuación anterior, se hacen suposiciones simplificadas que
conduzcan a una matriz !",$ independiente del tiempo. Entonces la matriz !",$ se
invierte una vez al principio de la simulación y es almacenada para usarla más
tarde. La solución del conjunto de ecuaciones es reducida a una multiplicación de
la matriz invertida y el vector dependiente del tiempo dado por la ecuación
siguiente:
Capítulo III.- TRNSYS
98
&�,"% = !",$%��['"] (3.6)
El concepto de función de transferencia fue desarrollado por Mitalas y
Stephenson, y consiste en una simplificación de un balance térmico detallado, en
el cual, en primer lugar se calculan las temperaturas superficiales de los cuartos y
las cargas de enfriamiento para numerosas construcciones que representan
oficinas, escuelas y viviendas típicas de construcción ligera, mediana y pesada,
mediante un balance térmico detallado. Las ganancias de calor por radiación solar,
conducción, iluminación, equipamiento y ocupantes fueron son simuladas por
pulsos de fuerza unitaria.
Las funciones de transferencia para las construcciones típicas son
calculadas como constantes numéricas, representando las cargas de enfriamiento
correspondientes a los pulsos de excitación de entrada, de los cuales
posteriormente se asumen independientes. De este modo, en lugar de realizar un
balance térmico detallado, el cálculo se hace con una simple multiplicación de las
funciones de transferencia por una representación de series de tiempo de la
ganancia de calor y la consecuente sumatoria de esos productos.
En general, las ganancias de calor de los espacios no equivalen a las
cargas de enfriamiento de los mismos, ya que un incremento de la energía
radiante dentro de un espacio, no causa inmediatamente un incremento en la
temperatura del aire, sino que primero debe ser absorbida por los muros y otros
elementos, causando un incremento en su temperatura superficial y
posteriormente, por convección, se provoca un incremento en la temperatura del
aire. Por esta razón, el cálculo de las cargas térmicas del espacio se lleva a cabo
en dos pasos, en primer lugar, se calculan las ganancias o pérdidas de calor y en
segundo lugar, las cargas de enfriamiento correspondientes, tomando en cuenta el
almacenamiento de calor de la masa térmica del espacio.
Capítulo III.- TRNSYS
99
3.1.4.- Salidas del programa.
Los datos de entrada al programa, que son necesarios para realizar las
simulaciones son principalmente los datos meteorológicos, las dimensiones del
edificio, las propiedades termofísicas de los materiales de construcción, la latitud,
la orientación de las paredes del edificio, entre otras. Estas entradas como se ha
mencionado son las fuentes de alimentación del código de cómputo, que a su vez
dará salidas dependientes del tiempo como:
· QCOOL: Cargas de enfriamiento
· QHEAT: Cargas de calentamiento
· QDEHUM: Cargas de deshumidificación
· QHUM: Cargas de humidificación
· QCMAX y QHMAX: Cargas máximas de calentamiento y enfriamiento
· QCOM1: Flujos radiativos y convectivos sobre la envolvente del edificio
· QCONV: Ganancias por convección
· QINF: Ganancias por infiltración
· RAD: Radiación solar incidente sobre la envolvente
Estas salidas son los resultados de las simulaciones, los cuales pueden ser
visualizadas gráficamente dentro del graficador de resultados del programa y
también se puede generar un reporte con los resultados en un archivo externo.
3.2.- Componentes del programa.
A continuación se detallan algunas de las características principales de
componentes del programa y se describe la función y las características de cada
uno de ellos.
Capítulo III.- TRNSYS
100
3.2.1.- Numeración de componentes.
El programa TRNSYS identifica los diferentes tipos de componentes que
aparecen en el diagrama de flujo asociando un número de tipo, se le denomina
Type, con cada clase de componente. Por ejemplo, el módulo Detailed Zone
proporcionado por TRNSYS se designa como el componente Type19 el cual esta
descrito en una subrutina de FORTRAN.
3.2.2.- Numeración de las unidades del sistema.
El programa TRNSYS reconoce la posición de cada componente dentro del
diagrama de flujo mediante la numeración arbitraria pero única asignada por el
usuario como Unit entre 1 y 75. Los números de Unit no están relacionados a los
números de Type, y no necesariamente deben estar en orden secuencial.
3.2.3.- Tipos de información.
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 le concierne al usuario.
Capítulo III.- TRNSYS
101
3.2.4.- Subrutinas de utilerías.
El programa TRNSYS incluye algunas subrutinas que desempeñan
funciones generales para las rutinas Type, estas son: Typeck, Dat, Talf, Diffeq,
Encl, View, Table, Invert, Fit, y Psych. Por ejemplo la subrutina Psych se usa para
calcular diversas propiedades de humedad del aire basándose en correlaciones
del manual ASHRAE y la ley de los gases ideales, así cada una de estas
subrutinas tiene una función de cálculo en especifico, que sirven como apoyo en
cálculos rápidos.
3.2.5.- Módulos componentes para el cálculo de carg as térmicas.
A continuación se describen algunos de los módulos componentes usados
para calcular cargas térmicas en edificios, aplicando el método de función de
transferencia, haremos una descripción más detallada del Type56 que es el
modelo componente de más interés para definir las cargas térmicas en
edificaciones.
3.2.5.1.- Lector de datos Type9.
Este componente tiene la función de leer los datos meteorológicos de una
unidad lógica en intervalos de tiempo regulares, convierte a un sistema de
unidades deseado y permite que estos datos estén disponibles para alimentar
otros componentes o unidades (UNITS). 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 Type9 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.
Capítulo III.- TRNSYS
102
3.2.5.2.- Procesador de radiación solar Type16.
Los datos de radiación solar 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 radiación incidente en las superficies
que se tengan en el diseño a simular.
El Type16 tiene cinco modos diferentes para el cálculo de la radiación solar
sobre superficies, estos varían de acuerdo a los datos que se proporcionen, los
cuales pueden ser: solamente se proporcione el dato de la radiación total
horizontal; los datos de radiación total horizontal, temperatura y humedad relativa;
los datos de la radiación difusa y directa; los datos de la radiación total horizontal y
la radiación normal directa; y el ultimo modo es mediante la proporción de los
datos de la radiación total horizontal y la radiación difusa. De acuerdo a los datos
que se tengan disponibles será la selección del modo del procesador de radiación.
Generalmente se requieren simulaciones de radiación global en sistemas
de energía solar. El modelo usado en esta subrutina para estimar la radiación
solar global sobre una superficie inclinada requiere del conocimiento de la división
de la radiación solar global horizontal en sus componentes difusa y directa. Si sólo
se mide la radiación solar global horizontal, las correlaciones proporcionan una
estimación de la radiación solar difusa o directa sobre una superficie horizontal.
Los componentes horizontales se proyectan sobre la superficie inclinada.
Capítulo III.- TRNSYS
103
3.2.5.3.- Procesador psicrométrico Type33.
La carta psicrométrica es utilizada cuando se desea inferir una variable
deseada tomando como entradas la temperatura de bulbo seco, y otras
propiedades dependiendo del modo. A su vez brinda salidas como la temperatura
de bulbo húmedo, temperatura del cielo, entalpía, etc. Otro parámetro que es
calculado es la presión total del sistema en atmósferas.
En la mayoría de los casos, donde se requieren las propiedades a
condiciones ambiente, es mejor utilizar la carta para agregar las propiedades
requeridas al archivo del clima. Esto generalmente es más eficaz que repetir los
cálculos para cada simulación.
3.2.5.4.- Edificio multi-zonas Type56.
Este componente modela el comportamiento térmico de una edificación
dividida en diferentes zonas térmicas. Para utilizar este componente, debe ser
ejecutado primero un programa separado de pre-procesamiento.
El programa Prebid lee y procesa un archivo que contiene la descripción del
edificio y genera dos archivos que serán usados por el Type56 durante una
simulación en TRNSYS. El archivo que contiene la información del edificio tiene
extensión (*.BLD) y es 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 fácilmente los datos introducidos en Prebid. Es importante
señalar que solo un Type56 puede ser utilizado para cada simulación y que
también se puede simular una zona individual.
Capítulo III.- TRNSYS
104
3.2.6.- Módulos componentes para salida de resultad os.
Para los resultados el programa TRNSYS tiene diversas formas de
presentarlos, ya sea gráficamente o en un reporte generado en un formato de
lectura. A continuación se describen algunos de estas formas de salida de
resultados.
3.2.6.1.- Impresora Type25.
Este componente se utiliza para imprimir sistemas de información
seleccionados a intervalos de tiempo especificados, generando un archivo de
lectura en el cual se imprimirán los resultados.
3.2.6.2.- Graficador Type26.
La función de este componente es el de generar una gráfica de uno o más
sistemas de variables seleccionadas contra el tiempo, el cual generará una
imagen de las graficas con la posibilidad de guardar o copiar dichas imágenes.
3.2.6.3.- Resumen de simulación Type28.
El componente de resumen sumarizado de la simulación Type28, como los
Type25 y Type26, es una componente de procedimientos de salidas. El Type 28
puede usarse convenientemente para generar resúmenes de información
calculada en la simulación por día, semana, mes o por estaciones. Muchos
cálculos que pudieran formalmente ser realizados a mano desde la salida (Type
25) pueden realizarse ahora a intervalos específicos en forma automática.
Capítulo III.- TRNSYS
105
3.3.- Referencias matemáticas.
Los modelos matemáticos utilizados por el programa TRNSYS para el
cálculo de la transferencia de calor en elementos que componen una edificación
son presentados a continuación.
3.3.1.- Modelos matemáticos para el cálculo de la t ransferencia de
calor.
Se describen los modelos para el cálculo de la transferencia de calor en
algunos componentes de la edificación, así como también los modelos que utiliza
el programa TRNSYS para la consideración de algunos elementos importantes en
la transferencia de calor.
3.3.1.1.- 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:
-." = ∑ 01,"12� &�3,",1 − ∑ 51,"12� &67,",1 − ∑ �1,"12� -.",1 (3.7)
Los coeficientes 01, 51 y �1 son los coeficientes de la función de
transferencia para los valores actuales y previos de la temperatura sol-aire &�3,",
temperatura equivalente de la zona &67,", y el flujo de calor -.". La temperatura sol-
aire, &�3,", es 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.
Capítulo III.- TRNSYS
106
Un valor de ℎ igual a cero representa el intervalo de tiempo actual, ℎ igual a
uno representa la hora previa y así sucesivamente. Para una pared vertical,
generalmente se expresa por:
&�3," = &3 + �89:�; 1<,=
(3.8)
La temperatura de zona equivalente &67,", es análoga a la temperatura sol-
aire para la superficie interior. &67," 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:
&67," = &> + ?;@∑ 1A,;B�CD,B�CD,;�EBFG1<,;
(3.9)
La cantidad H" 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 ℎI,"$. Todas las superficies se suponen
negras para longitudes de onda-larga, tal que:
ℎI,"$ = 4KL",$&M (3.10)
El coeficiente radiativo se supone constante a través de la simulación y es
evaluado a la temperatura inicial de la zona especificada por el usuario. Los
factores de vista entre todas las superficies de la zona son calculados para un
paralelepípedo rectangular por la subrutina ENCL. El usuario especifica la
dimensión de la zona, junto con la localización de cualquier ventana o puerta.
Capítulo III.- TRNSYS
107
La ecuación 3.7 expresa la transferencia de calor por la superficie interior
en términos de la relación de la función de transferencia. Sin embargo, esta puede
ser dada de acuerdo con la siguiente ecuación de transferencia de calor:
-N. = ℎO,"�&�," − &67,"� (3.11)
Si la ecuación anterior es substituida dentro de la ecuación 3.7, el resultado
puede ser arreglado en la forma de la ecuación siguiente como:
&�," P1 − O=,;∗
1<,;∑ ℎI,"$R$2� S + O=,;∗
1<,;∑ ℎI,"$R$2� &�$ + 5T,"∗ &> =
∑ 01,"∗12� &�,",1 − ∑ 51,"∗12� &67,",1 − ∑ �1," 12� &�,",1 − O=,;∗ ?;1<,;
(3.12)
Donde:
5T,"∗ = O=,;1<,;
− 1 (3.13)
51,"∗ = OU,;1<,;
− �1 (3.14)
01,"∗ = VU,;1<,;
(3.15)
En términos de la nomenclatura de las funciones de transferencia:
!",$ = O=,;∗
1<,;ℎI,"$ WXYX ( ≠ , (3.16)
!"," = 1 − O=,;∗
1<,;∑ ℎI,"$R$2� (3.17)
Capítulo III.- TRNSYS
108
!",R@� = 5T,"∗ (3.18)
'" = ∑ 01,"∗12� &�3,",1 − ∑ 51,"∗12� &67,",1 − ∑ �1," 12� &�,",1 − O=,;∗ ?;1<,;
(3.19)
3.3.1.2.- Partición interior.
Una partición interior se supone que es una pared que está expuesta a
condiciones idénticas por ambas superficies. Con este criterio, la pared es
adiabática en la línea central y la transferencia de calor en la superficie está dada
como
-N. = ∑ �12� 01," − 51,"�&67,",1 − ∑ �1,"-N,1.12� (3.20)
Sustituyendo la ecuación 3.11 dentro de la ecuación 3.20, el resultado
puede ser arreglado en la forma de la siguiente ecuación, tal que:
!",$ = �O=,;∗ �V=,;∗ �1A,;B1<,;
WXYX ( ≠ , (3.21)
!"," = 1 − �O=,;∗ �V=,;∗ � ∑ 1A,;B1<,;
(3.22)
!",R@� = 5T,"∗ − 0T,"∗ (3.23)
'" = − ∑ 51,"∗12� &67,",1 − ∑ �1," 12� &�,",1 − �O=,;∗ �V=,;∗ �?;1<,;
(3.24)
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.
Capítulo III.- TRNSYS
109
3.3.1.3.- 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 &67," 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 3.16 a la 3.19, se aplican para paredes interiores entre
las zonas si &�3," es remplazada por &67,". La temperatura de zona equivalente para
cualquier pared está dada como una salida opcional del programa.
3.3.1.4.- 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:
[N. = \"�],T,"�&3 − &67,"� (3.25)
El coeficiente de pérdidas desde la superficie interior a la exterior de la
ventana es un dato de entrada. El coeficiente global de pérdidas, �],T es el
reciproco de la suma de resistencias de la ventana � �^
�, el aire exterior � �1<,=
� y el
aire interior � �1<,;
�. La transferencia de energía es evaluada con la ecuación anterior
usando el último estimado de la temperatura interior equivalente &67,". Con esta
suposición, las ecuaciones de la 3.21 a la 3.24 son aplicables.
Capítulo III.- TRNSYS
110
Este procedimiento permite un coeficiente de pérdidas global mientras se
retiene la independencia de tiempo de la matriz !"$.
En el segundo modo de ventana, la energía solar transmitida a través de la
pared y las ganancias térmicas de calor son datos de entrada. Estos pueden ser
calculados usando un modelo de ventana más detallado tal como los que utiliza el
Type35. Las ecuaciones de la 3.21 a la 3.24 son también aplicables a este modo.
3.3.1.5.- Ganancias radiativas.
Las ganancias por radiación de cada una de las superficies del cuarto se
pueden originar por lámparas, personas, y radiación solar que entra por las
ventanas. La radiación solar que pasa a través de las ventanas se supone que es
reflejada difusamente. Considere un rayo radiativo que pega a una superficie _. La
radiación difusa que sale de la superficie _ pega en la superficie ( y se determina
usando factores de intercambio totales de Beckman.
Este factor L̀a", es definido como la fracción de energía que pega en la
superficie ( la cual es difusamente originada en la superficie _. Para una cavidad
con N superficies difusas reflejantes, Fki se expresa como:
LNbc = L"$ + L"de� L̀"$ + . . . + L""e" L̀"$ + . . . + L"$ e" L̀$$ + . . . + L"ReR L̀R$ (3.26)
La solución de la ecuación anterior puede ser escrita en notación matricial
como:
L̀"$% = g"$ − L"$e"% L"$% (3.27)
Capítulo III.- TRNSYS
111
Donde:
g"$ = 1 WXYX ( = , g"$ = 0 WXYX i�Yi� 5X�i�
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 _ que pega en la superficie es La". 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.
3.3.1.6.- Espacio interno.
Realizando un balance de energía sobre la zona de aire y considerando
cualquier mobiliario como un sistema global, denominado lumped, se tiene:
j3k&>l − &>9
∆� = n ℎO,$\$o&�,$ − &>p + [.qR
$2�
+[. "rsd + 0.3[.�k6kd + [. "r� + [.> (3.28)
Para cambiar esta expresión a la forma de la ecuación 3.1 mientras
mantenemos la independencia de tiempo de Zij, es necesario realizar dos
suposiciones simplificadas. Primero, la variación de temperatura de zona es
considerada lineal en cada paso de tiempo de la simulación. Segundo, las
ganancias de energía por ventilación e infiltración son evaluadas usando el último
estimado de la temperatura de zona.
Capítulo III.- TRNSYS
112
Con estas suposiciones, la ecuación 3.28 puede ser arreglada como:
!R@�,$ = ℎO,$\$ (3.29)
!R@�,R@� = ∑ ℎO,$\$ − uvwx∆�
R$2� (3.30)
'R@� = −[.> − [.q − [. "rsd − 0.3[.�k6kd − [. "r� − uvwx∆� &>9 (3.31)
Las ganancias por ventilación e infiltración son expresadas como
[.q = y. qjk3�&q − &z� (3.32)
[. "rsd = y. "rsdjk3�&3 − &z� (3.33)
El flujo de ventilación es un dato de entrada, mientras que la razón de
infiltración se determina de
y. "rsd = {3|3�}� + }u|&3 − &z| + }M�� (3.34)
Donde: K1, K2 y K3 son constantes empíricas. Valores típicos para
diferentes calidades de construcción, tomadas del Handbook of Fundamentals
[ASHRAE, 2004], están dados en la Tabla 3.1 (Unidades del Sistema
Internacional) .
Tabla 3.1.- Coeficientes de regresión lineal múltiple de infiltración
Tipo de construcción K1 K2 K3 Descripción
Fuerte 0.10 0.011 0.034 Nuevo edificio donde han sido tomadas precauciones
especiales para prevenir la infiltración.
Mediana 0.10 0.017 0.049 Edificación construida usando procedimientos
convencionales de construcción.
Ligera 0.10 0.023 0.07 Evidencia de construcción pobre sobre edificaciones
viejas donde las uniones han sido separadas.
Capítulo III.- TRNSYS
113
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 fue tomada del Handbook of Fundamentals [ASHRAE
2004].
Tabla 3.2.- Coeficientes de ganancias de calor debido a los ocupantes en espacios
acondicionadosa.
No Grado de actividad Aplicación típica Calor total b
Calor
sensible Calor
latente Watts Btu/h Watts Btu/h Watts Btu/h
1 Sentado, descansando Teatro, cine 100 350 60 210 40 140
2 Sentado, escribiendo
poco. Oficinas, hoteles, Departamentos.
120 420 65 230 55 190
3 Sentado, comiendo Restaurante
c,
Oficinas, hoteles, Departamentos.
170 580c 75 255 95 325
4 Sentado, trabajo ligero, escribiendo a maquina
Oficinas, hoteles departamentos.
150 510 75 255 75 255
5 De pie, trabajo ligero o caminando despacio
Tiendas, bancos. 185 640 90 315 95 325
6 Trabajo ligero Fabrica 230 780 100 345 130 435
7 Caminando, 1.3 m/s
(3mph), trabajo ligero en maquinas
Fabrica 305 1040 100 345 205 695
8 Boliched
Boliche 280 960 100 345 180 615
9 Bailando
moderadamente Salón de baile 375 1280 120 405 255 875
10 Trabajo pesado,
Cargando Fabrica 470 1600 165 565 300 1035
11 Trabajo pesado,
atletismo Gimnasio 525 1800 185 635 340 1165
Capítulo III.- TRNSYS
114
Nota: aLos valores están basados sobre 25.5°C (78°F) temperatura de bulbo 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.
bEl 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.
cEl 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.
dSe 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.
Las ecuaciones 3.29 a la 3.31 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 por el usuario, entonces la temperatura de zona
es fijada igual al límite y son usadas las siguientes expresiones.
Capítulo III.- TRNSYS
115
!R@�,$ = 0 (3.35)
!R@�,R@� = 1 (3.36)
'R@� = &> (3.37)
La energía sensible requerida para mantener la temperatura fijada en el
modo 1 es:
[.�6r� = [.> + [.� + [. "r� + 0.3[.�k6kd + [. "rs + ∑ ℎO,$\$o&�,$ − &>p − vwx�C���C���
∆�R$2� (3.38)
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 TYPE19 usa una iteración interna si el balance de energía sobre la
zona no está dentro del 2%.
3.3.1.7.- Cargas Latentes.
Un balance de humedad en el aire del cuarto en cualquier instante produce
la siguiente ecuación diferencial.
{3|3����� = y. "rsd��3 − �z� + y. q��q − �z� + �. 9 (3.39)
Capítulo III.- TRNSYS
116
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 enfriamiento. Para este caso, la carga latente deberá
calcularse externamente al TYPE19, posiblemente con el TYPE32.
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 ωmin y ωmax). 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:
[. d3� = ∆ℎq3k y. "rsd��3 − �z� + y. q��q − �z� + �. 9% (3.40)
De otra manera la carga latente es cero. Note que Va (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.
3.4.- Interfaces del programa.
El programa TRNSYS se apoya en interfaces desarrolladas por diferentes
centros de investigaciones, lo cual facilita su uso. Para la simulación de
edificaciones se utilizaron las interfaces IISiBat y Prebid que a continuación se
describen.
Capítulo III.- TRNSYS
117
3.4.1.- IISiBat.
IISiBat, fue desarrollado por el Centro Científico y Técnico de la Bâtiment en
Sophia Antipolis, Francia, puede ser traducido del francés como "Interfaz
Inteligente Para La Simulación De Los Edificios." IISiBat es un programa de
simulación que se ha adaptado al programa de simulación TRNSYS.
El paquete IISiBat está diseñado para manejar todas las tareas necesarias
relacionadas con TRNSYS. Estas funciones incluyen la creación y edición de
archivos de entrada, la creación de nuevos componentes, lista de visualización y
los archivos de salida, extrapolación de los resultados, simulaciones paramétricas,
además proporciona accesos directos a varias tareas repetitivas. La Figura 3.1
nos muestra la ventana principal de esta interfaz.
Figura 3.1.- Ventana principal de la interfaz IISiBat para TRNSYS.
Capítulo III.- TRNSYS
118
3.4.2.- Prebid.
Prebid es una interfaz que provee los archivos necesarios para el Type56.
El usuario puede generar estos archivos usando Prebid o también lo puede hacer
por medio de un editor de texto para crear el archivo BUI. El programa Prebid es
una interfaz amigable que define las características físicas del edificio, así como
las condiciones de confort, ocupación, calentamiento, enfriamiento, orientación,
entre otras. Muchas de las variables que definen esos componentes pueden variar
con el tiempo, para lo cual, una nueva característica de activación de horarios de
los componentes es utilizada.
La Figura 3.2 muestra la ventana principal del programa Prebid en un
ejemplo de un edificio multizona.
Figura 3.2 Ventana principal del programa Prebid.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
119
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam -270
En este capítulo se da la descripción y características del edificio a analizar,
para así poder estudiar sus condiciones actuales dadas las condiciones
meteorológicas de la zona donde se ubica, para proponer alternativas y mejorar su
confort térmico al interior. El edificio Amsterdam-270 es una edificación con
detalles artísticos, lo cual se ve en su geometría y los materiales utilizados en su
construcción. Del mismo modo, se describirán los datos meteorológicos utilizados
para la simulación del edificio.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
120
4.1.- Descripción edificio Ámsterdam-270.
El edificio Ámsterdam-270 es un diseño original del arquitecto Juan José
Díaz Infante. Actualmente son las oficinas de la empresa IQH Inteligencia
Hidráulica, del arquitecto Valente Souza Saldivar. La realización de este estudio se
debe a la problemática en el confort dentro de la edificación, esto debido
principalmente a los materiales que componen su estructura y la radiación solar
que incide sobre ellos. En temporada de verano las temperaturas al interior son
muy altas y en temporada de invierno estas descienden por debajo de la
temperatura ambiente presente en la zona.
4.1.1.-Ubicación geográfica.
La edificación Ámsterdam-270 se ubica en la calle Ámsterdam número 270,
colonia Hipódromo Condesa, delegación Cuauhtémoc, en la ciudad de México,
Distrito Federal. Está ubicada a una latitud de 19°24´44.41” N, una longitud de
99°10´03.52” O y a una altura sobre el nivel del ma r de 2232 metros.
Figura 4.1.- Orientación Ámsterdam-270.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
121
4.1.2.-Geometría general.
La edificación Ámsterdam-270 cuenta con 3 niveles en los cuales se ubican
oficinas para el personal de la empresa IQH Inteligencia Hidráulica, cuenta con un
área común entre los tres niveles que es una bodega y que cuenta con techo
inclinado vidriado, es en esta área donde se presentan los problemas de
sobrecalentamiento en épocas de verano, y sobreenfriamiento en épocas de
invierno.
En la azotea existe una oficina completamente vidriada y sobre de esta se
ubica una estructura compuesta de vidrios en forma de polígonos regulares, la
cual está compuesta de perfiles metálicos y se divide al interior en dos niveles.
Figura 4.2.- Vista lateral y frontal del edificio Ámsterdam-270.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
122
En la Figura 4.3 se observa el corte longitudinal y transversal del edificio y
la Figura 4.4 muestra el interior de los niveles del edificio.
Figura 4.3.- Corte longitudinal y transversal del edificio Ámsterdam-270.
Figura 4.4.- Niveles del edificio Ámsterdam-270.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
123
La Figura 4.5 muestra la fachada del edificio Ámsterdam-270, se observa su
composición entre estructuras y partes vidriadas.
Figura 4.5.- Vista frontal del edificio Ámsterdam-270.
En la Figura 4.6 se observa el techo del edificio, tanto la parte horizontal
como la parte inclinada, se ve su composición vidriada totalmente.
Figura 4.6.- Vista aérea del edificio Ámsterdam-270.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
124
4.1.3.- Áreas.
Partiendo de la distribución que se tiene en los planos, así como en la
distribución y cambios actuales dentro de los niveles del edificio, se elaboraron los
planos actuales de las áreas que se encuentran en el edificio.
Dentro del edificio se tienen tres niveles, en el primero se localizan tres
áreas, las cuales se utilizan para una cafetería, un pasillo y una bodega, siendo
esta última área que ocupa la bodega, un área que es adyacente con los dos
niveles superiores, esta área tiene el mayor volumen de todas las áreas y es la
que presenta mayores problemas de confort térmico a lo largo del año.
El nivel siguiente se compone de dos áreas, en una se encuentra la oficina
y la segunda área es un departamento, adyacente a este nivel se encuentra el
área tres del primer nivel.
En el tercer nivel, se tienen tres áreas, estas son una oficina y dos pasillos
que rodean el área de la oficina. Se tiene un pasillo que atraviesa el nivel completo
para dar a un segundo pasillo ubicado en la parte frontal del edificio.
Fuera del edificio, en la azotea, se tiene una oficina de superficie octagonal,
la cual se encuentra completamente vidriada, sobre esta oficina se tiene una
estructura en forma de poliedro la cual está dividida en dos niveles en su interior,
esta estructura se encuentra completamente vidriada.
A continuación se describe cada nivel del edificio con sus correspondientes
áreas.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
125
Figura 4.7.- Primer nivel del edificio (medidas en metros).
El primer nivel se compone de tres áreas, siendo el área tres la más grande
de todas y con el mayor volumen, siendo adyacente a los dos niveles superiores.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
126
Figura 4.8.- Segundo nivel del edificio (medidas en metros).
El segundo nivel del edificio está distribuido con dos áreas y el área tres es
adyacente del primer nivel.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
127
Figura 4.9.- Tercer nivel del edificio (medidas en metros).
El tercer nivel del edificio cuenta con tres áreas y el área 3 es adyacente del
primer nivel.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
128
La oficina ubicada en la azotea del edificio tiene la siguiente geometría:
Figura 4.10.- Oficina ubicada en la azotea del edificio (medidas en metros).
Cada zona tiene sus características particulares que definen el
comportamiento térmico al interior y la interacción con otras zonas, estas
características propias de cada área son:
• Dimensiones
• Área
• Volumen
• Materiales de sus paredes, pisos y techos
• Propiedades de cada uno de los materiales
• Áreas vidriadas
• Orientación de sus paredes
• Interacción con otras áreas adyacentes
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
129
4.1.4.- Orientación.
La orientación del edificio es la siguiente:
Figura 4.11.- Orientación del edificio respecto a coordenadas cartesianas.
La fachada del edificio se encuentra 15 grados en sentido contrario al
movimiento de las manecillas del reloj de la orientación este (E). Con estos datos y
la geometría de la edificación se definieron las superficies que conforman la
envolvente para realizar el cálculo de la radiación incidente en cada superficie de
acuerdo al modelo de cálculo seleccionado en TRNSYS. Las superficies de la
envolvente y sus orientaciones son las siguientes:
Figura 4.12.- Orientación de las superficies que conforman la envolvente del edificio.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
130
La superficie 5 tiene un ángulo de inclinación de 45° con respecto a la
horizontal, esta superficie del techo se encuentra vidriada, al igual que parte de la
superficie horizontal.
Figura 4.13.- Superficies que conforman la envolvente del edificio.
4.1.5.-Materiales.
Los materiales utilizados en la edificación Ámsterdam-270 son diversos,
tanto para pisos, techos, paredes, y entrepisos. Se definieron las propiedades de
cada uno de los materiales considerando sus características geométricas,
dimensiones y materiales que los constituyen.
A continuación se muestran en las Tablas 4.1 y 4.2 las características y
propiedades termofísicas de cada uno de los materiales utilizados en las paredes
exteriores, paredes interiores, en el techo y entre pisos, así como los vidrios
existentes en la edificación Ámsterdam-270.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
131
Tabla 4.1.- Materiales de construcción del edificio Ámsterdam-270.
Superficie Espesor
(mm)
Conductividad Térmica
(W)/(m K)
Densidad (Kg)/(m3)
Calor Específico (J)/(Kg K)
Paredes al Exterior
Muro Térmico Compuesto Multymuro
Lámina Galvanizada 1 58 7850 480 Espuma Rígida de Poliuretano 63 0.01902 40 1758.46
Lámina Galvanizada 1 58 7850 480 Techo Pesado
Losa compuesta [Losacero] Lámina Galvanizada 1.245 58 7850 480
Concreto Armado [Hormigón Armado]
145.755 1.731 2300 840
Concreto Ligero 400 0.582 1250 840 Tierra Vegetal 300 0.52 2050 1840
Entrepisos Losa compuesta [Losacero]
Lámina Galvanizada 1.245 58 7850 480 Concreto Armado
[Hormigón Armado] 145.755 1.731 2300 840
Duela Vinílica 3 0.185 1395 1250 Pisos
Piso Alfombrado Concreto Ligero 50 0.582 1250 840
Pegapiso 20 0.47 1400 1000 Loseta 10 1.2 2000 1000
Alfombra 10 0.05 1000 1350 Piso Loseta
Concreto Ligero 50 0.582 1250 840 Pegapiso 20 0.47 1400 1000
Loseta 10 1.2 2000 1000
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
132
Tabla 4.2.- Materiales de construcción del edificio Ámsterdam-270 (continuación).
Superficie Espesor
(mm)
Conductividad Térmica
(W)/(m K)
Densidad (Kg)/(m3)
Calor Específico (J)/(Kg K)
Paredes Internas Pared Interna de Triplay
Triplay 20 0.12 545 1215
Pared Interna de Tabla-roca
Placa Yeso-Cartón 12 0.431 1250 1038 Aire 70 0.03 1.2 1213
Placa Yeso-Cartón 12 0.431 1250 1038
Vidrios Ventanas
Vidrio Claro Templado 6 1.05 2500 720 Vidrio Claro Templado 9 1.05 2500 720
Vidrio Claro con Película Polarizada
9 1.05 2500 720
Vidrio Claro Templado 10 1.05 2500 720
Las propiedades ópticas de los vidrios presentes en el edificio se presentan
en la Tabla 4.3:
Tabla 4.3.- Propiedades ópticas de los vidrios utilizados en el edificio Ámsterdam-270.
Características del Vidrio Propiedades
Vidrio ID-Product
Name Espesor
(mm) Transmitancia
Solar (Tsol) Transmitancia Visible (Tvis)
Emisividad al Exterior (emis)
Claro Templado
415-Clear Float Glass 6.vto
5.775 0.772 0.878 0.84
Claro Templado
407-Clear Floa Glass 10.vto
9.291 0.695 0.853 0.84
Claro con Película
Polarizada
14101-SSTST Silber20Grey10.0
9.8 0.057 0.061 0.84
Templado Entintado
404-Tintex 10.vto 9.457 0.327 0.668 0.84
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
133
4.1.6.-Cálculo de los coeficientes globales de tran sferencia de calor
Factor-U y los coeficientes de ganancia solar SHGC.
Los coeficientes de transferencia de calor de los materiales utilizados en la
edificación fueron calculados conforme a la norma mexicana NOM-008-ENER-
2001, los valores utilizados según la norma se encuentran en la Tabla 4.4 y son
los siguientes:
Tabla 4.4.- Coeficientes convectivos según NOM-008-ENER-2001.
Valores de los Coeficiente Convectivos
Exterior
Superficies Horizontales y Verticales
he: 13 (W)/(m2 K)
Interior
Superficies Horizontales
Flujo de calor hacia arriba
hi: 9.4 (W)/(m2 K)
Flujo de calor hacia abajo
hi: 6.6 (W)/(m2 K)
Superficies Verticales
hi: 8.1 (W)/(m2 K)
Valores Tomados de la Norma Oficial Mexicana
NOM-008-ENER-2001, Eficiencia energética en
edificaciones, envolvente de edificios no
residenciales.
Los resultados de los coeficientes de transferencia de calor calculados con
los valores definidos por la norma mexicana NOM-008-ENER-2001 son los
mostrados en la Tabla 4.5.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
134
Tabla 4.5.- Coeficientes globales de transferencia de calor de los materiales (U).
Superficie Coeficiente Global de
Transferencia de Calor U (W)/(m2 K)
Paredes al Exterior
Muro Térmico Compuesto Multymuro
Lámina Galvanizada 0.284679906 Espuma Rígida de Poliuretano
Lámina Galvanizada Techo Pesado
Losa compuesta [Losacero] Lámina Galvanizada
0.634167378 Concreto Armado [Hormigón
Armado] Concreto Ligero Tierra Vegetal
Entrepisos
Losa compuesta [Losacero] Lámina Galvanizada
2.478494366 Concreto Armado [Hormigón
Armado] Duela Vinílica
Paredes Internas
Pared Interna de Triplay Triplay 2.417910448
Pared Interna de Tablaroca Placa Yeso-Cartón
0.379372548 Aire Placa Yeso-Cartón
Mediante las propiedades termofísicas y ópticas de los vidrios utilizados en
el edificio Ámsterdam-270 se calcularon los coeficientes globales de transferencia
de calor (Factor U) y los coeficientes de ganancia solar (SHGC) de cada.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
135
Estos cálculos fueron realizados mediante lo definido por la ASHRAE,
mismo método que utiliza el programa TRNSYS para sus cálculos, estos son:
Tabla 4.6.- Coeficientes globales de transferencia de calor (U) y coeficientes de ganancia solar
(SHGC) de los vidrios utilizados.
Vidrio ID-Product Name Espesor
(mm) U-Factor (W/m2K)
SHGC
Claro Templado 415-Clear Float Glass
6.vto 5.775 5.249 0.818
Claro Templado 407-Clear Float Glass
10.vto 9.291 5.148 0.767
Claro con Película Polarizada
14101-SSTSTSilber20Grey10.0
9.8 5.134 0.248
Templado Entintado 404-Tintex 10.vto 9.457 5.143 0.524
4.2.- Condiciones meteorológicas.
Las condiciones meteorológicas fueron proporcionadas por el Servicio
Meteorológico Nacional (SMN). La estación meteorológica más cercana al edificio
es la ubicada en Observatorio 192, Delegación Miguel Hidalgo, CP 11860 en la
Ciudad de México, Distrito Federal, se ubica aproximadamente a 3.2 kilómetros de
distancia.
Las variables requeridas son la radiación solar incidente, la temperatura
ambiente, la humedad relativa y la velocidad del viento. Estos datos fueron
proporcionados en mediciones en intervalos de tiempo a cada 10 minutos, por lo
que se promediaron los datos para obtener valores horarios. Finalmente, se
obtuvieron 8760 datos de cada una de las variables correspondientes al año 2010.
En la Figura 4.14 se muestra la localización tanto del edificio Ámsterdam
270 y la estación meteorológica ubicada en SMN Observatorio.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
136
Figura 4.14.- Localización edificio Ámsterdam 270 y la estación meteorológica SMN Observatorio.
En el Servicio Meteorológico Nacional ubicado en Observatorio (SMN
Observatorio), el equipo que registra la medición de las variables es una Estación
Meteorológica Automática (EMA). Una Estación Meteorológica Automática, está
conformada por un grupo de sensores que registran y transmiten información
meteorológica de forma automática de los sitios donde están estratégicamente
colocadas. Su función principal es la recopilación y monitoreo de algunas
Variables Meteorológicas para generar archivos del promedio de cada 10 minutos
de todas las variables, esta información es enviada vía satélite en intervalos de 1 ó
3 horas por estación.
La hora que se utiliza para registrar los datos es el horario TUC ó UTC
(Tiempo Universal Coordinado) por esta razón se debe tener en consideración
este factor para la correcta interpretación de los datos medidos. El área
representativa de las estaciones es de 5 km de radio aproximadamente, en terreno
plano, excepto en terreno montañoso, por lo que los datos proporcionados por
esta estación meteorológica son de utilidad para este estudio.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
137
4.2.1.- Descripción de la estación meteorológica.
Para este estudio se utilizarán los datos de: radiación solar (global),
temperatura de bulbo seco, porcentaje de humedad relativa y la velocidad del
viento, las cuales se obtuvieron mediante el monitoreo de la estación
meteorológica.
Los sensores que integran la estación meteorológica son para medición de:
o Velocidad del viento
o Dirección del viento
o Presión atmosférica
o Temperatura y Humedad relativa
o Radiación solar
o Precipitación
Este equipo es de tipo andamio como se presenta en la Figura 4.15.
Figura 4.15.- Estación meteorológica utilizada en el SMN Observatorio.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
138
En la Figura 4.16 se describen cada una de las variables meteorológicas
medidas por la estación meteorológica del SMN Observatorio.
Figura 4.16.- Variables meteorológicas medidas con la EMA.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
139
La ubicación de la Estación Meteorológica Automática (EMA) del Servicio
Meteorológico Nacional (SMN) Observatorio es:
Figura 4.17.- Ubicación de la estación meteorológica automática SMN Observatorio.
Dirección: Observatorio 192
Delegación Miguel Hidalgo
CP 11860.
México, Distrito Federal
Latitud: 19°24´13.76” N
Longitud: 99°11´42.11” O
Altura: 2297 msnm (Metros sobre el nivel del mar)
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
140
4.2.2.-Datos meteorológicos.
A continuación se presentan los valores promedios mensuales de las
variables utilizadas en el presente trabajo. Todos los datos corresponden a
mediciones realizadas durante el año 2010.
4.2.2.1.- Valores promedios mensuales del año 2010.
Los datos promedios mensuales de la radiación solar mensual globalizados,
temperatura ambiente, humedad relativa y velocidad del viento son mostrados en
la Tabla 4.7.
Tabla 4.7.- Promedios mensuales registrados de las variables meteorológicas.
Mes Radiación Solar
[W/m 2] Temperatura Ambiente [°C]
Humedad Relativa [%]
Velocidad del Viento [m/s]
Enero 3734.6 13.5 54.1 2.4
Febrero 4626.9 14.3 44.5 2.6
Marzo 5356.0 17.1 30.7 2.6
Abril 6007.1 19.1 39.0 2.6
Mayo 6214.7 20.9 39.1 2.6
Junio 5471.9 19.8 54.7 2.7
Julio 4020.8 17.3 75.2 2.5
Agosto 4646.7 17.6 70.8 2.8
Septiembre 4305.7 17.4 69.4 2.8
Octubre 5310.6 16.5 49.5 2.6
Noviembre 4600.5 15.1 44.4 2.2
Diciembre 4675.3 14.3 38.1 2.3
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
141
La Figura 4.18 que a continuación se presenta, muestra el comportamiento
promedio mensual de cada una de las variables en el transcurso del año 2010.
Figura 4.18.- Valores promedios mensuales del año 2010.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
142
4.2.2.2.- Valores mínimos mensuales registrados en el año 2010.
Los valores mínimos mensuales registrados de la temperatura ambiente, de
la humedad relativa y de la velocidad del viento se presentan en la Tabla 4.8.
Con estos valores se observa que los meses de noviembre, diciembre y
enero son los más fríos. Del mismo modo se observa que los meses de marzo,
abril y mayo son los menos húmedos, teniendo registro de valores de humedad
relativa menores de 40 %.
Tabla 4.8.- Valores mínimos mensuales registrados de las variables meteorológicas.
Mes Temperatura Ambiente[°C]
Humedad Relativa [%] Velocidad del Viento [m/s]
Enero 5.1 54.1 0.4
Febrero 6.0 44.5 0.4
Marzo 4.7 30.7 0.6
Abril 9.7 39.0 0.1
Mayo 12.4 39.1 0.1
Junio 13.7 54.7 0.7
Julio 12.7 75.2 0.1
Agosto 11.7 70.8 0.3
Septiembre 8.9 69.4 0.1
Octubre 7.1 49.5 0.1
Noviembre 2.7 44.4 0.2
Diciembre 3.3 38.1 0.1
Anual Mínima 2.7 30.7 0.1
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
143
La Figura 4.19 presenta los valores mínimos mensuales registrados de
cada una de las variables en el transcurso del año 2010, la radiación solar no se
considera debido a que su medición mínima es cero.
Figura 4.19.- Valores mínimos mensuales del año 2010.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
144
4.2.2.3.- Valores máximos mensuales registrados en el año 2010.
Los valores máximos mensuales registrados de la radiación solar,
temperatura ambiente, humedad relativa y velocidad del viento se presentan en la
Tabla 4.9.
Tabla 4.9.- Valores máximos mensuales registrados de las variables meteorológicas.
Mes Radiación
[W/m 2] Temperatura
[°C] Humedad
Relativa [%] Velocidad del Viento
[m/s] Enero 846.5 26.5 54.1 9.6
Febrero 969.5 24.2 44.5 7.2
Marzo 1017.8 28.0 30.7 8.1
Abril 1070.3 28.5 39.0 6.9
Mayo 1040.5 30.3 39.1 7.2
Junio 1016.7 28.8 54.7 6.4
Julio 1057.3 25.5 75.2 6.4
Agosto 1020.8 25.8 70.8 7.8
Septiembre 973.8 25.2 69.4 5.7
Octubre 951.5 26.5 49.5 6.6
Noviembre 858.3 24.9 44.4 6.0
Diciembre 846.5 26.5 38.1 9.6
Anual Máxima 1070.3 30.3 75.2 9.6
De la Tabla 4.9 se observa que los meses con temperaturas más altas son
marzo, abril, mayo y junio. Mientras que los meses de julio, agosto y septiembre
son los más húmedos, esto debido a que están dentro de los meses de lluvia. La
radiación incidente para los meses de marzo, abril, mayo, junio, julio y agosto
están por arriba de los 1000 W/m2.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
145
En la siguiente Figura 4.20 se presentan los valores máximos registrados
mensualmente durante el año 2010 de cada una de las variables.
Figura 4.20.- Valores máximos mensuales del año 2010.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
146
4.3.- Clasificación climática y estrategias de clim atización.
Para las condiciones meteorológicas en la que se encuentra el edificio
Ámsterdam 270, se realizaron las clasificaciones climáticas de acuerdo a los
valores mínimos y máximos reportados mensualmente, del mismo modo, se tienen
algunas estrategias de climatización para enfriamiento. Estos gráficos fueron
obtenidos mediante el programa PsychTool, en el cual los datos de entrada son el
porcentaje de humedad relativa y la temperatura, sean mínimas o máximas, de
acuerdo al caso que se desee graficar [PsychTool, 1999].
4.3.1.- Clasificación climática.
La clasificación climática que maneja el programa PsychTool se divide
como se muestra en la Figura 4.21, los tipos de clima que son: Warm Humid
(Cálido-Húmedo), Hot Humid (Caliente-Húmedo), Hot Dry (Caleinte-Seco), Warm
Dry (Cálido Seco), Moderate (Moderado) y Cool (Frío).
Figura 4.21.- Clasificación climática.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
147
En la Figura 4.22 se muestra la clasificación climática para los valores
máximos mensuales reportados, los cuales se ubican en las clasificaciones de
moderado para los meses de enero, febrero, octubre, noviembre y diciembre; para
los meses de marzo, abril y mayo se encuentran en un clima cálido-seco; en junio
su clima es cálido-húmedo; mientras que los meses de julio, agosto y septiembre,
la clasificación del clima esta moderado y cálido-húmedo.
Figura 4.22.- Clasificación climática para los valores máximos mensuales registrados.
En la Figura 4.23 se muestra la clasificación climática para los valores
mínimos mensuales registrados, la figura muestra que debido a las temperaturas,
la clasificación climática se sitúa por debajo de la clasificación de frío durante todo
el año, por lo que el edificio está expuesto a bajas condiciones de temperatura.
Esto afecta el confort térmico dentro del edificio, pero en los meses de verano
esas temperaturas se registran en la madrugada, por lo que la evolución de la
temperatura en el horario laboral no se ve afectada, caso contrario en los meses
de invierno, en donde se registran bajas temperaturas en horario laboral, lo que
afecta el confort al interior.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
148
Figura 4.23.- Clasificación climática para valores mínimos mensuales registrados.
4.3.2.- Estrategias de climatización.
Con la clasificación obtenida mediante el programa PsychTool se pueden
utilizar las cartas de estrategias de climatización para enfriamiento las cuales se
observan en la Figura 4.24.
Figura 4.24.- Estrategias de climatización para enfriamiento.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
149
Las cartas de estrategias de climatización indican que estrategias son
necesarias para poder lograr temperaturas de confort al interior del edificio.
En la Figura 4.25 se muestran las estrategias de climatización para
enfriamiento, utilizadas para los valores máximos mensuales registrados, estos
por lo general son acciones como ventilación y evaporación.
Figura 4.25.- Estrategias de climatización para valores máximos mensuales registrados.
Las estrategias de climatización para los valores mínimos mensuales
registrados para lograr el confort térmico, como se muestra en la Figura 4.26, no
son necesarios para estas temperaturas, para ello es necesario de sistemas de
calefacción, que permitan incrementar las bajas temperaturas.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
150
Figura 4.26- Estrategias de climatización para valores mínimos mensuales registrados.
4.4.- Consideraciones en zonas del edificio Ámsterd am-270.
Después de realizar las primeras simulaciones de la edificación se observó
que existía una diferencia mínima entre algunas áreas, dicha diferencia eran
menores a 1 °C. Por lo que se decidió reagrupar las áreas y crear zonas las cuales
son nombradas de manera que sea más fácil su identificación y así reducir los
valores a graficar gracias a agrupación de algunas zonas.
4.4.1.- Zonificación.
Se observó que las áreas 1 y 2 del primer nivel no varían en más de un 1 °C
aproximadamente, al igual que el área 8 del tercer nivel con respecto al área 6 no
presentaba variación mayor a un 1 °C, mientras que en las áreas de la azotea, el
poliedro vidriado que se compone de dos niveles en su interior presentan un
comportamiento similar en las temperaturas.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
151
Por todo esto se definieron zonas y se nombraron para poder identificarlas
con mayor facilidad, a continuación se presentan las zonas definidas que a partir
de ahora serán analizadas y se darán los resultados obtenidos de las simulaciones
en el siguiente capítulo.
Primer Nivel.-
Figura 4.27.- Zonas primer nivel.
Las áreas 1 y 2 ahora serán la zona 1N-Espacio1.
El área 3 ahora será la zona1N-Espacio2.
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
152
Segundo Nivel.-
Figura 4.28.- Zonas segundo nivel.
El área 4 será la zona 2N-Oficina.
El área 5 será la zona 2N-Departamento.
Adyacente a este nivel se encuentra la zona 1N-Espacio2
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
153
Tercer Nivel.-
Figura 4.29.- Zonas tercer nivel.
El área 6 y 8 serán la zona 3N-Oficina.
El área 7 será la zona 3N-Pasillo.
Adyacente a este nivel se encuentra la zona 1N-Espacio2
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
154
Azotea.
Figura 4.30.- Zonas azotea.
La oficina se definió como Azotea-Oficina
Las dos áreas que comprenden el poliedro se definió como Azotea-Poliedro
Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270
155
Finalmente se tienen ocho zonas en las cuales se centrarán las
simulaciones para el estudio del comportamiento térmico, estas son:
1. 1N-Espacio1
2. 1N-Espacio2
3. 2N-Oficina
4. 2N-Depto
5. 3N-Oficina
6. 3N-Pasillo
7. Azotea-Oficina
8. Azotea-Poliedro
Para cada una de las zonas se consideraron los materiales propios de cada
pared, así como de los techos y pisos, se consideraron también los espacios
abiertos y la interacción de las zonas entre sí dadas las opciones del programa
TRNSYS.
Capítulo V.- Resultados
156
Capítulo V.- Resultados
En este capítulo se presentan los resultados obtenidos de la simulación del
edificio mediante el programa TRNSYS y su discusión. Las simulaciones fueron
realizadas para la situación actual del edificio, y después se definieron varios
casos en los cuales se realizó una variación en los parámetros que afectan el
comportamiento térmico del edificio. Dichas simulaciones se realizaron en
evolución libre y con cargas térmicas para calefacción y refrigeración.
Capítulo V.- Resultados
157
5.1.- Energía solar incidente sobre la envolvente.
Las primeras simulaciones realizadas fueron sobre la envolvente del edificio
para obtener la energía solar incidente sobre cada una de las paredes y techos. A
continuación en la figura 5.1 se presentan las superficies tomadas en cuenta en la
envolvente del edificio.
Figura 5.1.- Superficies de la envolvente del edificio.
Se consideraron seis superficies, se tomará la superficie del techo con el
nombre de Superficie Horizontal, las demás se les asignará un numero. Por lo
tanto, las características de cada superficie son:
Superficie Horizontal
Ángulo de Inclinación: 0°
Ángulo de Azimuth: 0°
Superficie 1
Ángulo de Inclinación: 90°
Ángulo de Azimuth: 285°
Capítulo V.- Resultados
158
Superficie 2
Ángulo de Inclinación: 90°
Ángulo de Azimuth: 15°
Superficie 3
Ángulo de Inclinación: 90°
Ángulo de Azimuth: 105°
Superficie 4
Ángulo de Inclinación: 90°
Ángulo de Azimuth: 195°
Superficie 5
Ángulo de Inclinación: 45°
Ángulo de Azimuth: 105°
Los resultados obtenidos de la irradiación solar diaria de las superficies se
promediaron para obtener medias mensuales y se presentan a continuación en la
figura 5.2.
Figura 5.2.- Energía solar incidente sobre las superficies de la envolvente del edificio.
Se observa que las superficies que reciben mayor radiación a lo largo del
año son la superficie horizontal y la superficie 5, ambas superficies comprenden el
techo del edificio y están compuestas en su mayoría de una estructura vidriada.
Capítulo V.- Resultados
159
5.2.- Situación actual del edificio.
En el capítulo anterior se definió la geometría del edificio, así como los
materiales utilizados en cada una de las zonas y la envolvente. En términos
generales el edificio se dividió en ocho zonas, de las cuales seis zonas se
ubicaron al interior y dos zonas al exterior del edificio, ubicadas en la parte
superior en la azotea.
El rango de temperaturas de confort térmico es entre los 19 °C y los 26 °C,
de acuerdo a cálculos realizados por Szokolay, en las gráficas que a continuación
presentan los resultados obtenidos, se referencian dichas temperaturas [Szokolay,
1997].
5.2.1.- Evolución libre.
A continuación se presentan las temperaturas promedio y las temperaturas
máximas y mínimas mensuales del aire al interior para cada zona del edificio, de
igual forma, se presenta la temperatura promedio del aire interior del edificio
obtenida de la simulación del edificio en la situación actual.
5.2.1.1.- Temperaturas promedio, máximas y mínimas mensuales por zonas.
A continuación en la figura 5.3 se presentan las temperaturas promedios
mensuales (a), las temperaturas máximas mensuales (b) y las temperaturas
mínimas mensuales (c) del aire al interior para cada zona del edificio.
Capítulo V.- Resultados
160
(a)
(b)
(c)
Figura 5.3.- Temperaturas promedio (a), máximas (b) y mínimas (c) mensuales por zonas.
Capítulo V.- Resultados
161
De la figura 5.3(a) se observa que las temperaturas promedio mensuales
del aire entre los meses de Marzo a Junio están fuera de la zona de confort
térmico para algunas zonas del edificio, mientras que para los meses entre
Noviembre y Febrero se presentan algunas zonas en las que las temperaturas
están por debajo de la zona de confort.
La figura 5.3(b) presenta las temperaturas máximas del aire registradas en
el edificio, de las cuales se puede observar que en todas las zonas se registran
temperaturas mayores a la temperatura de confort térmico en cada uno de los
meses. La figura muestra que las temperaturas del aire más altas registradas
dentro del edificio se dan en la zona 1N-Espacio02 y 3N-Pasillo, es importante
destacar que la zona de nombre 1N-Espacio02 es adyacente a cada uno de los
pisos, de aquí la importancia que toma esta zona para lograr obtener temperaturas
dentro de la zona de confort térmico y mejorar el comportamiento térmico de las
demás zonas. La temperatura del aire al interior más alta registrada en esta zona
es de 49.1 °C en el mes de mayo.
En la figura 5.3(c) se presentan las temperaturas del aire mínimas
registradas mensualmente al interior del edificio, cabe considerar que las horas
donde se registran estas temperaturas son fuera del horario laboral, por lo que
más adelante se presentarán resultados para los días característicos, es decir el
día más frío y el día más cálido dentro del edificio. Se observa en la figura que las
zonas donde se registran las temperaturas más bajas del aire al interior son en las
zonas 1N-Espacio02, Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro, estas zonas tienen en
común el que cuentan con grandes áreas vidriadas. En la zona Azotea-Oficina se
registra una temperatura del aire al interior de 3.9 °C en el mes de Noviembre y en
la zona 1N-Espacio02 se registra una temperatura mínima de 5.1 °C.
Capítulo V.- Resultados
162
5.2.1.2.- Temperatura promedio mensual del edificio .
Se obtuvo una temperatura promedio mensual del aire al interior del edificio
para cada mes, y se compara con la temperatura promedio del aire ambiente
mensual, el comportamiento se observa en la figura 5.4.
Figura 5.4.- Comparación de la temperatura promedio del edificio y la temperatura ambiente.
La figura muestra que los meses con las temperaturas más altas son entre
los meses de Marzo y Junio, mientras que los meses con las temperaturas más
bajas son entre Octubre y Febrero.
De la situación actual del edificio se observa que las temperaturas más
altas registradas se tienen en la zona 1N-Espacio02 con un registro máximo de
49.1 °C en el mes de mayo, y para la temperatura mí nima registrada se tuvo en la
zona Azotea-Oficina con un registro de 3.8 °C. La z ona 1N-Espacio02 se
considera que es una zona donde el comportamiento térmico del aire es a la par
del comportamiento de la temperatura del aire ambiente, esto debido a su baja
masa térmica, dado los materiales utilizados en sus techos y paredes.
Capítulo V.- Resultados
163
Finalmente, se puede concluir que observando el comportamiento de la
temperatura promedio del aire mensual de todo el edificio comparada con la
temperatura promedio del aire ambiente, se mantiene un comportamiento similar a
lo largo del año, con una diferencia máxima de 5.8 °C y una mínima de 3.9 °C
entre la temperatura del aire del edificio y la de temperatura del aire del ambiente,
siendo la del edificio siempre mayor.
5.2.2.- Cargas térmicas.
Se realizaron simulaciones para calcular las cargas térmicas para
refrigeración y calefacción necesarias para lograr temperaturas del aire al interior
dentro del rango de confort térmico en el edificio. Se muestran los resultados
anuales y mensuales para cada una de las zonas que componen el edificio.
5.2.2.1.- Cargas térmicas mensuales por zonas.
A continuación en las figuras 5.5 y 5.6 se presentan las cargas térmicas de
refrigeración y calefacción mensuales necesarias para mantener dentro del rango
de temperaturas de confort térmico a cada una de las zonas.
La figura 5.5(a) y 5.5(b) muestran las cargas térmicas para la zona 1N-
Espacio01 y 1N-Espacio02 del primer nivel del edificio. Las figuras 5.5(c) y 5.5(d)
muestran las cargas térmicas para la zona 2N-Oficina y la zona 2N-Departamento
correspondientes al segundo nivel del edificio. La figura 5.6(a) y la figura 5.6(b)
muestran las cargas térmicas para las zonas 3N-Oficina y 3N-Pasillo del tercer
nivel respectivamente. La figura 5.6(c) y la figura 5.6(d) muestran las cargas
térmicas para las zonas ubicadas fuera del edificio, que son las zonas Azotea-
Oficina y Azotea-Poliedro.
Capítulo V.- Resultados
164
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 5.5.- Cargas térmicas de refrigeración y calefacción para las zonas (a) 1N-Espacio01,
(b) 1N-Espacio02, (c) 2N-Oficina y (d) 2N-Departamento.
Capítulo V.- Resultados
165
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 5.6.- Cargas térmicas de refrigeración y calefacción para las zonas (a) 3N-Oficina,
(b) 3N-Pasillo, (c) Azotea-Oficina y (d) Azotea-Poliedro.
Capítulo V.- Resultados
166
Para la zona 1N-Espacio01 se observa un mayor requerimiento de cargas
térmicas de refrigeración que de calefacción. Los meses cálidos que van de marzo
a junio son los más críticos, ya que requieren hasta 383.6 kWh en el mes de
mayo, el mínimo se registra en el mes de enero; sin embargo, para este mes se
requieren de 145.1 kWh de cargas de calefacción, siendo el requerimiento máximo
de este tipo de carga.
La zona crítica 1N-Espacio02 requiere de enormes cantidades de cargas de
refrigeración y calefacción. Para el mes de mayo se requiere de 3,659 kWh de
cargas de refrigeración, y para el mes de enero, la zona requiere de 2,390 kWh de
cargas de calefacción, esto debido al techo vidriado y al volumen de espacio a
acondicionar.
La zona 2N-Oficina y 2N-Departamento, se comportan de forma similar con
las zonas 3N-Oficina y 3N-Pasillo, siendo las zonas 2N-Departamento y 3N-Pasillo
las de mayor consumo de cargas térmicas debido a que están cuentan con
paredes vidriadas en la parte frontal de cada zona, con una demanda de 808.1
kWh de cargas de refrigeración máxima para la zona 2N-Departamento, mientras
que en la zona 3N-Pasillo se requieren de 353.4 kWh de cargas de calefacción
como máximo.
En la azotea del edificio se tienen las zonas Azotea-Oficina y Azotea-
Poliedro. Ambas zonas presentan paredes vidriadas en la mayoría de su área y
nula infiltración. En estas zonas se requieren más las cargas térmicas de
calefacción durante el año. La zona Azotea-Oficina requiere la máxima utilización
de cargas térmicas de refrigeración para el mes de mayo de 1049 kWh, mientras
que para calefacción en el mes de enero requiere un máximo de 1806 kWh. Para
la zona Azotea-Poliedro requiere la máxima utilización de cargas térmicas de
refrigeración para el mes de mayo de 799.8 kWh, mientras que para calefacción
en el mes de enero requiere un máximo de 1568 kWh.
Capítulo V.- Resultados
167
Finalmente, la figura 5.7 muestra las cargas térmicas mensuales totales
para calefacción y refrigeración necesarias para lograr el confort térmico al interior
del edificio. Se observa que en el mes de Mayo se necesitan 9,761.1 kWh de
cargas de refrigeración para lograr mantener dentro del confort al edificio, mientras
que en el mes de Enero las cargas de calefacción son las mayores con 9,616.7
kWh. Las menores cargas de refrigeración se presentan en Enero y las de
calefacción en el mes de Mayo.
Figura 5.7.- Cargas térmicas de refrigeración y calefacción mensuales para el edificio.
Se observa que las cargas térmicas de refrigeración son más necesarias
durante los meses de verano, donde la temperatura del aire interior del edificio
supera los 40 °C. En los meses de invierno las carg as térmicas de calefacción son
requeridas, no obstante, a diferencia de las cargas de refrigeración, estas son
requeridas en horarios fuera del horario laboral, es decir, las temperaturas del aire
interior más bajas registradas se dan en la madrugada cuando el edificio se
encuentra sin personal, en cambio, el registro de las altas temperaturas del aire en
el edificio en verano, se dan en horario laboral, por lo que son más necesarias las
cargas térmicas para refrigeración en verano para lograr temperaturas del aire al
interior del edificio dentro de la zona de confort térmico.
Capítulo V.- Resultados
168
5.2.2.2- Cargas térmicas anuales por zonas.
A continuación la figura 5.8 muestra las cargas térmicas anuales de
refrigeración y calefacción, necesarias para alcanzar temperaturas del aire al
interior del edificio dentro de la zona de confort térmico para cada una de las
zonas.
Figura 5.8.- Cargas térmicas de refrigeración y calefacción anuales por zonas.
Se observa que la zona que requiere más cargas térmicas de refrigeración
es la zona crítica 1N-Espacio02 con 26,990 kWh al año, así mismo, esta misma
zona, requiere de grandes cantidades de carga térmica de calefacción para lograr
temperaturas del aire al interior dentro del rango de confort térmico con 15,730
kWh al año.
Las zonas Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro requieren de mayores
cantidades de cargas térmicas de calefacción durante el año, con un máximo de
11,790 kWh, estas mismas zonas y las zonas 2N-Departamento y 3N-Pasillo son
las que más requieren cargas térmicas de refrigeración para lograr condiciones de
temperatura del aire dentro del confort térmico con un máximo de 6,896 kWh.
Capítulo V.- Resultados
169
5.3.- Estudio de variación de parámetros.
Analizando las gráficas anteriores de las temperaturas del aire promedio al
interior del edificio y las cargas térmicas necesarias durante el año para cada zona
del edificio, sea de refrigeración o calefacción, se definen dos periodos durante el
año: invierno y verano. Para el periodo de invierno, son mas requeridas las cargas
de calefacción, este periodo comprenden los meses entre Octubre y Febrero,
mientras que en el periodo de verano son mas requeridas las cargas para
refrigeración, los meses comprendidos en este periodo son entre los meses de
Marzo y Septiembre.
Para estos dos periodos, se realizaron simulaciones variando parámetros
para poder obtener mejoras en el confort térmico al interior del edificio. Los
parámetros a variar son: la infiltración, el sombreado de paredes y techos
vidriados, así como la utilización de vidriado de baja emisividad y reflejantes en las
paredes y techos donde se presenta mayor incidencia de radiación solar.
5.3.1.-Definición de Casos.
Los resultados obtenidos de la variación de parámetros, se presentan en
dos partes: la primera parte corresponde a la variación de la infiltración y el
sombreado de las paredes y techos vidriados, mientras que en la segunda parte
se presentará los resultados obtenidos de las simulaciones en donde se considera
la utilización de un vidriado diferente en las paredes y techos vidriados, y la
infiltración. Los resultados se presentarán en evolución libre y con cargas térmicas
para los dos periodos del año.
Capítulo V.- Resultados
170
Las superficies a considerar para el sombreamiento son las ubicadas en el
segundo nivel, la zona 2N-Departamento, y en el tercer nivel, la zona 3N-Pasillo,
ambas paredes vidriadas están orientadas al este, así mismo, se considerará el
techo inclinado y horizontal los cuales se encuentran vidriados.
El sombreamiento de las paredes y techos vidriados serán del 30%, 50% y
70%, mientras que la infiltración a variar será de 1, 3 y 6 cambios de volumen de
aire por cada hora.
Para la temporada de invierno se considerará una infiltración baja de 1
cambio de volumen de aire por hora, mientras que el porcentaje de
sombreamiento variará conforme el caso. Por otra parte, para la temporada de
verano se tendrá la variación de la infiltración y del sombreado de acuerdo a cada
caso presentado.
La descripción de cada uno de los casos se muestra en la tabla 5.1:
Tabla 5.1.- Descripción de los casos variando sombreamiento e infiltración.
Caso Temporada
Invierno Verano Sombreado Infiltración Sombreado Infiltración
1 30%
1 CVA/Hr
30% 3 CVA/Hr
2 6 CVA/Hr 3
50% 50% 3 CVA/Hr
4 6 CVA/Hr 5
70% 70% 3 CVA/Hr
6 6 CVA/Hr
Para los resultados de las simulaciones donde se utilizó un vidriado
diferente se presentan tanto en evolución libre y con cargas térmicas, se utilizaron
dos tipos de vidriado, de baja emisividad y reflectivos, variando la infiltración en las
temporadas donde se tienen las temperaturas más altas.
Capítulo V.- Resultados
171
A continuación se describen las características de los dos tipos de vidrios
utilizados:
Características Vidriado Baja Emisividad
Producto: Eficient-e
Marca: Vitro
Espesor: 6 mm
Transmisión Solar: 61 % Luz 41 % Calor
Reflexión Solar: 9 % Luz 17 % Calor
En la tabla 5.2 se muestran los casos simulados para la temporada de
invierno y verano.
Tabla 5.2.- Descripción de casos utilizando vidrio de baja emisividad.
Temporada Invierno Verano
Infiltración
1 CVA/Hr 1 CVA/Hr 3 CVA/Hr 6 CVA/Hr
Características Vidriado Reflejante
Producto: Reflectasol
Marca: Vitro
Espesor: 6 mm
Transmisión Solar: 30.4 % Luz 22.7 % Calor
Reflexión Solar: 37.9 % Luz 30.4 % Calor
Capítulo V.- Resultados
172
En la tabla 5.3 se muestran los casos simulados para las temporadas de
inverno y verano.
Tabla 5.3.- Descripción de casos utilizando vidrio reflejante.
Temporada Invierno Verano
Infiltración
1 CVA/Hr 1 CVA/Hr 3 CVA/Hr 6 CVA/Hr
Para cada caso y tipo de vidriado se presentan las temperaturas obtenidas
en cada zona en evolución libre, así mismo se presentan las cargas térmicas
necesarias para cada zona para lograr el confort al interior del edificio.
5.3.1.1- Evolución libre.
A continuación se presentan las temperaturas promedios mensuales de
cada zona del edificio para cada caso.
La figura 5.9 muestra las temperaturas promedios mensuales del aire al
interior de cada zona del edificio según el caso simulado. Para el caso 1, la figura
5.9(a) muestra los resultados obtenidos. La figura 5.9(b) muestra los resultados
obtenidos para el caso 2. De igual forma, los resultados obtenidos para el caso 3
se presentan en la figura 5.9(c).
La figura 5.10 muestra los resultados para los casos 4, 5 y 6. Para el caso
4, los resultados se presentan en la figura 5.10(a), los resultados del caso 5 son
presentados por la figura 5.10(b), y finalmente, los resultados del caso 6 se
presentan en la figura 5.10(c).
Capítulo V.- Resultados
173
(a)
(b)
(c)
Figura 5.9.- Temperaturas promedio mensuales por zonas para (a) caso 1,
(b) caso 2 y (c) caso 3.
Capítulo V.- Resultados
174
(a)
(b)
(c)
Figura 5.10.- Temperaturas promedio mensuales por zonas para (a) caso 4,
(b) caso 5 y (c) caso 6.
Capítulo V.- Resultados
175
En los resultados que se obtuvieron en cada uno de los casos, se observa
que el comportamiento de la temperatura del aire al interior de cada zona está
dentro del rango de las temperaturas de confort térmico de Marzo a Junio, esta
disminución en los meses cálidos se presenta por la aplicación de sombreado en
las paredes y techos vidriados, así como el aumento de la infiltración. Sin
embargo, para los meses de invierno que van de Octubre a Febrero, disminuye la
temperatura del aire al interior del edificio estando por debajo del rango de la
temperaturas de confort térmico.
En la figura 5.9(a), para el Caso 1, se observa que en el mes de Marzo hay
una disminución máxima en la temperatura del aire al interior del edificio de 2.6 °C
lo que representa una disminución de 10.9 % con respecto a las temperaturas del
aire al interior en la situación actual del edificio. También para el caso 2 se
presenta una disminución de 3.4 °C como se observa en la figura 5.9(b), esto es
una reducción del 14.1 %.
Para el caso 3 y 4, los porcentajes de disminución son de 16.1 % y 18.2 %
respectivamente. Mientras que para los casos 5 y 6, la disminución máxima de la
temperatura promedio del aire al interior del edificio fueron de 4.6 °C y 4.9 °C, lo
que corresponde a una disminución de 19.2 % y 20.6 % con respecto a las
obtenidas en la situación actual.
Los meses donde se presentan mayor temperatura del aire en el interior del
edificio son Abril, Mayo y Junio, y las zonas más críticas son la 1N-Espacio02, 2N-
Departamento, 3N-Pasillo y las ubicadas en la azotea que son Azotea-Oficina y
Azotea-Poliedro. Se observa que entre mayor sea el porcentaje de sombreado y la
infiltración, en la temporada de verano la temperatura del aire disminuirá para
cada zona del edificio, esto se puede observar en la figura 5.11.
Capítulo V.- Resultados
176
En la figura 5.11 se presentan las temperaturas promedio mensuales del
aire al interior edificio, considerando las ocho zonas que lo componen, para cada
uno de los casos simulados, junto con la temperatura promedio mensual del aire
ambiente.
Figura 5.11.- Temperaturas promedio mensuales del interior del edificio para cada caso simulado.
Se observa que, durante los meses de Marzo a Junio, tanto el sombreado
de los techos y paredes vidriadas, como el aumento de la infiltración, disminuyen
la temperatura promedio del aire al interior del edificio con respecto a la situación
actual, favoreciendo en los meses de temperaturas altas, pero en la temporada de
invierno, en los meses de Octubre a Febrero, donde se requiere tener
temperaturas del aire al interior del edificio más altas que las de la temperatura del
aire ambiente, también disminuyen. La disminución de la temperatura del aire al
interior del edificio más alta obtenida fue de 4.9 °C lo que equivale a una reducción
de 20.6 % con respecto a la situación actual.
A continuación, en la figura 5.12, se presentan las temperaturas promedios
del aire al interior de cada zona del edificio, obtenidas utilizando un vidriado
diferente al original, en este caso es un vidriado de baja emisividad (Tabla 5.2).
Capítulo V.- Resultados
177
(a)
(b)
(c)
Figura 5.12.- Temperaturas promedio mensuales por zonas para los casos con vidriado de baja
emisividad con una infiltración en verano de (a) 1 CVA/Hr, (b) 3 CVA/Hr y (c) 6 CVA/Hr.
Capítulo V.- Resultados
178
La figura 5.12(a) muestra las temperaturas promedio mensuales para cada
zona del edificio y la temperatura promedio mensual del ambiente, considerando
una infiltración en la temporada de verano de 1 CVA/Hr.
Para el caso donde se considera una infiltración de 3 CVA/Hr en la
temporada de verano, la figura 5.12(b) muestran las temperaturas promedio
mensuales para cada zona del edificio y la temperatura promedio mensual del
medio ambiente.
La figura 5.12(c) muestra las temperaturas promedio mensuales para cada
zona del edificio y la temperatura promedio mensual del medio ambiente, estas
temperaturas son para el caso donde se considera una infiltración de 6 CVA/Hr
para la temporada de verano.
Considerando una infiltración de 1 CVA/Hr las temperaturas del aire al
interior del edificio en los meses de verano alcanzan aproximadamente los 26 °C
en algunas zonas, utilizando el mismo vidriado de baja emisividad, pero variando
la infiltración a 3 CVA/Hr se obtuvieron temperaturas del aire al interior del edificio
cercanas a los 24 °C, lo que representa una disminu ción en la temperatura del aire
al interior de aproximadamente 2 °C, esto al aument ar la infiltración de 1 CVA/Hr a
3 CVA/Hr. Para el caso donde la infiltración se consideró de 6 CVA/Hr, la
temperatura máxima registrada fue de 23 °C, siguien do el comportamiento a la
baja en las temperaturas del aire al interior.
Las zonas más críticas donde se tienen las temperaturas del aire al interior
del edificio más altas son la 2N-Oficina, 3N-Pasillo, 1N-Espacio01 y las ubicadas
en la azotea del edificio, que son Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro.
Capítulo V.- Resultados
179
La figura 5.13 muestra las temperaturas promedio mensuales del aire al
interior del edificio de los tres casos simulados, la temperatura promedio mensual
del aire ambiente y la temperatura promedio mensual del aire al interior del edificio
en su situación actual.
Figura 5.13.- Temperaturas promedio mensuales utilizando vidriado de baja emisividad.
Se observa que la disminución máxima de la temperatura promedio del aire
al interior del edificio es de 16.02 % en el mes de Marzo, para el caso donde se
tiene una infiltración de 6 CVA/Hr para la temporada de verano, lo que equivale a
una disminución máxima de la temperatura del aire al interior del edificio de
aproximadamente 3.8 °C. Se observa que los meses de Noviembre a Febrero, las
temperaturas promedio del aire al interior del edificio están por debajo de las
temperaturas del rango de la zona de confort térmico, mientras que los meses de
verano se mantienen dentro de la zona de confort térmico.
A continuación, la figura 5.14 presenta las temperaturas promedio
mensuales del aire al interior de cada zona del edificio utilizando un vidriado
diferente al original, en estos casos se utilizó un vidriado reflejante (Ver Tabla 5.3).
Capítulo V.- Resultados
180
(a)
(b)
(c)
Figura 5.14.- Temperaturas promedio mensuales por zonas para los casos con vidriado reflejante
con una infiltración en verano de (a) 1 CVA/Hr, (b) 3 CVA/Hr y (c) 6 CVA/Hr.
Capítulo V.- Resultados
181
La figura 5.14(a) muestra las temperaturas del aire promedio mensuales
para cada zona del edificio junto con la temperatura promedio mensual del aire
ambiente para el caso donde se considera una infiltración de 1 CVA/Hr. De igual
forma para el caso donde se considera una infiltración de 3 CVA/Hr la figura
5.14(b) muestra las temperaturas correspondientes. En la figura 5.14(c) se
presentan estas temperaturas para el caso donde se considera una infiltración de
6 CVA/Hr, siendo en este caso se presentan las temperaturas menores en los
meses de verano.
En los meses de verano, para una infiltración de 1 CVA/Hr, las
temperaturas del aire al interior del edificio alcanzan aproximadamente los 25 °C,
utilizando el vidriado reflejante. Sin embargo, variando la infiltración a 3 CVA/Hr se
obtuvieron temperaturas del aire al interior del edificio cercanas a los 24 °C, lo que
representa una disminución en la temperatura del aire al interior de
aproximadamente 1 °C. Para el caso donde la infiltr ación se consideró de 6
CVA/Hr, la temperatura máxima registrada fue de 23 °C, una disminución de 2 °C
con el caso donde se consideró una infiltración de 1 CVA/Hr.
Las zonas 2N-Oficina, 3N-Pasillo, 1N-Espacio01 y las ubicadas en la azotea
del edificio, que son Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro, son las que presentan
temperaturas promedio del aire al interior mayores en la temporada de verano,
alrededor de 23 °C a 25 °C. La mayor disminución de temperatura fue cuando se
consideró una infiltración de 6 CVA/Hr, no obstante las temperaturas en la
temporada de invierno son menores en los tres casos.
Capítulo V.- Resultados
182
En la figura 5.15, se muestran las temperaturas promedio mensuales del
aire al interior del edificio en la situación actual y para los tres casos simulados
utilizando vidriado reflejante y la temperatura promedio del medio ambiente.
Figura 5.15.- Temperaturas promedio mensuales utilizando vidriado reflejante.
En todos los casos simulados con el vidriado reflejante las temperaturas del
aire al interior están dentro del rango de las temperaturas de la zona de confort
térmico, excepto para los meses de Noviembre a Febrero, donde las temperaturas
del aire al interior del edificio están por debajo del rango mínimo de la zona de
confort térmico, es decir, por debajo de 19 °C, por lo que será necesario
suministrar cargas de calefacción. Las temperaturas mayores del aire al interior
del edificio obtenidas con el vidriado reflejante son considerando una infiltración de
1 CVA/Hr, mientras que para mayor infiltración las temperaturas del aire al interior
del edificio disminuirán.
Capítulo V.- Resultados
183
Se observa que en el mes de Marzo la disminución máxima de la
temperatura promedio del aire al interior del edificio fue de 16.6 % para el caso
donde se tiene una infiltración de 6 CVA/Hr, lo que equivale a una disminución
máxima de la temperatura de 4.1 °C.
En los meses de Enero, Febrero, Noviembre y Diciembre, las temperaturas
promedio del interior del edificio en algunos casos están por debajo de la
temperatura mínima de la zona de confort.
Finalmente, en la figura 5.16 se presentan las comparaciones entre las
temperaturas promedio mensuales del aire al interior del edificio para los
diferentes casos simulados: (Tabla 5.1, Tabla 5.2 y Tabla 5.3), así también se
presentan las temperaturas promedio mensuales del aire al interior del edificio en
su situación actual y la temperatura promedio mensual del aire ambiente.
Figura 5.16.- Temperaturas promedio mensuales del edificio para cada uno de los casos
simulados.
Capítulo V.- Resultados
184
Se observa que la máxima disminución de la temperatura mensual del aire
al interior del edificio de 4.9 °C se da para el ca so 6, el cual tiene un sombreado de
70% del área total y una infiltración en verano de 6 CVA/Hr. El caso 1 es el que
menor porcentaje de reducción de temperatura promedio mensual del aire al
interior del edificio presentó, con un 5.6%, lo que representa una disminución de
0.9 °C en la temperatura promedio del aire al inter ior con respecto a la
temperatura actual.
Tanto el sombreamiento de los techos y paredes vidriados para la
temporada de verano, como el uso de un vidriado reflejante y de baja emisividad,
en conjunto con el cambio en los valores de la infiltración del edificio, disminuyen
la temperatura del aire al interior. Caso contrario para los meses de invierno, como
lo son de Noviembre a Febrero, donde se obtuvieron temperaturas del aire al
interior del edificio menores a las registradas en la situación actual, lo que
ocasiona la necesidad de la utilización de equipos para calefacción.
5.3.1.2.- Cargas Térmicas.
Considerando las cargas térmicas necesarias para lograr el confort térmico
al interior del edificio, las suposiciones fueron que la infiltración es mínima durante
el año y no existen espacios abiertos entre las zonas del edificio. La figura 5.17
presenta las cargas térmicas anuales para calefacción y refrigeración totales del
edificio necesarios en la situación actual, también se presentan los casos
considerando sombreamiento en las paredes y techos vidriados, que van del 30%,
50% y 70%, así también considerando la utilización de vidriado de baja emisividad
y reflejantes. Las barras de color rojo representan las cargas de calefacción y las
de color azul representan las cargas de refrigeración.
Capítulo V.- Resultados
185
Figura 5.17.- Cargas térmicas totales anuales necesarias en el edificio para lograr el confort al
interior.
En el caso de la situación actual, durante el año el edificio requeriría
38,533.5 kWh para calefacción y 56,347.1 kWh para refrigeración, para mantener
las condiciones del aire al interior del edificio dentro de la zona de confort térmico.
Para el Caso 1 (Tabla 5.1) considerando el sombreado del 30% del área de
las paredes y techos vidriados se obtuvo una disminución de 49.8% en las cargas
de refrigeración, y un aumento de 12.1% en las cargas de calefacción para el
periodo simulado. Para el caso 2 (Tabla 5.2) considerando el sombreado de 50%
del área, se reducen las cargas de refrigeración en un 77.4%, y las cargas de
calefacción aumentan un 23.4%. Para el caso 3 (Tabla 5.1) considerando un 70%
de sombreado, las cargas de refrigeración disminuyen un 94.1%, mientras que las
cargas de calefacción aumentan un 40.9%. En el caso de la utilización de vidrios
de baja emisividad (Tabla 5.2) se logró una disminución de 62.3% para las cargas
de refrigeración y un aumento de 15.8% para las cargas de calefacción para el
edificio. Mientras que con la utilización de vidrios reflejantes (Tabla 5.3) se obtuvo
una disminución de 65.1% en las cargas de refrigeración y un aumento de 19.5%
en las cargas de calefacción para el edificio durante todo el año.
Capítulo V.- Resultados
186
Se observa que el comportamiento de las cargas térmicas durante el año es
inversamente proporcional; al disminuir las cargas de refrigeración se incrementan
las cargas de calefacción, esto se debe a la baja masa térmica de la envolvente
del edificio.
Por ello, debido a que la masa térmica representa la resistencia de un
cuerpo a un cambio de temperatura cuando la temperatura ambiente cambia, esta
característica es importante para el confort térmico en el edificio, ya que los
edificios de baja masa térmica se calientan rápidamente debido a la radiación
incidente solar y se enfrían rápidamente por la noche.
En la figura 5.18 se presenta la variación de las cargas térmicas de
calefacción y refrigeración en función del porcentaje de sombreamiento.
Figura 5.18.- Cargas térmicas totales en función del sombreamiento.
Se observa que al aumentar el sombreado a 100 % las cargas de
refrigeración disminuyen en 60.1 % y las cargas de calefacción aumentan 13.4 %.
Capítulo V.- Resultados
187
La figura 5.19(a) presenta las cargas térmicas de calefacción necesarias en
el año para cada zona del edificio para todos los casos simulados y la figura
5.19(b) presentan las cargas de refrigeración anuales para cada zona, dichas
cargas térmicas son necesarias para lograr condiciones de temperatura del aire al
interior del edificio dentro del rango de temperaturas de la zona de confort térmico.
(a)
(b)
Figura 5.19.- Cargas térmicas anuales por zonas de (a) Calefacción, (b) Refrigeración.
Capítulo V.- Resultados
188
El sombreamiento de las paredes y techos, así como la utilización de vidrios
de baja emisividad y reflejantes disminuyen las cargas térmicas de refrigeración,
aunque se presenta un ligero incremento en las cargas térmicas de calefacción,
que se presenta en la zona más crítica, la zona 1N-Espacio02, con un incremento
máximo en las cargas de calefacción de 26.8 %, en el caso donde se utiliza un
sombreado de 70 % del área total de paredes y techos vidriados; mientras que
presenta un disminución máxima de 91.5 % en las cargas de refrigeración para el
mismo porcentaje de sombreado. Para esto, el sombreado es recomendable para
la temporada de verano donde se tendría una disminución en las cargas térmicas
de refrigeración.
5.4.- Análisis de Días Característicos.
Para analizar el comportamiento térmico del edificio en días específicos, se
seleccionaron dos días característicos: el día cálido al interior del edificio en horas
laborales y el día frío en horario de labores en el edificio, considerando la variación
de parámetros como son la temperatura del aire ambiente, la humedad relativa, la
velocidad del viento y la radiación solar incidente para cada uno de los días.
5.4.1.- Análisis en día cálido.
Para el análisis del día cálido se consideró el día 7 de mayo, que va de la
hora 3024 a la 3047 del año. En la figura 5.20(a) se presenta la variación de la
temperatura del aire ambiente para cada una de las zonas del edificio en la
situación actual. La figura 5.20(b) muestra la temperatura promedio del interior del
edificio en la situación actual y la temperatura del aire ambiente registrada durante
el día cálido.
Capítulo V.- Resultados
189
(a)
(b)
Figura 5.20.- Temperaturas en día cálido. (a) Temperatura horaria por zonas durante el día
cálido, (b) Temperatura promedio del interior del edificio y la temperatura ambiente en el día cálido.
Capítulo V.- Resultados
190
En la figura 5.20(a) se observa que la zona 1N-Espacio02 registra las
temperaturas del aire al interior más altas durante el día, cercanas a los 50 °C
entre las 14 y 16 horas, seguida de la zona 2N-Departamento, Azotea-Poliedro y
Azotea-Oficina, que son zonas en las que se tiene un área vidriada considerable.
A partir de las 8 horas hasta las 19 horas, la mayoría de las zonas están fuera del
rango de las temperaturas de la zona de confort térmico, teniendo el
comportamiento similar al de la temperatura del aire ambiente.
En la figura 5.20(b) se observa el comportamiento de la temperatura
promedio del aire al interior del edificio en la situación actual con respecto a la
temperatura del aire ambiente durante el día cálido. Se observa que para este día
la temperatura promedio del aire al interior del edificio se encuentra dentro del
rango de las temperaturas de la zona de confort térmico las primeras horas del
día, de las 0 horas a las 8 horas, posterior a esta hora la temperatura promedio del
aire al interior aumenta por arriba de los 26 °C ha sta descender a las 21 horas y
ubicarse dentro de la zona de confort térmico. Es evidente que el uso de equipo de
refrigeración es necesario para este día, debido a que se presentan las altas
temperaturas en horario laboral.
La figura 5.21 presenta las temperaturas promedio del aire al interior del
edificio para los casos simulados, dividiendo los resultados en tres partes: la figura
5.21(a) presentan las temperaturas promedio del aire al interior de la edificación
para los casos donde se realizó la variación del porcentaje de sombreado y la
infiltración, la figura 5.21(b) presenta los resultados obtenidos para los casos
donde se utilizó un vidriado de baja emisividad, y por último, la figura 5.21(c)
presentan los resultados de las temperaturas promedio del aire al interior para los
casos donde se utilizó un vidriado reflejante.
Capítulo V.- Resultados
191
(a)
(b)
(c)
Figura 5.21.- Temperatura promedio del edificio en el día más cálido. (a) Casos aplicando
sombreamiento, (b) Casos con vidriado de baja emisividad. (c) Casos con vidriado reflejante.
Capítulo V.- Resultados
192
En la figura 5.21(a) se presentan las temperaturas promedio del aire al
interior edificio en su situación actual y las temperaturas promedio del aire
ambiente para cada uno de los casos donde se varió el área de sombreamiento y
la infiltración (Tabla 5.1). Se observa la tendencia de la temperatura promedio del
aire al interior del edificio similar a la de la curva de la temperatura del aire
ambiente, esto debido a la baja masa térmica de la envolvente del edificio y a su
bajo tiempo de retraso. En estos casos se obtuvo una disminución máxima de la
temperatura del edificio de 6.6 °C para el caso don de se tiene 70% de área
sombreada y una infiltración de 6 CVA/Hr.
La figura 5.21(b) presenta las temperaturas promedio del aire al interior del
edificio en la situación actual y las de los casos simulados utilizando vidriado de
baja emisividad (Tabla 5.2). Para estos casos se obtuvo una disminución máxima
de la temperatura del edificio de 4.3 °C, considera ndo una infiltración de 6 CVA/Hr.
La figura 5.21(c) muestra las temperaturas promedio del interior del edificio
para los casos simulados utilizando un vidriado reflejante (Tabla 5.3). Se obtuvo
una disminución máxima de 4.7 °C en el caso donde s e considera una infiltración
de 6 CVA/Hr en la temporada de verano.
Se observa que un sombreado mayor a 50 % del área vidriada con
una infiltración en la temporada de verano de 6 CVA/Hr disminuye las
temperaturas promedio del aire al interior del edificio de manera similar que
el utilizar un vidriado de baja emisividad o reflejante.
Capítulo V.- Resultados
193
5.4.2.- Análisis en día frío.
Se consideró el día 4 de noviembre debido a las bajas temperaturas del aire
ambiente. La figura 5.22(a) presenta la temperatura del aire al interior de cada
zona del edificio en la situación actual y en la figura 5.22(b) presenta la
temperatura promedio del aire al interior del edificio en la situación actual y la
temperatura del aire ambiente.
(a)
(b)
Figura 5.22.- Temperaturas en día frío. (a) Temperatura horaria por zonas durante el día
frío, (b) Temperatura promedio del interior del edificio y la temperatura ambiente en el día frío.
Capítulo V.- Resultados
194
En la figura 5.22(a) se observa que en el día más frío la mayor parte del
tiempo las temperaturas del aire de cada una de las zonas del edificio se
encuentra por debajo del rango de la zona confort térmico, es decir, por debajo de
los 19 °C. De las 0 horas a las 11 horas todas las zonas presentan temperaturas
por debajo de las de confort térmico, siendo las zonas 2N-Oficina, 3N-Pasillo,
Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro las que menores temperaturas registran del aire
al interior. No obstante que se registran bajas temperaturas del aire ambiente, la
zona 1N-Espacio02 presenta temperaturas del aire al interior por arriba de la zona
de confort térmico, registrando cerca de 30 °C a la s 14 horas, esto debido a su
techo y paredes vidriados y al volumen que ocupa la zona. Después de las 18
horas las temperaturas descienden hasta llegar a los 9 °C para las zonas de la
azotea alrededor de las 23 horas.
La figura 5.22(b) muestra claramente como el comportamiento de la
temperatura promedio del aire al interior del edificio es similar al de la temperatura
del aire ambiente, teniendo de las 11 horas a las 17 horas condiciones de confort
térmico al interior del edificio. Las temperaturas más bajas registradas para el aire
ambiente son de 6.3 °C para la noche, mientras que la temperatura del aire
ambiente más alta es de 14.8 °C. Esto muestra la ne cesidad de la utilización de
equipos de calefacción en horario laboral para lograr temperaturas del aire al
interior más altas que las que se tienen y poder estar dentro del rango de
temperaturas de la zona de confort térmico.
En la figura 5.23 se presentan las temperaturas obtenidas para todos los
casos simulados para el día frío. La figura 5.23(a) se presentan las temperaturas
obtenidas considerando la variación del sombreado en techos y paredes vidriados
en el edificio. La figura 5.23(b) presenta los resultados obtenidos con la utilización
de un vidriado de baja emisividad y la figura 5.23(c) muestra los resultados para
los casos donde se utilizo un vidriado reflejante.
Capítulo V.- Resultados
195
(a)
(b)
(c)
Figura 5.23.- Temperatura promedio del edificio en el día más frío. (a) Casos aplicando
sombreamiento, (b) Casos con vidriado de baja emisividad. (c) Casos con vidriado reflejante.
Capítulo V.- Resultados
196
En la figura 5.23(a) se muestran los resultados de los casos donde se utilizó
sombreado de las paredes y techos vidriados y para diferentes infiltraciones. Se
obtuvo una disminución máxima de la temperatura de 4.8 °C para el caso con
sombreamiento del 70% del área e infiltración máxima de 6 CVA/Hr para la
temporada de verano. El mejor caso para la temporada de invierno es el que
presenta una disminución mínima, como lo es el caso con 30% de área
sombreado e infiltración mínima de 1 CVA/Hr, con un incremento de la
temperatura de 2.1 °C con respecto a la temperatura actual, y así, la temperatura
esta dentro de la zona de confort.
En la figura 5.23(b) se presentan las temperaturas promedio del aire al
interior del edificio para los casos donde se consideró un vidriado de baja
emisividad. Las temperaturas obtenidas están por debajo de la temperatura del
aire al interior del edificio en su situación actual, por lo que el mejor caso es donde
se considera una infiltración de 1 CVA/Hr teniendo una disminución de 1.9 °C
como máximo. La figura 5.23(c) presenta los resultados para los casos donde se
consideró un vidriado reflejante, las temperaturas obtenidas están debajo de las
obtenidas en la situación actual, por lo que el mejor caso es donde se considera
una infiltración mínima de 1 CVA/Hr, presentando una disminución de la
temperatura del aire al interior del edificio de 2.2 °C.
De los casos anteriores, se observa que para la mayoría de los casos las
temperaturas promedio del aire al interior del edificio están por debajo del rango
de confort térmico, menores a 19 °C. Para estos cas os en el día frío se mantiene
una mínima infiltración para que las temperaturas no disminuyan y permanezcan
dentro de la zona de confort térmico.
Capítulo V.- Resultados
197
5.5.- Acciones para mejora del comportamiento térmi co del
edificio.
En este apartado, se describen algunas acciones que podrían beneficiar el
comportamiento térmico del edificio.
• Para disminuir las ganancias de la energía solar incidente en el edificio
sobre las paredes y techos vidriados, se recomienda el sombreamiento, la
utilización de vidrios con filtros solares, sistemas de lamas, el uso de
mallasombra, o la utilización de materiales diferentes al vidriado, como
puede ser el Multymuro que ya fue utilizado en el edificio para su estructura.
Figura 5.24.- Mallasombra.
Figura 5.25.- Sistema de lamas para sombreamiento en ventanas.
Figura 5.26.- Películas para ventanas con filtros solares.
Capítulo V.- Resultados
198
• El cambio del vidriado actual por un vidriado de baja emisividad o reflejante,
sin embargo es una opción costosa. Como se observa de los resultados, el
sombreamiento de 50% del área ocupada por el techo y las paredes
vidriadas puede ser la opción más adecuada.
Figura 5.27.- Vidriado de baja emisividad.
Figura 5.28.- Vidriado reflejante.
Capítulo V.- Resultados
199
• Para disminuir las temperaturas del aire al interior del edificio en temporada
de verano se puede controlar la infiltración o ventilación. Debido a las
características geométricas del edificio, se podría utilizar ventanas o
aperturas en el techo, para colocar extractores de aire.
Figura 5.29.- Extractores de aire.
Figura 5.30.- Techo con aperturas de ventilación móviles.
• En la temporada de invierno, se limita la infiltración, y se sugiere usar
cortinas para cubrir las ventanas por la noche o en su defecto diseñar un
invernadero para atrapar el calor por el día y después abrirlo por la noche
hacia las otras zonas del edificio para suministrar calor.
Capítulo VI.- Conclusiones y recomendaciones
200
Capítulo VI.- Conclusiones y recomendaciones.
Por último en este trabajo se formulan las conclusiones finales del estudio
realizado y se aportan recomendaciones las cuales se sugieren para estudios
futuros..
Capítulo VI.- Conclusiones y recomendaciones
201
6.1.- Conclusiones.
• El edificio actualmente presenta un comportamiento térmico fuera del rango
confort térmico. La temperatura del aire al interior más alta se presenta en
la zona 1N-Espacio02, en el mes de Mayo con 49.1 °C . Esta zona es la
más crítica debido al vidriado de su techo y las paredes, así mismo por el
gran volumen que ocupa. Las zonas que mayores cargas térmicas de
refrigeración requieren para lograr condiciones de confort térmico son 1N-
Espacio02, 2N-Departamento, 3N-Pasillo, Azotea-Oficina y Azotea-
Poliedro. Actualmente el edificio requeriría 38,533.5 kWh de cargas
térmicas para calefacción y de 56,347 kWh para refrigeración para lograr
condiciones dentro de la zona de confort térmico.
• En el caso de la utilización de sombreado con 30%, 50% y 70% del área de
las paredes y techos se obtuvo una disminución máxima en el promedio
mensual de la temperatura del edificio de 2.4 °C, 3 .6 °C y 4.3 °C,
respectivamente.
• Los resultados obtenidos con la utilización de vidrios reflejantes fueron una
disminución máxima en la temperatura promedio mensual del edificio de 2.3
°C, manteniendo la infiltración en verano de 1 CVA/ Hr, aumentando la
infiltración en verano en 6 CVA/Hr se logra una disminución máxima de 3.6
°C, en la temperatura promedio mensual del edificio .
• Con la utilización de vidrios de baja emisividad se obtuvo una disminución
máxima en la temperatura promedio mensual del edificio de 1.9 °C,
manteniendo la infiltración en verano de 1 CVA/Hr; y una disminución
máxima de 3.5 °C, con una infiltración en verano de 6 CVA/Hr.
• En la situación actual las cargas térmicas totales necesarias para mantener
el edificio dentro de la zona de confort es de 94,880.5 kWh, para un
sombreado de 30% del área de 71,450.8 kWh, y va disminuyendo hasta un
39.2% con un total 57,630.2 kWh para un sombreado de 70%.
Capítulo VI.- Conclusiones y recomendaciones
202
• Con la utilización de vidrios de baja emisividad las cargas térmicas
necesarias son de 65,893.81 kWh, lo que representa una disminución de
30.55%, mientras que con la utilización de vidriado reflejante las cargas
térmicas son de 65,715.94 kWh, una disminución de 30.73% en
comparación con las cargas requeridas en la situación actual.
• Para los meses de verano tener un área con mayor sombreamiento y una
infiltración alta reduce las temperaturas del aire al interior de las zonas, al
igual que el utilizar vidrios de baja emisividad o reflejantes; en cambio, en
los meses de invierno, una infiltración mínima y un área sombreada
pequeña es conveniente, con el fin de tener ganancias de energía al interior
del edificio y mantener temperaturas dentro de la zona de confort térmico.
• Se observa que con el sombreamiento, la curva de las cargas para
refrigeración es más pronunciada que la curva de las cargas para
calefacción, indicando que la reducción de cargas para refrigeración es más
conveniente aunque las cargas para calefacción aumenten ligeramente.
• Con este estudio se muestra que los edificios de baja masa térmica o
vidriados como es el caso de estudio, deben ser evitados, si se quiere
lograr un ahorro energético en climas como el de la ciudad de México, o en
climas cálidos.
Capítulo VI.- Conclusiones y recomendaciones
203
6.2.- Recomendaciones.
1. Realizar estudios experimentales en el edificio, para comparar los datos
obtenidos de las simulaciones realizadas en este trabajo.
2. Generar normas para aplicar a edificación vidriadas y así disminuir el
consumo energético generado por la utilización de equipos de HVAC.
3. Realizar estudios de aprovechamiento del recurso solar incidente sobre las
paredes y techos del edificio, considerando la utilización de paneles solar,
celdas fotovoltaicas, calentadores de agua, entre otros.
4. Aplicar el procedimiento utilizado en este trabajo para edificios localizados
en diferentes tipos de clima.
5. Realizar estudios con técnicas pasivas aplicados a edificios de baja masa
térmica para ver en qué condiciones es posible disminuir al mínimo el uso
de de HVAC, y realizar recomendaciones para este tipo de edificios en
cuanto a normatividad.
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Anexos
211
Anexos
Anexos
212
Anexo I.- Situación Actual.- Las figuras A1.2 – A1.11 presentan las temperaturas máximas, temperaturas mínimas y cargas térmicas de calefacción y refrigeración para cada zona del edificio en su situación actual.
Figura A1.1.- Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Figura A1.2.- Temperaturas máximas mensuales registradas.
Figura A1.3.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración anuales por zonas del edificio.
Anexos
213
Cargas térmicas mensuales por zonas.
Figura A1.4.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 1N-Espacio01.
Figura A1.5.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 1N-Espacio02.
Figura A1.6.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 2N-Oficina.
Anexos
214
Figura A1.7.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 2N-Departamento.
Figura A1.8.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 3N-Oficina.
Figura A1.9.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 3N-Pasillo.
Anexos
215
Figura A1.10.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona Azotea-Oficina.
Figura A1.11.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona Azotea-Poliedro.
Anexos
216
Anexo II Variación de Parámetros: Sombreamiento e infiltraci ón. A continuación las Figuras A2.1 – A2.28 presentan las temperaturas mínimas y máximas mensuales registras y las cargas térmicas para cada caso como se muestra en la Tabla A1.1.
Tabla A2.1.-Descripción de casos variando sombreamiento e infiltración.
Caso 1
Figura A2.1.-Temperaturas máximas mensuales registradas.
Figura A2.2.-Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Caso Temporada
Invierno Verano Sombreado Infiltración Sombreado Infiltración
1 30%
1 CVA/Hr
30% 3 CVA/Hr
2 6 CVA/Hr 3
50% 50% 3 CVA/Hr
4 6 CVA/Hr 5
70% 70% 3 CVA/Hr
6 6 CVA/Hr
Anexos
217
Caso 2
Figura A2.3.-Temperaturas máximas mensuales registradas.
Figura A2.4.-Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Caso 3
Figura A2.5.-Temperaturas máximas mensuales registradas.
Anexos
218
Figura A2.6.-Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Caso 4
Figura A2.7.-Temperaturas máximas mensuales registradas.
Figura A2.8.-Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Anexos
219
Caso 5
Figura A2.9.-Temperaturas máximas mensuales registradas.
Figura A2.10.-Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Caso 6
Figura A2.11.-Temperaturas máximas mensuales registradas.
Anexos
220
Figura A2.12.-Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Cargas térmicas mensuales para calefacción por zonas.
Figura A2.13.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 1N-Espacio01.
Figura A2.14.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 1N-Espacio02.
Anexos
221
Figura A2.15.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 2N-Oficina.
Figura A2.16.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 2N-Departamento.
Figura A2.17.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 3N-Oficina.
Anexos
222
Figura A2.18.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 3N-Pasillo.
Figura A2.19.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona Azotea-Oficina.
Figura A2.20.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona Azotea-Poliedro.
Anexos
223
Cargas térmicas mensuales para refrigeración por zonas.
Figura A2.21.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 1N-Espacio01.
Figura A2.22.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 1N-Espacio02.
Figura A2.23.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 2N-Oficina.
Anexos
224
Figura A2.24.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 2N-Departamento.
Figura A2.25.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 3N-Oficina.
Figura A2.26.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 3N-Pasillo.
Anexos
225
Figura A2.27.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona Azotea-Oficina.
Figura A2.28.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona Azotea-Poliedro.
Anexos
226
Anexo III Variación de Parámetros: Vidriado de Baja Emisivida d. Las figuras A3.1 – A3.15 presentan las temperaturas máximas y mínimas registradas y las cargas térmicas obtenidos de las simulaciones utilizando un vidriado de baja emisividad para cada uno de los casos los cuales se describen en la Tabla A3.1.
Tabla A3.1.- Descripción de casos utilizando vidriado de baja emisividad.
Temporada Invierno Verano
Infiltración
1 CVA/Hr 1 CVA/Hr 3 CVA/Hr 6 CVA/Hr
Infiltración en verano de 1 CVA/Hr.
Figura A3.1.- Temperaturas máximas mensuales registradas.
Figura A3.2.- Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Anexos
227
Infiltración en verano de 3 CVA/Hr.
Figura A3.3.- Temperaturas máximas mensuales registradas.
Figura A3.4.- Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Infiltración en verano de 6 CVA/Hr.
Figura A3.5.- Temperaturas máximas mensuales registradas.
Anexos
228
Figura A3.6.- Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Cargas térmicas anuales por zonas.
Figura A3.7.- Cargas térmicas anuales por zonas.
Cargas térmicas mensuales por zonas.
Figura A3.8.- Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio01.
Anexos
229
Figura A3.9.- Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio02.
Figura A3.10.- Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Oficina.
Figura A3.11.- Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Departamento.
Anexos
230
Figura A3.12.- Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Oficina.
Figura A3.13.- Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Pasillo.
Figura A3.14.- Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Oficina.
Anexos
231
Figura A3.15.- Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Poliedro.
Anexos
232
Anexo IV Variación de Parámetros: Vidriado Reflejante. Las figuras A4.1 – A4.15 presentan las temperaturas máximas y mínimas registradas y las cargas térmicas obtenidos de las simulaciones utilizando un vidriado reflejante para cada uno de los casos los cuales se describen en la Tabla A3.1.
Tabla A4.1.- Descripción de casos utilizando vidriado reflejante.
Temporada Invierno Verano
Infiltración
1 CVA/Hr 1 CVA/Hr 3 CVA/Hr 6 CVA/Hr
Infiltración en verano de 1 CVA/Hr.
Figura A4.1.- Temperaturas máximas mensuales registradas.
Figura A4.2.- Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Anexos
233
Infiltración en verano de 3 CVA/Hr.
Figura A4.3.- Temperaturas máximas mensuales registradas.
Figura A4.4.- Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Infiltración en verano de 6 CVA/Hr.
Figura A4.5.- Temperaturas máximas mensuales registradas.
Anexos
234
Figura A4.6.- Temperaturas mínimas mensuales registradas.
Cargas térmicas anuales por zonas.
Figura A4.7.- Cargas térmicas anuales por zonas.
Cargas térmicas mensuales por zonas.
Figura A4.8.- Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio01.
Anexos
235
Figura A4.9.- Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio02.
Figura A4.10.- Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Oficina.
Figura A4.11.- Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Departamento.
Anexos
236
Figura A4.12.- Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Oficina.
Figura A4.13.- Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Pasillo.
Figura A4.14.- Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Oficina.
Anexos
237
Figura A4.15.- Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Poliedro.
Anexos
238
Anexo V Reconocimientos Obtenidos con la Presentación de es te Trabajo. A continuación las Figuras 5.1 y 5.2 presentan los reconocimientos otorgados por la presentación del trabajo desarrollado en esta tesis en dos diferentes congresos.
Figura A5.1.- 3er. Congreso Internacional de Energías Alternativas CINEA 2011
Anexos
239
Figura A5.2.- IX Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico CIINDET 2011