INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
PRESENTE.-Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra denominada "
, en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución, distribución pública y reproducción, así como la digitalización de la misma, con fines académicos o propios al objeto de EL INSTITUTO, dentro del círculo de !a comunidad del Tecnológico de Monterrey.
El Instituto se compromete a respetar en todo momento mi autoría y a otorgarme el crédito correspondiente en todas las actividades mencionadas anteriormente de la obra.
De la misma manera, manifiesto que el contenido académico, literario, la edición y en general cualquier parte de LA OBRA son de mi entera responsabilidad, por lo que deslindo a EL INSTITUTO por cualquier violación a los derechos de autor y/o propiedad intelectual y/o cualquier responsabilidad relacionada con la OBRA que cometa el suscrito frente a terceros.
Modelo de ECO Diseño de un Edificio Habitacional para el área
Metropolitana de Monterrey-Edición Única
Title
Modelo de ECO Diseño de un Edificio Habitacional para el
área Metropolitana de Monterrey-Edición Única
Authors
Marc Laurent Colon
Affiliation
ITESM-Campus Monterrey
Issue Date
2007-12-01
Item type
Tesis
Rights
Open Access
Downloaded
19-Jan-2017 10:07:19
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL
AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN CIENCIAS DE ADMINISTRACIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN CON
ESPECIALIDAD EN ADMINISTRACIÓN DE PROYECTOS
MARC LAURENT COLON
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
Los miembros del comité de tesis recomendamos que el presente proyecto de tesis
presentado por Marc LAURENT COLON sea aceptado como requisito parcial para
obtener el grado académico de:
Maestro en Ciencias de Administración de la Construcción con
Especialidad en Administración de Proyectos
Comité de Tesis:
_______________________________
Dr. Salvador García Rodríguez.
Asesor
_____________________________ _____________________________
M.C. Francisco Carlos Matienzo Cruz
Dr. Enrique Aranda H.
Co-Asesor
Sinodal
Aprobado
___________________________
Dr. Francisco Ángel Bello Acosta
Director del Programa de Graduados en Ingeniería
A Suzanne et Jean Luc Mes parents, pour m’avoir appuyé dans tout ce que j’ai entrepris, et particulièrement pour cette
expérience unique au Mexique. Merci.
A mes frères et sœurs, Et tout particulièrement Lucie pour tous ses conseils de réussite.
A tous mes amis en France.
A Sébastien Collègue ESTPien, avec qui j’ai partagé ces 3 semestres.
A mis amigos aquí en Monterrey.
Je voudrai remercier l’ESTP, ses professeurs et toute la direction, pour m’avoir permis d’effectuer cette année et demi ici à Monterrey, et tout particulièrement Marie-Jo GOEDERT directrice des relations internationales et Catherine LEBON pour son aide précieuse.
Quiero agradecer muy especialmente a todos los profesores que me brindaran su conocimiento para poder realizar con éxito esta maestría.
Más especialmente:
Introducción 1
A. Introducción 1
B. Pasos de la construcción de alta calidad ambiental 4
C. Metodología del trabajo 7
Capítulo I Diseño pasivo del edificio 11
A. Introducción 11
B. Reglas generales relativas al diseño de un edificio 12
C. Diseño integrado 13
D. Diseño verde 14
E. Conclusión y planteamiento de solución al caso del edificio estudiado en el área metropolitana de
Monterrey 17
Capítulo II La fachada del edificio: la frontera climática con el exterior 19
A. Definición del espacio acondicionado 19
B. Transmisión de calor: Fundamentos físicos 22
1) Transmisión por convección 22
2) Transmisión por conducción 22
3) Simulación de la transmisión de calor por convección y conducción 23
4) Efecto de masa térmica 25
5) Pérdidas por puentes térmicos 28
C. Nivel de aislamiento global de un edifico según norma NBN B 62 301 29 D. Impacto de las radiaciones solares en la frontera climática 32
1) Latitud y longitud 32
2) Posición del sol y declinación 33
3) Parámetros de tiempo 33
4) Diagramas solares 35
Capítulo III La fachada del edificio: la frontera visual con el exterior 39
A. Introducción 39
B. Daylight factor 40
a. Definición del “daylight factor” según IESSNA (Illuminating Engineering Society of North
d. Necesidades en daylight factor 43
e. Método del 2,5 A 44
C. Iluminación artificial 44
a. Introducción y origen de la luz artificial 44
b. Factores indicando la eficiencia de los sistemas de iluminación 46
c. El método de Lumen 46
Capítulo IV Aplicación al ejemplo de la ciudad de Monterrey 49
A. Datos del proyecto 49
B. Forma geométrica del edificio 50
1) Generalidades 50
2) Estudio del aislamiento térmico del edificio. 53
3) Iluminación del edificio 58
4) Estudio de las protecciones solares 61
5) Elección de las ventanas. 76
6) Promedio “Daylight factor” 80
Capítulo V Enfriamiento del edificio, diferentes estrategias de ventilación 83
A. Introducción 83
B. Ventilación cruzada 84
C. Ventilación por chimenea 85
D. Tubos enterrados de enfriamiento 86
E. Equipos eficientes de enfriamiento 87
Capítulo VI Agua y desechos del edificio 89
A. Introducción 89
B. Tratamiento de las aguas usadas, conceptos generales 89
1) Principios generales 90
2) Colecta de agua residual 90
3) Tratamiento mecánico de las aguas residuales 90
4) Tratamiento biológico y físico químico 91
a. Caracterización de las aguas residuales 91
b. Normatividad de las aguas residuales 93
2) Tratamiento local del agua 95
3) Dimensiones de las instalaciones 96
Capítulo VII Producción de energía 99
A. Introducción 99
B. Disminución de la demanda general 100
C. Energía solar fotovoltaica 101
1) Introducción 101
D. Energía solar térmica 103
Capítulo VIII Resultados generales del edificio habitacional 105
A. Comparativo de nivel de aislamiento 106
B. Comparativo del consumo global de agua 108
C. Verificación del promedio de “daylight factor” 110
Capítulo IX Conclusiones y recomendaciones 111
A. Conclusión 111
B. Recomendaciones y planteamiento de estrategias 112
Fig 0.1 Combinación de conceptos para llevar a cabo un diseño ecológico 8 Fig I.1 Reglas generales relativas al diseño de un edificio 12
Fig I.2 Diseño integrado, estrategias pasivas y activas 16
Fig. II.1: Representación de las partes de un edificio cualquier en las cuales pueden ocurrir pérdidas de
calor 21
Fig II.2 Tabla con valores de conductividad térmica de algunos materiales 23
Fig II.3 Modelación de una pared en estado permanente 25
Fig II.4 Modelación de la oscilación de la temperatura de un edificio 25
Fig II.5 Modelación del gradiente térmico 26
Fig II.6 Dos tipos de pérdidas por puentes térmicos 29
Fig II.7 Encabezado de hoja de cálculo del nivel de aislamiento global 30 Fig II.8 Cuerpo principal de la hoja de cálculo del aislamiento global 30 Fig II.9 Cálculo de las pérdidas por puentes térmicos en el aislamiento global 31 Fig II.10 Resumen de la hoja de cálculo del aislamiento global 31 Fig II.11 Conclusión de la hoja de cálculo del aislamiento global 32 Fig II.12 Esquema del planeta con conceptos de latitud y longitud 32 Fig II.13 Latitud y longitud de la ciudad de Monterrey, Nuevo León, México. 32
Fig II.14 Método de cálculo del número del día en el año 33
Fig II.15 Diagrama de flujo para calcular las posiciones del sol 36 Fig II.16 Coordenadas del sol en Monterrey para las fechas de 1er y 15 de enero 37
Fig II.17 Diagrama solar de la ciudad de Monterrey 38
Fig III.1 Cálculo del ángulo vertical de vista al cielo 42
Fig III.2 Coeficiente de limpieza de las ventanas 42
Fig III.3 Diferentes componentes de la iluminación de día 43
Fig III.4 Recomendaciones en promedio de daylight factor 43
Fig III.5 Esquema representando el método del 2,5 A 44
Fig III.6 Eficiencia energética de diferentes luminarias 46
Fig IV.1 Parámetros Años, Máxima, Oscilación, Insolación, Precipitación, fenómenos para la ciudad de
Monterrey 50
Fig IV.2 Vista esquemática de la planta de un piso típico 52
Fig IV.3 Corte longitudinal en la parte más ancha 53
Fig IV.4 Geometría del aislante AISLAKOR 54
Fig IV.5 Características técnicas del AISLAKOR 55
Fig IV.9 Cálculo de las características térmicas de una pared del edificio 57
Fig IV.10 Plan detallado de un piso típico 59
Fig IV.11 Representación de los flujos de iluminación adentro de un piso típico 60 Fig IV.12 Geometría protecciones solares fachada sur del departamento 5 61
Fig IV.13 Diagrama solar fachada sur departamento 5 62
Fig IV.14 Geometría protecciones solares fachada Este, departamento 5 63
Fig IV.15 Diagrama solar fachada Este, departamento 5 64
Fig IV.16 Geometría de las protecciones solares de la fachada Este del departamento 4 (Ventana de
arriba) 65
Fig IV.17 Geometría de las protecciones solares de la fachada Este del departamento 4 (Ventana de
abajo) 65
Fig IV.18 Diagrama solar de la fachada Este del departamento 4, ventanas de arriba 66 Fig IV.19 Diagrama solar de la fachada Este del departamento 4, ventanas de abajo 67 Fig IV.20 Diagrama solar de la fachada sur del departamento 4 (Ventana del medio) 68 Fig IV.21 Diagrama solar fachada Este del departamento 4, ventana lateral 69 Fig IV.22 Diagrama solar de la fachada sur del departamento 2, para las ventanas del cuarto 70 Fig IV.23 Diagrama solar de la fachada Este del departamento 2 71 Fig IV. 24 Diagrama solar de la fachada oeste del departamento 1 72 Fig IV.25 Diagrama solar de la fachada Sur del departamento 1 73 Fig IV.26 Diagrama solar de la Fachada oeste del departamento 3 ventana más arriba 74 Fig IV.27 Diagrama solar de la Fachada oeste del departamento 3 ventana más abajo 75 Fig IV.28 Diagrama solar de la Fachada oeste del departamento 5 76 Fig IV.29 Características y geometría de las ventanas Rivieria del Grupo Royal line Windows 78 Fig IV.30 Componentes de las radiaciones solares cruzando una ventana 79 Fig IV.31 Cálculo de las propiedades térmicas de las ventanas Rivieria del grupo Royal line
Windows 79
Fig IV.32 Ejemplo de cálculo de daylight factor average para el comedor del departamento 5 80 Fig IV.33 Ejemplo de cálculo de daylight factor average para la cocina del departamento 5 80 Fig IV.34 Ejemplo de cálculo de daylight factor average para el cuarto 1 del departamento 5 81 Fig V.1 Diseño esquemático de un sistema de ventilación cruzada 84
Fig V.2 Ventilación por chimenea 85
Fig V.3 Ejemplo de ventilación por chimenea en el BRE 85
Fig V.4 Sistema de tubos enterrados 86
Fig V.5 Sistema Breezair 87
Fig VI.3 Explicación de las demandas de oxigeno 92
Fig VI.3 Normatividad de las aguas residuales 93
Fig VI.4 Diseño esquemático del reciclaje del agua gris 94
Fig VI.5 Diseño esquemático del tratamiento local de las aguas negras 96 Fig VI.6 Diseño esquemático de la red de agua en el edificio 96 Fig VI.7 Consumo promedio en litros por día de una persona en edificio habitacional 97
Fig VI.8 Consumo global por día del edificio estudiado 97
Fig VII.1 Repartición del consumo eléctrico en un edificio habitacional 100 Fig VII.2 Funcionamiento de una instalación de producción de energía solar fotovoltaica 102 Fig VII.3 Ejemplos de integración arquitectural de paneles solares 103 Fig VII.4 Funcionamiento básico de una instalación de producción de energía solar térmica 104 Fig VIII.1 Cálculo del nivel de aislamiento térmico total del edificio estudiado. 106 Fig VIII.2 Cálculo del nivel de aislamiento térmico total del mismo edificio sin protecciones
térmicas. 107
Fig VIII.3 Consumo general de agua del edificio 108
Fig VIII.4 Diferenciación de las diferentes aguas 108
Introducción
“There are two kinds of people in life: people who see the world as it is and wonder why. People who imagine the world as it should be and wonder: Why not?”
« Dans la vie, il y a deux catégories d’individus : ceux qui regardent le monde tel qu’il est et se demandent pourquoi. Ceux qui imaginent le monde tel qu’il devrait être et se disent : pourquoi pas ? »
Georges Bernard Shaw, Literature Nobel price 1925
A. Introducción
A partir de fines de la década de los años 60, el siglo XX atestiguó el inicio de un crecimiento explosivo de la población humana prácticamente en todo el planeta. A la par de este crecimiento, los problemas derivados del impacto de esta explosión demográfica sobre los recursos naturales, por una parte, y la generación de múltiples contaminantes ambientales, por otra, se han incrementado exponencialmente. Al grado de que hoy en día existe una seria preocupación en la mayoría de los gobiernos de los países por la sustentabilidad futura del sistema social global.
demográfico va a ocurrir en las aéreas urbanas de los países en desarrollo. Las consecuencias del impacto del crecimiento urbano en el medio ambiente y sus recursos, serán muy importantes en el futuro inmediato.
En Europa, y en particular en los países del norte, cada día se promueven y expiden más y más normas y reglamentaciones que toman en cuenta el impacto de los edificios sobre el entorno y los recursos energéticos. Dado que existen métodos para calcular este impacto, las compañías de construcción tienen ahora como objetivo primordial la reducción del impacto ambiental global de su actividad. De esta manera se considera el impacto de un edificio durante toda su vida. Esto es, desde el proceso de edificación hasta el reciclaje de los materiales que lo componen.
En México, un país cuya economía depende en mayor parte del petróleo y en menor medida de gas y carbón, las construcciones recientes no tratan de salvar energía de manera eficiente (aire acondicionado, protección del sol, no reciclaje de los materiales, etc…), ni consideran el destino final de los materiales de construcción una vez que las edificaciones se vuelven obsoletas. Proyectos de eco eficiencia en la construcción de edificios como los que se realizan en países europeos pueden emprenderse en la ciudad de Monterrey ─ tercera ciudad más poblada de México. En la que existen planes conjuntos estado-municipio para construir edificios altos en el llamado “primer cuadro de la ciudad”. Esto es, un área de casas y edificaciones viejas y con frecuencia abandonadas, delimitada al norte por la Avenida Colón, al sur por la Avenida Constitución, al oriente por la avenida Miguel Angel Conchillo, y al poniente por la calle Venustiano Carranza.
edificios puede contribuir a mejorar ambos problemas: el uso ineficiente de recursos energéticos y del agua, y la presencia de materiales de construcción residuales que se convierten en basura.
El objetivo de este trabajo es básicamente implementar un modelo de edificio habitacional, que respetaría más el medio ambiente comparando a todo lo que se construye en el área metropolitana de Monterrey. No se va a desarrollar un modelo de edificio auto suficiente, pero proponer uno que seria factible para la industria de la construcción mexicana. Hoy en día no se puede pedir a una constructora, edificar un edificio totalmente ecológico, si no tiene los conocimientos básicos de tal tecnología. Aquí es todo el propósito de esta tesis. No es de proponer un modelo único de edificio responsable, pero proponer una referencia, un patrón de diseño con el cual cada ingeniero cada arquitecto deseando implementar una parte de “green design” podría sacar unas ideas. La idea es de proporcionar las herramientas básicas que le serviría a un equipo de diseño ecológico. Se precisa que el estudio de la factibilidad económica de tal proyecto no será abordado en este trabajo. Es decir en todos los resultados, no se comparara el costo de las soluciones presentadas con unas tradicionales.
Muchas personas pueden pensar que tal trabajo no es totalmente factible dada la cantidad de información que hay que proporcionar.
De hecho, el problema actual con la construcción sostenible es la falta de coordinación entre cada área de trabajo. Definitivamente no se puede imaginar un edificio habitacional auto suficiente solo utilizando unos paneles solares térmicos. La comprensión del diseño verde es la comprensión de la necesidad de juntar toda la información proporcionada por cada parte de las áreas de trabajo. El diseño verde es una ciencia de síntesis y no una de alta tecnología. Este trabajo proporciona una base de trabajo para desarrollar proyectos verdes. Entonces se trata de juntar toda la información que existe e implementar una síntesis de estos datos.
El propósito final es de proponer un diseño esquemático de lo que podría ser el principio de un proyecto verde en el área metropolitana de Monterrey.
Los beneficios esperados de los resultados son los siguientes:
Economía en el consumo de energía eléctrica, agua y otros recursos
Reducción en la generación de desechos, tanto en el proceso de construcción como en eliminación de los mismos al final del ciclo de vida de la edificación
Asegurar un ambiente sin riesgos para la salud (higiene)
Asegurar mayor confort en términos generales
B. Pasos de la construcción de alta calidad ambiental
El trabajo de esta tesis será basado en la norma francesa HQE (Alta calidad ambiental), la cual incluye 14 pasos, cada uno detallado en conceptos. Aquí se presentan unos extractos de esta norma. El objetivo de tal trabajo no es de obtener la certificación de esta norma, pero mas de utilizarla como trama de trabajo sin enfocarse especialmente en cada paso.
1 Relación del edificio con su entorno
Utilización de las oportunidades ofrecidas por el sitio Organización de las ventajas e inconvenientes del sitio
Reducción de las interacciones negativas entre el edificio y su entorno
2 Elección inteligente de los productos, sistemas y procesos de construcción
Elección de los procesos de construcción Elección de los productos de construcción
Ahorrar energía a través de los procesos y productos
Estudiar las posibilidades de reciclaje de los desechos de la construcción y demolición del edificio
3 Obras con impacto ambiental reducido
Diferenciación de la gestión de los desechos de la obra Reducción de los ruidos de la obra
Integrar medidas de reducción de ruido y desechos en la planeacion estratégica de la obra
Reducir consumo de energía y la contaminación del aire Reducir consumo de agua durante la fase de ejecución
4 Administración, gestión de la energía
Energías renovables
Aumentar la eficiencia energética de los proyectos Utilizar generador a combustión limpia
5 Administración, gestión del agua potable
Gestión del agua potable Recurrir a agua no potable
Verificar el saneamiento del agua usada Gestión del agua de lluvia en el terreno
Limitar el consumo de agua potable a través de equipos más eficiente Verificar el estado de las redes para evitar fugas inútiles
Colectar agua de lluvia para el baño y el jardín
6 Gestión, administración de los desechos de actividad
Concepción de locales para la basura destinados al reciclaje
Tomar en cuenta las colectividades locales
Diseñar cocinas y locales técnicos para clasificar la basura Diseñar el transporte de los desechos
7 Mantenimiento de las prestaciones ambientales
Optimización de las necesidades de mantenimiento Diseño eficiente de la gestión técnica
8 Comodidades higrotérmicas
Zonas higrotérmicas
Corrección acústica
Disminución de los ruidos de impacto
10 Comodidades visuales
Iluminación de día máxima
Iluminación artificial para completar Realizar estudio de sitio
Respetar las exigencias relativas a las instalaciones eléctricas
11 Comodidades olfativas
Reducción de los olores desagradables Ventilación
12 Calidad sanitaria de los espacios
Higiene
Arquitectura ayudando la limpieza, los sistemas de salud, las personas a movilidades reducidas…
13 Calidad sanitaria del aire
Gestión de los riesgos de contaminación por la construcción, los equipos, el mantenimiento…
Ventilación adecuada para mejorar la calidad del aire
14 Calidad sanitaria del agua
Protección de red de agua potable
Mantenimiento de agua potable en los edificios Mejorar la calidad del agua potable
Tratamiento de las aguas usadas no potables
No usar plomo en las canalizaciones
C. Metodología del trabajo
Basados en la mayoría de los pasos de la norma francesa de alta calidad ambiental, se va a proponer un esquema general del estudio de un edificio ecológico. Como ya precisado, no se trata de obtener la certificación de esta norma HQE, pero de utilizarla como la base del planteamiento de solución.
Según toda la investigación, se implementan las áreas generales siguientes:
- Arquitectura bioclimatica, consiste en diseñar un edificio tomando en cuenta los datos del clima local, permitiendo altos rendimientos. Los beneficios de tal arquitectura son múltiples. En este estudio se consideran dos aspectos de la arquitectura bioclimatica, la iluminación natural, y las protecciones contra el sol.
- Materiales y sistemas constructivos: Básicamente consiste en escoger los materiales que se van a usar en la construcción. En este trabajo se estudiará la cuestión del aislamiento, base de la eficiencia energética de un edificio. No se puede en el alcance de este trabajo estudiar el impacto de los materiales utilizados en el ambiente (ciclo de vida)
- Soluciones tecnológicas eficientes: Se podría considerar como la reingeniería de los aparatos utilizados en el edificio. Concierna las áreas de iluminación artificial, la ventilación, la climatización, y la calefacción.
- Integración, producción de energía renovable: Se hará en este estudio una breve presentación de las ventajas de los sistemas de energías renovables, principalmente de la energía solar dados la posibilidad de proveerse en Monterrey. Pero no se hará estudio muy detallado dado la complicidad de tal tecnología.
- Gestión inteligente del agua: Básicamente se preocupa de ahorrar el agua, y de reducir el impacto de las aguas usadas en el medio ambiente. Se presentarán diferentes soluciones sencillas y más complicadas para aplicarlo en el caso del edificio en Monterrey.
Estos 6 conceptos son la base del éxito de un proyecto de diseño sostenible de un edificio, y cada uno participa al nivel de “verde” que tiene el edificio. Y la estrategia es la clave para llevar a cabo los 5 otros pasos. Básicamente se puede resumir según el diagrama siguiente en el cual se ve la importancia de la estrategia pero también la importancia de cada concepto. Se ve también la necesidad de combinar todos los conceptos para tener un diseño de calidad.
Fig 0.1 Combinación de conceptos para llevar a cabo un diseño ecológico
Este diagrama significa que cada concepto aporta una parte al diseño verde global, y el circulo rojo representa la estrategia empleada para cada concepto. Si la estrategia es nula se puede desarrollar todos los conceptos pero el resultado final no será viable. Pero se entiende que existe un nivel mínimo común a cada concepto pero que se puede desarrollar nivel de estrategias diferentes según cada área. Lo ideal es de tener un círculo rojo lleno a 100% y que cada concepto exista. Así seria un diseño totalmente verde.
Capítulo I
Diseño pasivo del edificio
A. Introducción
En términos físicos, un sistema pasivo es un sistema que utiliza solo los recursos locales, las fuentes de energía disponibles en el sitio. De otra manera, es un sistema que no utiliza otros componentes tecnológicos para producir trabajo o energía. En el área de la arquitectura, las necesidades son generalmente, la calefacción, la climatización, y la iluminación de los espacios cerrados.
Las fuentes de energía de un sitio son múltiples, incluyen las radiaciones solares, el movimiento de aire debido a las diferencias de temperatura, la energía biomasa, la energía subterránea, el viento… Pero esto no significa que tenemos que llenar el techo de paneles solares, o instalar una central geotérmica en el jardín. En el sentido moderno del diseño pasivo, no se usa sistemas de producción de energía.
Como se ha mencionado anteriormente, básicamente, la idea es de permitir la iluminación de día, la calefacción y la ventilación solamente en los lugares que lo necesitan. Esto incluye el almacenamiento de energía, para una distribución diferida por ejemplo. Las posibilidades de un diseño pasivo exitoso son las siguientes:
- Cantidad suficiente de ventanas, aperturas. - Sombreado suficiente
- Un “envelope” eficiente
- Utilización máxima de la iluminación de día - Nivel de masa térmica suficiente
- Utilización de energía sustentable
También se puede utilizar sistema de bajo consumo de energía que ayudan mucho a la sostenibilidad del edificio (ventilación artificial, movimiento de sistema de sombreado)
En una primera parte se va a dar un esquema de diseño clásico de un edificio, y mostrar las áreas en cuales tenemos que implementar estrategias de diseño pasivo y verde (Green design). Luego seguiría una parte en la cual se definirá el concepto de diseño integrado, y en una tercera parte se presentara con mas exactitud los pasos de un diseño verde. Esto con el propósito de presentar una solución concreta de un edificio habitacional en el área de Monterrey.
Fig I.1 Reglas generales relativas al diseño de un edificio
Los puntos en gris, representan conceptos que se debe agregar en el caso de un diseño ecológico, propósito de este trabajo.
C. Diseño integrado
Las etapas del diseño integrado serian las siguientes: 1/ Establecer responsabilidades y obligaciones
2/ Formar un equipo que va a enunciar los objetivos. Este equipo de trabajo debe reunir todas las capacidades.
3/ Junta de información, con objetivo de la mezcla de las informaciones, el intercambio de conocimientos de cada grupo de trabajo.
4/ Diseño conceptual y esquemático como precedente.
5/ Prueba: Verificar la viabilidad técnica del diseño esquemático por medio de simulaciones. Análisis de costo y modelos financieros. Esta etapa puede ser confundida con la del diseño esquemático.
6/ Desempeño del diseño 7/ Documentos de construcción
8/ Construcción: En caso de un diseño integrado, un representante de la empresa constructora debe ser parte del equipo de diseño para orientar las viabilidades técnicas de ejecución.
Las etapas de diseño son similares a las de un diseño clásico, pero para concluir, es muy importante tener un equipo de diseñadores que trabajen juntos, que se comunicen, a cada etapa del proyecto.
D. Diseño verde
Aplicando estas nociones vamos a desarrollar un esquema de diseño general a un edificio ecológico o verde. Vamos a relacionar cada etapa del diseño verde a los pasos de la norma francesa HQE planteada en la introducción. Ligando estos conceptos, nos permitirá distinguir las etapas de diseño pasivo de las otras formas.
El diseñador verde no es un especialista sino una persona capaz de hacer una síntesis de los datos técnicos, arquitectónicos, energéticos, proporcionados por su equipo de trabajo. Lo podríamos definir como el medico general de los resultados de un edificio.
El equipo de diseño verde tiene que seguir estos pasos:
Intención: Definir las expectativas para los resultados del edificio, decidir lo mínimo a cumplir, y un nivel de diseño verde.
Criterios: Que significa un edificio verde? Quien decide? Al lado de que normas vamos a calificar nuestro edificio. Deben existir criterios realistas normativos para poder cumplirlos, pero no demasiado para que exista un reto.
Validación: Ocurren problemas debidos a la interacción de las áreas de trabajo. El diseño integrado exige la existencia de una relación entre cada concepto, pero eso hace ocurrir imprevistos. Por eso existe la etapa de validación en la cual se verifica y se analiza con la experiencia de proyectos anteriores, el diseño. Y se implementa una retroalimentación en el diseño para actualizarlo.
Priorización: Al momento de la actualización, unas alternativas tienen que ser canceladas. Entonces hay que tomar en cuenta las prioridades de cada objetivo planteado al inicio del proyecto.
Para resumir con todas esas etapas, ligándolas con los pasos de la norma HQE, tomando en cuenta el concepto de diseño integrado, y con objetivo de proponer soluciones viables de diseño pasivo, se propone el esquema siguiente.
Fig I.2 Diseño integrado, estrategias pasivas y activas
En la columna de izquierda aparecen las etapas de un diseño verde, y en la derecha los pasos de la norma HQE. Las flechas relacionan cada concepto de la norma a una etapa del diseño. Pero seguramente, indica el momento en el cual tiene la mayor importancia, pero hay que recordar a cada paso del proyecto, como resolver un problema con una idea “verde”. El concepto ecológico sigue todo el proyecto, y nunca hay que olvidarlo.
Las rayas derechas indican en cual concepto interviene el diseño pasivo y a la izquierda en cual el diseño que se podría llamar activo interviene.
Con esta gráfica podemos ver toda la complejidad de llevar a cabo un diseño verde, dadas las interrelaciones entre cada etapa, concepto…
E. Conclusión y planteamiento de solución al caso del edificio en el área
metropolitana de Monterrey
Después toda este análisis por parte del diseñador, se plantean los pasos a seguir para el caso particular de un edificio habitacional en el área metropolitana de Monterrey. En la siguiente parte se proponen soluciones técnicas viables en la ciudad de Monterrey, midiendo su eficiencia dadas las herramientas que desarrollamos en los capítulos I y II.
Se hará una parte del diseño pasivo por ejemplo sin tomar en cuenta el tratamiento de los desechos, el reciclaje de agua, es decir solo se consideraran las partes estudiadas anteriormente. Solamente se va a desarrollar un modelo conceptual de un edificio que respetaría a lo máximo las normas franceses y americanas (LEED Construction).
Para resumir así se desarrolla el análisis.
1. Datos del proyecto
Hacer un análisis del sitio, exposición al sol, tipo de terreno, proximidad de selva, de carretera, datos higrotérmicos…
2. Forma del edificio
Esta es la parte más importante del diseño pasivo. En esta etapa se analizan los niveles de iluminación natural (capítulo II) los niveles de sombreado, la exposición a las radiaciones solares… Aquí se usara el diagrama solar desarrollado precedentemente.
3. Organización del edificio
4. Envelope y aislamiento
En esta parte se incluye todo lo estudiado en la parte I en el cual se consideran los materiales no aislados y considerando las relaciones entre ellos.
5. Puntos del diseño pasivo estudiado en otras partes
Para simplificar el estudio y presentar de manera más clara no se tomarán en cuenta los puntos de tratamiento de agua y de desechos, también considerados como diseño pasivo, se pueden desarrollar de manera independiente.
6. Feed back loop o retroalimentación
Los resultados ambientales de un sistema son mucho más complicados a evaluar, como se haría en el caso de cálculos de estructura. Por eso una vez el diseño pasivo ejecutado se va a calificar la eficiencia de nuestro edificio y verificar las relaciones entre cada concepto y arreglar los detalles priorizando unos conceptos.
Capítulo II
La fachada del edificio: la frontera climática con el
exterior
A. Definición del espacio acondicionado
El objetivo de esa parte es proponer un modelo que permitiría cumplir con los objetivos de las normas norteamericanas LEED CONSTRUCTION.
Extracto de las normas
EQ Credit 7.1 Thermal Comfort Design Intent
Provide a comfortable thermal environment that supports the productivity and well being of building occupants.
Requirements
Design HVAC systems and the buildings envelope to meet the requirements of ASHRAE standard 55-2004, Thermal Comfort conditions for human occupancy. Demonstrate design compliance in accordance with the section 6.1.1 documentation.
El aislamiento térmico es una parte crucial de un proyecto de construcción verde. Utilizar materiales más eficientes para el aislamiento permite reducir la cantidad de éstos, entonces permite conservar los recursos, reducir los desechos y también reduce el costo de la construcción. Los materiales de aislamiento siempre han tenido un papel importante en la historia de la edificación, porque antes de las soluciones tecnológicas de control de temperatura era la única solución de protegerse del la agresividad del ambiente.
Las transmisiones de calor se pueden tratar en diferentes partes del edificio:
• Ventanas • Techo • Pared
Fig. II.1: Representación de las partes de un edificio en las cuales pueden ocurrir pérdidas de calor.
Entonces, las fuentes de transmisión de calor en edificios son:
- Conducción de calor a traves de las paredes opacas y ventanas - Transmisión de la radiación a través de las ventanas
- Transferencia de calor por conveccion desde las paredes al aire - Infiltración / ventilación controlada
- Radiación de onda larga entre los elementos internos - Radiación de onda larga del edificio hacia sus alrededores
En la siguiente parte, se presentan las explicaciones fisicas de cada fenómeno de transmisión de calor.
B. Transmisión de calor: Fundamentos físicos
Existen físicamente tres tipos de transferencias de calor. Se va a dar más importancia a los que representan las pérdidas más importantes en las construcciones. El objetivo es proveer el conocimiento suficiente para controlar el aislamiento térmico en una gran variedad de edificios. Primero hay que recordar que el flujo de calor siempre se hace del lado caliente al lado frio. El flujo evalúa la energía térmica transmitida en la unidad de tiempo a través de la unidad de superficie del material dispuesta en la dirección normal al flujo térmico.
Existen tres tipos de transmisión de calor que son la convección, la conducción, y la radiación.
1) Transmisión por convección
La convección se produce únicamente en materiales fluidos. Éstos al calentarse disminuyen su densidad y ascienden al ser desplazados por las porciones de menor temperatura que, a su vez, descienden y se calientan repitiendo el ciclo. El resultado es el transporte de calor por medio de las parcelas del fluido ascendente y descendente.
En el caso de un edificio las transmisiones por convección ocurren en la capa de aire cerca de una pared o una ventana.
La transferencia de calor por convección se modela con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), As es el área del cuerpo en
contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura
del fluido lejos del cuerpo. En la modelación que vamos a desarrollar, solo vamos a tener en cuenta el coeficiente h que depende de los dos materiales en contacto. Existen dos tipos de convección, la forzada y la natural. En el caso de la edificación solo nos interesa la natural.
2) Transmisión por conducción
tiempo para el calor llegue a otro extremo. El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los "malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha resistencia al paso del calor, esta propiedad se aprovecha en recipientes para calentar líquidos, que se hacen aluminio.
La ley básica de la conducción establecida por Fourrier es la siguiente:
Qx = -k dt/dx
Donde k representa la conductividad térmica, una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor.
Material k Material k Material k
Acero 47-58 Corcho
0,04-0,30 Mercurio 83,7
Agua 0,58 Estaño 64,0 Mica 0,35
Aire 0,02 Fibra de vidrio
0,03-0,07 Níquel 52,3
Alcohol 0,16 Glicerina 0,29 Oro 308,2
Alpaca 29,1 Hierro 1,7 Parafina 0,21
Aluminio 209,3 Ladrillo 0,80 Plata
406,1-418,7 Amianto 0,04 Ladrillo refractario
0,47-1,05 Plomo 35,0
Bronce 116-186 Latón 81-116 Vidrio 0,6-1,0
Cinc 106-140 Litio 301,2
Cobre
372,1-385,2 Madera 0,13
Fig II.2 Tabla con valores de conductividad térmica de algunos materiales
3) Simulación de la transmisión de calor por conveccion y conducción
transferencia de calor (U), la resistencia térmica de la pared, el flujo de calor, y las temperaturas en cada capa de la pared.
A continuaron se presenta un ejemplo desarrollado en Excel para una pared de tres capas.
Composite wall with three sections
DATA
Enter data
heat transfer coefficient, h1 [W/m 2
K] 1000
heat transfer coefficient, h4 [W/m 2
K] 200
contact resistance A-B, Rt,cont,AB [m 2
K/W] 0.001
contact resistance B-C, Rt,cont,BC [m 2
K/W] 0.002
length of section A, LA [m] 0.2
length of section B, LB [m] 0.2
length of section C, LC [m] 0.4
thermal conductivity of section A, kA [W/mK] 20
thermal conductivity of section B, kB [W/mK] 80
thermal conductivity of section C, kC [W/mK] 100
free stream fluid temperature Too,1 [K] 700
free stream fluid temperature Too,4 [K] 300
RESULTS
total thermal resistance, Rt,T [m 2
K/W] 0.0255 U = 39.216
overall heat flux qx [W/m 2
] 15686.27
free stream fluid temperature Too,1 [K] 700.00
temperature T1 [K] 684.31
temperature T2A [K] 527.45
temperature T2B [K] 511.76
temperature T3B [K] 472.55
temperature T4 [K] 378.43
free stream fluid temperature Too,4 [K] 300.00
Fig II.3 Modelación de una pared en estado permanente
Proceso de cálculo
Rt,T [m2K/W] = 1/h1 + 1/h4 + Rt,cont,AB + Rt,cont,BC + Lb/kb + La/ka +
Lc/kc U = 1/ Rt,T
Qx = (Too,1 -Too,4) * U
4) Efecto de masa térmica
El valor de U, representa la cantidad de flujo de calor transmitida por una diferencia de un grado Kelvin entre ambas caras del material. Pero otro fenómeno perturba el aislamiento térmico: la masa térmica.
Dado el hecho que cada fenómeno climatico es periódico, es importante tomar en cuenta la inercia térmica. Las condiciones de cálculo en régimen dinamico son mucho más complicadas que en regimen permanente. Para simplificar y entender bien el papel de la masa térmica y sus consecuencias vamos a aplicar el principio de superposición en nuestro estudio.
La evolucion de la temperatura al interior de un edificio sigue un modelo de oscilación, con un promedio Tip, un valor máximo Timax, y un valor mínimo Timin.
Si no hay ningún aporte de energia la temperatura promedio interior seria igual a la del exterior (Tep). Pero inevitablemente existen aportes debidos a la ocupación, al sol, etc. Entonces siempre tenemos Tip > Tep
Esa diferencia de temperatura se llama “gradiente térmico”
Fig II.5 Modelación del gradiente térmico
A continuación se define la temperatura interior
Ti = Tep + DT + Ai cos (wt)
Ti = Temperatura interior a un momento t
Tep = Temperatura promedia exterior de las últimas 24 horas DT = Gradiente térmico
Ai = Amplitud interior
Ai cos (wt) = Función sinusoidal de la amplitud, w es la pulsación igual a 2π/P, p es el periodo considerado, o sea 24 horas.
De manera muy sencilla se establece en régimen permanente que el gradiente térmico se define de la manera siguiente.
DT = Potencia entrando / Potencia perdida por grados
DT = (Pi + Psv + Psp) / (Ue + 0.34q)
Psv = Potencia solar transmitida por las ventanas Psp = Potencia solar transmitida por las paredes Ue = Conductancia promedio del edificio
q = Debito de renovación de aire
Existen dos configuraciones diferentes, conforte de invierno y conforte de verano. En invierno queremos aumentar el gradiente térmico y en verano, hay que disminuir el gradiente térmico. A continuación se presentan las alternativas técnicas.
En verano En invierno
Disminuir Pi (disminuir la ocupación) Aumentar Pi (aumentar la ocupación)
Disminuir Psv con el control solar de las ventanas Aumentar Psv exponiendo las aperturas al sol
Disminuir Psp con el control solar de las paredes Aumentar Psp exponiendo las paredes al sol
Aumentar Ue reduciendo el aislamiento del edificio Disminuir Ue aumentando el aislamiento
Esto no seria una solucion dado el hecho de Disminuir q ventilando menos el volumen sin
que se necesitaría climatizar el edificio ventilar de manera insuficiente
Aumentar q ventilando más el volumen
Cálculo de la amplitud Ai: La amplitud Ai depende de la amplitud Ae y de la inercia térmica del edificio. Ai puede ser ligado a Ae con la función Ai/Ae, la cual puede ser calculada con la difusividad, efusividad y el espesor de las paredes.
La difusividad térmica se define como la capacidad de un material a transmitir (rapidamente) una variación de temperatura.
a = λ / ρC (m2/s o m2 /h)
λ = conductividad (W/m.°C)
ρ = Peso volumétrica (kg/m3) C = Calor masico (KJ/Kg.°C)
La efusividad térmica b se define como la capacidad de un material a absorber (o restituir) una potencia térmica.
B = ( λ.ρ.C )ˆ(1/2) (J.m-2.°C-1)
λ = conductividad (W/m.°C)
ρ = Peso volumétrico (kg/m3) C = Calor masica (KJ/Kg.°C)
Para concluir, disminuir la amplitud interna consiste en: - Aumentar el espesor de las paredes
- Disminuir la difusividad de las paredes - Aumentar la efusividad de las paredes - Disminuir la conductividad de las paredes
- La superficie de intercambio de las paredes internas efusivas de espesores suficientes aumentan
Para reducir de manera significante la amplitud interna - Hacer fachadas en doble capas
- Poner la capa efusiva al interior y la capa aislante al exterior
La accion prioritaria consiste en reducir el gradiente térmico, o sea proteger el edificio de los rayos del sol. La otra opción consiste en reducir la amplitud interna, esto usando las propiedades efusivas de los materiales de construccion.
5) Pérdidas por puentes térmicos
El mejoramiento del aislamiento térmico de las paredes necesita tomar en cuenta el papel muy importante de los puentes térmicos. De hecho, en el caso de un edificio de departamentos los puentes térmicos pueden representar 30 a 40% del valor de Uedif, es decir del cálculo de las perdidas en estado permanente. Soluciones técnicas ya existen, lo más difícil es asegurarse de la buena continuidad de la capa aislante del edificio.
Fig II.6 Dos tipos de pérdidas por puentes térmicos
C. Nivel de aislamiento global de un edifico según norma NBN B 62 301
Ya definimos todos los valores necesarios para fijar objetivos de nuestra edificación. Basado en normas europeas (HQE) primero por ejemplo se puede fijar valores máximos del valor U.
Elementos de la superficie de transmisión del flujo Umax (W/m2.K)
Ventanas y otras paredes translucidas 3,5 Paredes verticales
Entre el volumen protegido y el aire exterior 0,6 Entre el volumen y un local no protegido 0,6 Entre el volumen y un local protegido 0,9 Entre el volumen y el suelo 0,9 Techo que separa el volumen del aire exterior 0,4 Losas
Entre el volumen protegido y el aire exterior 0,6 Entre el volumen y un local no protegido 0,6 Entre el volumen y un local protegido 0,9 Entre el volumen y el suelo 1,2 Paredes separando dos departamentos 1
Exterior
Interior
Puente térmico
ψ
Interior
Exterior
Aislamiento
Puentes térmicos
ψ
ψ
1En la siguiente tabla se da un ejemplo de un edificio ficticio. El objetivo de tal cálculo es de definir una característica esencial del proyecto de construcción, el nivel de aislamiento global. Esto permite dar una base de comparación para diferentes proyectos, y así mejorar las técnicas empleadas entre dos construcciones. Esa tabla se divide en 5 partes como se presentan a continuación.
A Referencias del edificio Architecto Dueño Empresa File Number B Monterrey Nuevo Leon (Mexico) LAURENT Tec de Monterrey Laurent SA de CV MONT/001
Calculo del nivel de aislamiento termico total de un edificio según NBN B 62-301
Fecha Diciembre 2007
Fig II.7 Encabezado de hoja de cálculo del nivel de aislamiento global
Luego seguiría la parte principal de la tabla, en la cual se hace un inventario de todas las diferentes fuentes de pérdidas posibles. A cada una de esas fuentes, se da un U-Value, la superficie, y se multiplican los dos. Se suma toda la última columna, y se obtiene un resultado de todas las pérdidas posibles.
C Superficie de perdidas termicas Kj [W/(m2.K) Aj (m2) Kj.Aj (W/K) ? Kj.Aj (W/K) ai ? ai.Kj.Aj (W/K) 3,3 2 6,6
3,3 4,5 14,85 3 2,5 7,5
3,5 2 7
2 4 8
0 0,52 200 104 0,68 200 136 0 0,26 200 52 0,39 20 7,8 0 3 200 600 0 0 0 0 0 0,25 260 65 0 0 0,25 20 5 0 0 2 50 100 0 0 0 0 0 0 0 0 0,00
12 Total (superficie de perdidas) 1165 [1] ? ai.Kj.Aj (W/K)= 1055,42 11 Paredes interiores en contacto
con espacios protegidos del gel 0 0,67
66,67
10
Paredes interiores en contacto con espacios no protegidos del gel
0 1,00 0,00 9 Paredes exteriores en contacto
con tierra 100 0,67
43,33
8 Losas sobre suelo 5 0,33 1,67
7 Losas arriba de espacios
protegidos del gel 65 0,67
600,00
6 Losas arriba de espacios no
protegidos del gel 0 1,00 0,00
5 Losas arriba de un ambiente
exterior 600 1,00
240,00
4
Techos (inclinados, horizontal) ou Placa superiores a bajo de espacios no protegidos
59,8 1,00 59,80 3 Paredes exteriores, Fachadas 240 1,00
28,95
2 Puertas exteriores 15 1,00 15,00 1 Ventanas, cupulas y otras
testeras translucidas 28,95 1,00
Aquí en este ejemplo, se tiene un total de 1055,42 W/K de pérdidas debidas a la fachada en contacto con el ambiente exterior.
Pero de esa manera no se toma en cuenta todas las pérdidas posibles del edificio considerado. De hecho, como se ha presentado antes, las pérdidas por puentes térmicos pueden ser importantes. Así que en la tercera parte de esa tabla, se calcula de manera lineal esa perdidas.
D Puentes térmicos Uij [W/(m.K)] Lj (m) Uij.Lj (W/K) ? Uij.Lj (W/K)
1 2 2
3 17 51
0 0 0 Según definiciones de la norma
NBN B 62-002
13 53
Fig II.9 Cálculo de las pérdidas por puentes térmicos en el aislamiento global
Es muy importante para lo que sigue, de trabajar siempre con las mismas unidades, en este caso son W/K. Aquí se tienen 53W/K de perdidas por puentes térmicos.
En la cuarta parte, se presenta un resumen de todos los cálculos precedentes. Primero se suman todas las pérdidas, debidas a las fachadas, y después a los puentes térmicos. Sigue un cálculo sencillo que se le denomina compacidad volumétrica del edificio.
[4] (W/K) [5] W/(m2.K) [6] m3 [7] m Perdidas térmicas totales de la
superficie
E.14 [2] + [3] = 1108,42
15 Coefficiente promedio de
transmission térmicas Ks = [4] / [1] = 0,95
Volumen protegido del edificio V = 308,85 16
17 Compacidad volumetrica del
edificio V/At = [6] / [1] = 0,27
Fig II.10 Resumen de la hoja de cálculo del aislamiento global
F. 18
Si V/At = 1: Ks x 100 = [5] x 100 = K =
Si 1 =V/At< 4:Ksx300/(V/At + 2) = [5]x300/([7]+2) =K=
Si V/At = 4: Ks x 50 = [5] x 50 = K =
95,14
126,01
47,57 Nivel de aislamiento térmico
global del edificio
Fig II.11 Conclusión de la hoja de cálculo del aislamiento global
D. Impacto de las radiaciones solares en la frontera climática
1) Latitud y longitud
Con objetivo final de los diagramas solares, se va a desarrollar en esta parte los métodos de cálculo de la posición del sol según la fecha, y según la latitud y longitud. Una vez desarrollados estos métodos de cálculo, se aplicarán a la ciudad de Monterrey. Se llamará φ la latitud y L la longitud del lugar considerado. Para entender estos conceptos se presenta un esquema del planeta con las posiciones de cada concepto.
Fig II.12 Esquema del planeta con conceptos de latitud y longitud
Para la ciudad de Monterrey, situada en el hemisferio norte, sus datos son los que siguen.
Φ = 25,4 L = 100,20
2) Cálculo del número del día
La posición del sol, depende también de la fecha. Por eso hay que calcular lo que se define como el número del día en el año. Existe un método de cálculo muy sencillo que es el siguiente. Por ejemplo para el día 18 de abril, jj = 18 y mm = 04. (Int define la función parte entera).
Fig II.14 Método de cálculo del número del día en el año
Después del cálculo por ejemplo para la fecha del 18 de abril, corresponde al día No 108 del año.
3) Posición del sol y declinación
La posición del sol se define en el espacio con sus coordenadas horizontales en la esfera celeste, es decir:
- Su altura h, que es el ángulo entre el plano horizontal y la dirección del sol.
Se llamará declinación al ángulo entre el plano del ecuador y el eje tierra-sol. Ese varia durante todo el año entre -23°26’ y +23°26’. Se calcula el valor de la declinación de manera bastante precisa con la siguiente fórmula.
Δ = 23,45 Sin (0,9863*( n – 81 ))
4) Parámetros de tiempo
La posición del sol en el cielo nos da informaciones sobre el tiempo solar real (TSR), solar time en inglés (ST), es el tiempo que se lee en las relojes solares.
El ángulo horario es el ángulo entre el plano del circulo horario del sol con el plano conteniendo el meridiano celeste. Se denota por ω. Entonces se puede escribir la siguiente formula.
Ω = (ST – 12) *15
Con ST en horas y ω en grados.
La trayectoria de la tierra alrededor del sol es elíptica (Primera ley de Kepler). Además la raya tierra-sol describe unas áreas iguales en tiempos iguales (Segunda ley de Kepler.) Dado el hecho que el eje de la tierra es inclinado indica que la duración del día solar real varía según el momento en el año. Por eso introducimos el tiempo solar promedio (TSM)
TSM = ST – ET
Con:
ET = -0,0002 + 0,4197 cos (β) – 7,3509 sin (β) – 3,2265 cos (2β) – 9,3912 sin (2β) – 0,0903 cos (3β) – 0,3361 sin (3β)
Con:
β = (360/366) * n ( en grados)
El tiempo universal TU es igual al TSM del meridiano Greenwich. Se puede escribir entonces, con L la longitud en grados y todos los tiempos en horas con la siguiente formula:
Finalmente el horario que leemos en las relojes públicos es el tiempo legal TL, que es igual al tiempo universal corregido por los coeficientes de horarios (depende del lugar en la tierra) C1 y de una corrección de invierno-verano C2.
TL = TU + C1 + C2
Aquí en Monterrey C1 = - 6 y C2 = 0 en invierno y + 1 en verano.
• Ejemplo:
Si el tiempo legal es 12h00 TL = 12
TU = 18 en invierno y 17 en verano.
TSM = 11,32 en invierno y 10,32 en verano.
β = 248,85
ET = 2,54 = 0,042 horas
ST = 11,36 en invierno y 10,36 en verano.
5) Diagramas solares
Una vez establecidos estos diferentes datos, se va a desarrollar los diagramas solares. Se presenta bajo la forma de un círculo en el cual representamos las coordenadas del sol según el azimut a y la altura del sol h. Una red de curvas nos da la trayectoria del sol según la fecha y el ST. El interés mayor en nuestro estudio es de dar informaciones muy rápidamente sobre los efectos de un obstáculo a la trayectoria del sol (árbol, otro edifico etc.…)
El organigrama siguiente nos da el proceso que se implementa para dibujar estos diagrames solares para la ciudad de Monterrey. Pero eso se podría generalizar a cualquier parte del mundo. Este método de cálculo se aplica a diferentes fechas del año y así se puede dibujar la trayectoria del sol según el momento. Cada curva indica la posición del sol por una declinación dada δ, es decir por dos días en al año, solo por las fechas del 21 de junio y del 21 de diciembre que son días únicos.
Para nuestro caso se divide el año con esas fechas. Se divide cada fecha en 24 intervalos de tiempo.
- 1er de enero / 15 de enero / 30 de enero - 15 de febrero / 28 de febrero
- 15 de abril / 30 de abril - 15 de mayo / 31 de mayo
- 15 de junio / 21 de junio / 30 de Junio - 15 de Julio / 31 de Julio
- 15 de agosto / 31 de agosto
- 15 de septiembre / 21 de septiembre / 30 de septiembre - 15 de octubre / 31 de octubre
- 15 de noviembre / 30 de noviembre
- 15 de diciembre / 21 de diciembre / 31 de diciembre
A continuación se presenta el diagrama de flujo para calcular las posiciones del sol.
Fig II.15 Diagrama de flujo para calcular las posiciones del sol
Para calcular a y h gracias al ángulo horario se usará las fórmulas de Gauss que siguen.
Cos h . Sin a = Cos Δ . Sin ω
Estas formulas se demuestran de manera geométrica, y no dan información útil para el objeto del estudio.
Un ejemplo de cálculo para los días 1er y 15 de enero se presenta a continuación.
Fecha n δ TSV ω h a
JJ MM
1 1 1 -23,01 1 -165 -76,12 -83,24
2 -150 -62,59 -88,60 3 -135 -49,08 -83,52 4 -120 -35,69 -78,95 5 -105 -22,51 -74,24
6 -90 -9,65 -69,01
7 -75 2,72 -62,88
8 -60 14,36 -55,37
9 -45 24,85 -45,83
10 -30 33,53 -33,51
11 -15 39,45 -17,97
12 0 41,59 0,00
13 15 39,45 17,97
14 30 33,53 33,51
15 45 24,85 45,83
16 60 14,36 55,37
17 75 2,72 62,88
18 90 -9,65 69,01
19 105 -22,51 74,24
20 120 -35,69 78,95
21 135 -49,08 83,52
22 150 -62,59 88,60
23 165 -76,12 83,24
24 180 -87,61 0,00
15 1 15 -21,27 1 -165 -75,63 -76,39
2 -150 -62,21 -87,73 3 -135 -48,66 -86,09 4 -120 -35,20 -81,00 5 -105 -21,93 -76,01
6 -90 -8,95 -70,63
7 -75 3,57 -64,41
8 -60 15,39 -56,83
9 -45 26,08 -47,19
10 -30 34,99 -34,66
11 -15 41,11 -18,67
12 0 43,33 0,00
13 15 41,11 18,67
14 30 34,99 34,66
15 45 26,08 47,19
16 60 15,39 56,83
17 75 3,57 64,41
18 90 -8,95 70,63
19 105 -21,93 76,01
20 120 -35,20 81,00
21 135 -48,66 86,09
22 150 -62,21 87,73
23 165 -75,63 76,39
24 180 -85,87 0,00
Fig II.17 Diagrama solar de la ciudad de Monterrey N 15° 30° 45° 60° 75° 90° 105° 120° 135° 150° 165° 180° 195° 210° 225° 240° 255° 270° 285° 300° 315° 330° 345° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1st Jan 1st Feb 1st Mar 1st Apr 1st May 1st Jun 1st Jul 1st Aug 1st Sep 1st Oct 1st Nov 1st Dec Equidistant Projection
Location: 24.6°, -100.2°
Capítulo III
La fachada del edificio: la frontera visual con el
exterior
A. Introducción
“Daylight is a gift of Nature. As civilised man learns to use artificial light sources which free him total dependence on daylight, he also learns to appreciate the value of daylight and become aware of its special advantages.”
Hopkinson 1966
El control de la iluminación de día en un edificio es parte integrante del concepto de edificación sostenible. Llamado “daylighting” en inglés, este concepto es la clave de la eficiencia energética del edificio, pero también de la satisfacción de los habitantes, de la productividad de los empleados en caso de un edificio de oficinas, y del bienestar. Son consecuencias directas de las condiciones de iluminación de día. La iluminación del edificio debe ser tomada en cuenta al principio de las etapas de diseño, porque tiene implicaciones directas con la geometría del edificio, su implementación y los materiales escogidos.
- Dar valor al diseño arquitectónico del edificio
- Permitir un contacto directo de los habitantes con el medio ambiente exterior - Reducir el consumo energético global del edificio
- Mejorar las condiciones de salud y bienestar de los habitantes.
Es importante distinguir la iluminación del día y la iluminación directa del sol. Como se ha detallado en la primera parte, las radiaciones solares que entran directamente en el edificio traen calor de manera desproporcionada. Aparte en un área como la de Monterrey, hay que, más que todo estudiar los conceptos de iluminación protegiendo al edificio de las radiaciones del sol.
Por eso se va a presentar más adelante en la parte del diseño del edificio, que no podemos estudiar de manera independiente la fachada como frontera climática, y la fachada como frontera visual. Las dos partes están ligadas, y también con las otras partes, lo que se llamará el diseño integrado. Este es el propósito general de este estudio.
B. Daylight factor
a. Definición del “daylight factor” según IESSNA (Illuminating Engineering Society of North America)
El “daylight factor” es una metodología de baja precisión para determinar la iluminación en cualquier punto del edificio, conociendo la iluminación exterior. Es un radio numérico entre las iluminaciones interior y exterior. Como el ambiente exterior siempre cambia (sol, cielo nublado, tormenta…) ese factor presenta las ventajas de ser estable en el tiempo. Entonces su valor tiene mucho más sentido que un cálculo directo de la iluminación interior en ciertios días del año.
DF = IID / IED
En la cual:
- Tamaño de las ventanas - Disposición de las aperturas - Ambiente del edificio
- Geometría de las salas
- Transmítancia del vidrio utilizado
- Calidad de reflexión de las superficies de la sala
El DF generalmente se determina gracias a unas modelaciones del edificio (maquetas…) y unos captores de luz puestos a dentro y a fuera del edifico. Pero en la mayoría de los casos estas maquetas dan resultados que no corresponden a la realidad. Se necesita tomar medidas de muchos puntos adentro de la maqueta, para tener una idea de la repartición de la iluminación del día y del sol. Por eso en este estudio, se va a trabajar con un cálculo que se llama “average daylight factor” es decir, calcular un promedio del “daylight factor” con los datos del edificio.
b. Daylight factor average
La cantidad de luz de día que entra en una sala especifica, depende del tamaño de cada ventana, la superficie de cielo que se ve por las aperturas, y de los coeficientes de reflexión de cada superficie interna.
La ecuación para estimar el promedio del “daylight factor” seria:
DFprom = Σ (W T Φ M) / (A*(1-R²))
En la cual:
W es la superficie de cada ventana
T es la transmisión de cada vidrio utilizado para las ventanas. Si no es conocido, se toma 0,8 para un vidrio simple y 0,7 para un doble vidrio.
Φes el ángulo vertical del cielo viendo del centro de cada ventana
M es el coeficiente tomando en cuenta la limpieza y la inclinación de cada ventana
A es el área total de todas las superficies internas al espacio
Para calcular el ángulo vertical del cielo, se puede estimar una altura promedia de los edificios alrededor de la ventana. Y a partir de esos datos, se mide el ángulo de manera muy sencilla. Se puede también calcular este valor de manera precisa, utilizando los factores de sombra y los diagramas del sol.
En la figura siguiente corresponde al ángulo entre la línea “mid height of window” y la línea C1.
Fig III.1 Cálculo del ángulo vertical de vista al cielo
El coeficiente tomando en cuenta la limpieza de las ventanas puede ser generalizado de la siguiente manera.
Ubicacion Tipo de trabajo Inclinacion Factor de limpieza
Vertical 0,9
Inclinado 0,8
Horizontal 0,7
Vertical 0,8
Inclinado 0,7
Horizontal 0,6
Vertical 0,8
Inclinado 0,7
Horizontal 0,6
Vertical 0,7
Inclinado 0,6
Horizontal 0,5
No industrial
Industrial
No industrial
Industrial sucio
No industrial
Industrial sucio
Fig III.2 Coeficiente de limpieza de las ventanas
c. “Daylight factor” método de los flujos.
- (SC) Sky component, directamente del cielo, entrando por una apertura tipo una ventana.
- (ERC) Externally Reflected Component, que corresponde a la luz reflectada por el suelo, árboles u otros edificios.
- (IRC) Internal Reflected Component, que corresponde a la luz reflectada por las superficies internas al edificio.
Se considera entonces el “daylight factor” como la suma de estas tres valores, cada una representando una posible fuente de luz en el edificio.
Entonces se escribe:
DF = SC + ERC + IRC
A continuación un esquema representando estas tres fuentes de luz.
Fig III.3 Diferentes componentes de la iluminación de día
d. Necesidades en daylight factor
Espacio DF Promedio Valor minimo Comercial / Institucional
Pasillo 2 0,6
Oficina 5 2
Salon de clase 5 2
Biblioteca 5 1,5
Gymnasio 5 3,5
Residencial
Comedor / Studio 5 2,5
Cocina 2 0,6
Sala 1,5 0,5
Cuarto 1 0,3
e. Método del 2,5 A
De manera práctica para determinar una primera aproximación de las necesidades en ventanas, se utiliza la regla de las 2,5 A. Considerando A la distancia entre el piso y el punto mas alto de la ventana. Se considera entonces que una buena iluminación natural llega hasta 2,5*A en el cuarto.
Fig III.5 Esquema representando el método del 2,5 A
C. Iluminación artificial
a. Introducción y origen de la luz artificial
La principal fuente de luz natural como ya lo hemos visto es el sol. Aunque se diseña el edificio de tal manera que utilizara 100% de la luz natural, esto funcionaría solo durante 12 horas a lo máximo. Existe muchas otras fuentes de luz en la naturaleza diferentes de la del día. Nuestros ancestros utilizaban mucho las luces de combustión (gas, madera…), las de noche (luna, estrellas…). Con el desarrollo de la electricidad en la segunda mitad del siglo 19, empezaron a desarrollarse otras fuentes de luz artificiales. La primera tentativa de iluminación eléctrica fue en 1820 por Warren de la Rue, pero la primera instalación eléctrica comercial fue en 1880. Finalmente debemos la tecnología actual a Edison que inventó en 1879 la primera bombilla eléctrica a base de un filamento de bambú.
Para simplificar, solo existen dos tipos de luces artificiales: incandescencia y luminiscencia. En ambos casos la causa fundamental de la radiación es la misma, es decir la excitación de los electrones y la energía emitida para regresar a sus posiciones originales.
material, más alta es la frecuencia de la radiación electromagnética. Por ejemplo el material utilizado en unas bombillas emite una radiación roja a una temperatura de 873K, después amarillo y arriba de 2500K es la luz blanca que normalmente se utiliza. Cada material tiene una resistencia propia, y según la fórmula de Ohm, la temperatura de ese material sube según la resistencia. Eso es el funcionamiento básico de una bombilla incandescente.
En el caso de la luminiscencia, cuando un sólido recibe energía procedente de una radiación incidente, ésta es absorbida por su estructura electrónica y posteriormente es de nuevo emitida cuando los electrones vuelven a su estado fundamental. En función de la radiación que estimula esta emisión, tendremos diferentes procesos luminiscentes, pero el único que interesa es el siguiente.
- Fotoluminiscencia: luminiscencia inducida por una radiación del espectro visible o ultravioleta.
Los sistemas eléctricos de iluminación, son uno de los más consumidores de electricidad en edificios modernos. Según un reporte de la “Internacional Energy Agency” de 2006, la iluminación artificial de un edificio corresponde al 19% del consumo global de electricidad y, corresponde al equivalente de 70% de emisión de CO2 que causaría la utilización de un carro en el mismo intervalo de tiempo.
