Energía y confort en edificaciones

Energía y confort en edificaciones

Centro de Investigación en Energía UNAM, Temixco Morelos

Guadalupe Huelsz

Grupo de Energía en Edificaciones

Pablo Elías, Adriana Lira

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Contenido

•Cuál es la motivación del GEE-CIE

•Qué estamos haciendo en el GEE-CIE

•Estudios básicos

•Estudios aplicados

•Proyecto SENER-CONACYT Sustentabilidad Energética

•Necesidad de simulaciones 3D de convección natural

Cuál es la motivación del GEE-CIE

•Aproximadamente el 30% del total del

consumo de energía del país corresponde a los sectores residencial, comercial y de servicios - energía en edificaciones

•Más del 90% de la energía que se consume en México, tiene su origen en la quema de recursos no renovables.

Ahorro de energía en edificaciones

•Reducción de la demanda energética

•Reducción de emisiones de CO₂

Energía eléctrica en México ²⁰⁰⁷

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Iluminación 35%

Refrigerador 30%

Entretenimiento 25%

Otros 10%

Fuente: FIDE, 2009, Taller sobre la envolvente térmica y el ahorro de energía

Clima templado

Iluminación 12%

Refrigerador 25%

Entretenimiento 20%

Otros 8%

Aire acondicionado

35%

Uso de energía en acondicionamiento higrotérmico y de calidad de aire de las edificaciones

•Dos terceras partes de la superficie del país presenta condiciones de clima cálido (seco en el norte y húmedo en las costas).

Consumo eléctrico residencial en México 2007

Clima cálido

Estudios

•Básicos

•Experimentos

•Escala laboratorio

•Simulaciones numéricas de dinámica de fluidos computacionales

•Aplicados

•Mediciones

•Simulaciones numéricas de balances globales BG (PowerDOE, Energy Plus)

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Estudios básicos

Q

Convección natural en una pared vertical parcialmente calentada

•Experimentos escala laboratorio

•Agua, visualización gradientes de densidad (temperatura) (Schlieren)

•Medición temperatura

•Simulaciones numéricas 2D

(Ecuación de Boltzman en redes)

•Se determinó la aceleración vertical del frente de la pluma como función del

número de Rayleigh (flotación/viscosidad)

•Transición de flujo laminar a flujo turbulento

(coeficiente de transferencia de calor h)

•Tovar R., Rojas J., Cedillo M.L (2004) Int.Com.Heat and Mass Trans. 31(4), 561-571.

•Barrios G., Rechtman R., Rojas J., Tovar R. (2005) J.Fluid Mech. 522, 91-100.

•Rojas J., Tovar R. (2010)Heat Transfer Engineering 31(10), pp 862-869

Estudios básicos

Convección y ventilación en dos habitaciones conectadas

•Experimentos escala laboratorio

•Agua-salmuera coloreada (Δρ - ΔT)

•Medición de salinidad (atenuación de luz por colorante)

•Ecuaciones simples (programas BG)

•Recomendaciones para diseño

El número de aberturas internas, su tamaño y su posición determinan el tipo de estratificación que se desarrolla en los cuartos.

El tamaño y la posición de la abertura exterior repercute en el flujo a través de la misma (cantidad y régimen).

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Estudios aplicados

Calentamiento del foro de la sala de conciertos Nezahualcoyotl

•Calentamiento del foro en invierno ensayos

•Volumen zona foro es <2% del volumen de la sala

•Existencia de un sistema de

calentamiento no eficaz abajo del foro en la cámará acústica

•Siete alternativas calentamiento foro

•Calentamiento sala

Propuesta

calentamiento foro

existente, se añaden tubos y deflectores y se inyecta

horizontalmente aire caliente desde la periferia del piso del foro

Simulación numérica dinámica de fluidos (Fluent)

20 20 ^oC^oC

Temperatura en la zona del foro es mayor a los 21^oC después de una hora de iniciado el proceso de inyección de aire

Potencia 14.4 kW

Energía díaria 93.6 kWh

y

x

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Calentamiento de toda la sala

•Simulación numérica PowerDOE

Huelsz G., Rojas J., Alpuche G., Estrada C., 2005. Informe técnico para Rectoría UNAM.

Potencia 248 kW (17 veces)

Energía díaria 5952 kWh (64 veces)

Estudios aplicados

Auditorio Tonatiuh del CIE

Diseño bioclimático

•Ventanas remetidas

•Fuentes laterales

•Turbinas eólicas

•Cámara ventilada, plafón-techo

•Muros dobles

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Mediciones de temperaturas

Porcentaje de horas en confort al interior del auditorio (2007) Horario de uso Disconfort cálido

Modificaciones propuestas:

1) Sistema pasivo

Aumentar la

protección solar en ventanas con

elementos

14 Rojas J., Huelsz G., Tovar R., Elías-López P. Alpuche M.G., 2009, ANES.

Uso de elementos activos de bajo consumo energético

3) Turbinas eléctricas con enfriamiento evaporativo (en proceso)

2) Ventilación nocturna - experimentos – simulación

Implementado con ventilas de apretura programada

Estudio aplicado (vinculación con la industria)

Mejorar el comportamiento térmico de viviendas de

concreto construidas con el sistema Meccano

16 Se realizaron mediciones de

parámetros higrotérmicos en casas típicas de concreto monolítico.

•Evaluación del desempeño térmico.

•Verificación de la simulaciones numéricas realizadas con el programa Energy Plus.

Se construyeron módulos para evaluación de materiales (concreto+barrera térmica,

concreto aereado y block de concreto hueco), se midieron parámetros

higrotérmicos.

•Evaluación del desempeño térmico.

•Verificación de simulaciones numéricas

realizadas con el programa Energy Plus (block diferencias importantes)

Casa modelo con uso de sistemas pasivos de climatización

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Casa modelo de concreto + barrera térmica en el exterior

Normatividad en México

NMX-C-460-ONNCCE-2009 Industria de la construcción – aislamiento térmico – valor R para las envolventes en vivienda por zona térmica para la República Mexicana

Valor R debe ser mayor a un valor de referencia (absurdo) dependiente del clima

Basada en transferencia de calor independiente del tiempo

NOM-008-ENER-2001 Eficiencia energética en

edificaciones, envolvente de edificios no residenciales

Ganancia de calor debe de ser menor que referencia Supone todo el tiempo aire acondicionado (25oC)

Basada en transferencia de calor independiente del tiempo valor-R

20

Muro o techo simple

Ecuación de conducción de calor 1D independiente del tiempo

2

0

2

! =

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x T t

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Condiciones de frontera

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Solución

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R Ti

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L

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+ +

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dado L se desea k

Tsa

ho hi Ti

x

Two Twi

q”

L

Muro o techo simple

Ecuación de conducción de calor 1D

(1D “lejos” unión otro muro 2D, esquinas 3D)

dependiente del tiempo

2

0

2

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x T t

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Condiciones de frontera

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^k

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x

Two Twi

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L

22

Transferencia de calor a través de muros y techos de la envolvente de la edificación

CE

ho Ta aI

Tsa = + + Sin aire acondicionado

Muro o techo compuesto

Ecuación de conducción de calor 1D dependiente del tiempo para cada componente i

2

0

2

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T

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#

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ho hi Ti

x

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Condiciones de frontera

Two Twi

) ( Tsa Two x ho

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2 1 2 2

2 1 1 1

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se desea

α

^k

q”

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Transferencia de calor a través de la envolvente

HDC R=0.27 AeC R=1.03 EPS R=2.7

EPSext R=1.8 EPSint R=1.8 EPSext R=1.8 [R] = m²/W

Sin aire acondicionado Con aire acondicionado

Barrios G, Huelsz G, Rechtman R, Rojas J, 2011. Energy and Buildings 43, 219-223.

Barrios G, Elías P, Huelsz G, Rojas J, 2010, ANES, Guanajuato, Gto, 2010 ABC-65, 1-6.

Huelsz, G., Rechtman, R., Rojas, R. 2009, ANES, Guadalajara, Jal., 28 septiembre- 3 octubre 2009, ABC-050, 237-240.

Desarrollo y validación de una

metodología para estimar los impactos en el ahorro de energía por el uso de

sistemas pasivo-constructivos en la edificación para diferentes climas de

México

Proyecto 118665 del Fondo Sectorial de Sustentabilidad Energética SENER-CONACYT

Entidades participantes:

Centro de Investigación en Energía – Universidad Nacional Autónoma de México (líder) Programa de Arquitectura, Departamento de Bellas Artes - Universidad de Sonora

Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo- Universidad Autónoma de Tamaulipas Facultad de Arquitectura y Diseño – Universidad de Colima

Ingeniería Mecánica – Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Arquitectura Bioclimática – Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco

OBJETIVOS

1.Generar información sobre la distribución y

características de sistemas pasivos usados en viviendas en diferentes climas de México: cálido semi-húmedo,

cálido seco extremoso, cálido húmedo y templado húmedo.

2.Establecer una metodología basada en un análisis de transferencia de calor dependiente del tiempo y con ella generar una herramienta simplificada para la evaluación del desempeño térmico de la envolvente de edificaciones y la estimación del ahorro de energía para climas de

México.

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Diagnóstico de uso de sistemas pasivos

Sistemas pasivos de climatización

Son los elementos constructivos que diseñados adecuadamente acorde al clima propician condiciones de confort higrotérmico o reducen la demanda energética para climatización 126 modelos de viviendas, representan más de 22,200 viviendas, lo que corresponde al 15%

de las viviendas ofertadas en las cinco zonas (48% en la ZMCM).

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Herramienta simplificada para la evaluación del desempeño térmico de muros y techos de la envolvente de edificaciones

•Con aire acondicionado y sin aire acondicionado

•Simulaciones capas homogeneas (en proceso)

•Simulaciones capas no homogeneas como son las del block y de la bovedilla huecos

•Necesidad de contar con coeficientes de tranferencia de calor por convección natural en las geometrías reales obtenidos por simulaciones 3D (solo se disponen de resultados de simulaciones 2D)

0.125m x 0.135m x 2.50m

Conclusiones

•Es fundamental la colaboración entre arquitectos, expertos en transferencia de calor y en dinámica de fluidos y los constructores

•Es necesaria la formación de recursos humanos

•Incluir el diseño bioclimático en la curricula de todos las licenciaturas en arquitectura

•Especialistas en transferencia de calor,

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Alternativas tecnológicas

A. Calentamiento zona del Foro

1. Piso radiante

2. Calentadores eléctricos tipo bajo alfombra cubriendo toda el área del Foro

3. Tapetes individuales con calentadores eléctricos 4. Radiadores incandescentes eléctricos

5. Flujo de aire sobre toda el área del Foro 6. Flujo de aire desde la periferia del Foro 7. Sillas con calentadores eléctricos

B. Calentamiento de toda la Sala

Estudio para el Calentamiento del Foro de la Sala Nezahualcóyotl 8/32 Centro de Investigación en Energía, UNAM