Enfriamiento de techos como medio de mitigación de consumo energético y del efecto de isla de calor

“Enfriamiento de techos como medio de mitigación de

consumo energético y del efecto de isla de calor”

27 de Septiembre de 2011

Ciudad de México

Dra. Gabriela I. Burgos Solórzano

Gerente Técnico Latinoamérica

CO2 CH4 Halocarbonos N₂O Troposférico Estratosférico

Carbón sobre nieve

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Estratosférico Forzante radiativo Gases de efecto invernadero de larga duración Ozono Vapor de agua estratosférico Albedo de la superficie Aerosoles totales Efecto directo Albedo de las nubes

Estelas de los aviones Irradiación solar A n tr o p o g én ico N atu ral

Fuente: IPCC Cuarto Informe de Evaluación Resumen para Políticos

Emisiones Anuales de Gases de Efecto Invernadero

Combustibles 14% Fuentes Residenciales, Comerciales y Otras 10% Procesos Industriales 17% Subproductos de agricultura 13% Estaciones eléctricas 22% Uso de tierras y quema de

biomasa 10% Desecho y tratamiento de residuos 3% Explotación, procesamiento y distribución de Combustibles Fósiles, 11%

Producción total GEI

Estaciones eléctricas 30%

Fuentes Residenciales, Comerciales y Otras 13%

Uso de tierras y quema de biomasa 9% Combustibles 19% Procesos Industriales 21% Explotación, procesamiento y distribución de Combustibles Fósiles, 13%

CO

₂

Termografía global y local

Temperatura anual promedio

Distribution of heat sources on a 40 m2 house in Mexico (Source: FIDE-CFE) Walls 42% Roof 22% Windows 20% Others 16%

Distribución anual de entrada de calor en una casa típica

mexicana

20% Techo

Fuente: Comisión Federal de Electricidad. Programa de aislamiento térmico 40%

Techo

En Verano y climas calurosos la entrada de calor es diferente.

Consecuencias:

- Menor confort térmico para el ocupante

- Incremento en el pago de consumo energético

- Mayor consumo de aire acondicionado

- Impacto en gases de efecto invernadero

- Efecto isla de calor

Efecto de la Isla de Calor

Temperatura de la superficie (día) Temperatura del aire (día) Temperatura de la superficie (noche)

Temperatura del aire (noche)

Rural Suburbano Área Industrial

Suburbios Centro

de la ciudad Suburbios ParqueSuburbano Rural

Te m p e ra tu ra Día Noche

Mitigación anual del calentamiento global equivalente a 600 Kg CO₂ por cada 100 m2 _{de techos} recubiertos con

pintura/impermeabilizantes altamente reflejantes

Regional climate consequences of large-scale cool roof and photovoltaic array deployment, Environ. Res. Lett.6 (2011) 34001. Millstein, D., Menon, S.

Termografías Mexicali: Efecto Isla de Calor

Termografía tomada al sur de la ciudad de Mexicali el 5 de julio de

2012. Temperatura ambiente = 39 °C

30°C

40°C

Asfalto negro Baja Reflectividad Alta Emisividad Recubrimiento de Aluminio Alta Reflectividad Baja Emisividad Recubrimiento Blanco Alta Reflectividad Alta emisividad 95% 5% 90% 5% 85% 90%

Concepto de Techos Frescos

Comparación de diferentes materiales para techos

Reflectividad: Cantidad de energía reflejada Emisividad: Cantidad de energía irradiada despues de ser absorbida

Techos frescos: Beneficios Sustentables y a la Sociedad

Beneficios al Ocupante

Incremento en el confort térmico del ocupante

Menor consumo de energía: reducción de consumo de aire acondicionado

Extensión de vida de techos

Tecnología económicamente viable y al alcance de los usuarios

Tecnología de fácil renovación

Beneficios sustentables

Salud pública: Reducción de exposición a temperaturas extremas

Reducción de consumo de combustibles fósiles

Reducción de gases de efecto invernadero

Mitigación del fenómeno de efecto de Isla de Calor

Tecnología de fácil replicación

Concepto de reflectividad solar (Albedo)

Material Reflectividad Aluminio 20 - 40 Estaño 67 - 72 Acero 50 - 60 Tejas beige 40 - 45 Tejas rojas 10 - 20 Vidrio 5 - 10 Grava 20 - 40 Asfalto 5 - 10 Material Reflectividad Concreto 35-40 Vegetación 5-30 Nieve sobre pavimento 60 - 75 Madera 35 - 50 Dióxido de Titanio 95 Pintura blanca 70 - 90

Superficie

Caliente

Material con

baja reflectividad

Radiación reflejada

(30 %)

DUPONT CONFIDENTIAL

Concepto de reflectividad solar (Albedo)

Material Reflectividad Aluminio 20 - 40 Estaño 67 - 72 Acero 50 - 60 Tejas beige 40 - 45 Tejas rojas 10 - 20 Vidrio 5 - 10 Grava 20 - 40 Asfalto 5 - 10 Material Reflectividad Concreto 35-40 Vegetación 5-30 Nieve sobre pavimento 60 - 75 Madera 35 - 50 Dióxido de Titanio 95 Pintura blanca 70 - 90

Material con

alta reflectividad

¿Cómo incrementar el valor de

reflectividad solar de las

superficies?

Radiación reflejada

(90 %)

Superficie

No se sobrecalienta

DUPONT CONFIDENTIAL

Propiedades de TiPure

®

Polvo blanco finamente dividido

No tóxico

Fácilmente dispersable

Insoluble

Químicamente inerte

No migra

Brinda mayor durabilidad

Reflectancia solar

Ofrece la más alta reflectividad solar (95%)

Figura:Lawrence Berkeley National Laboratories, Berkeley, Calif. y CCAS DuPont.

TiO2Reflectance

Emisividad

Ofrece la más alta emisividad (95%)

Particulas de TiO2

Luz reflejada de λλλλcorta Luz reflejada de λλλλlarga

S U B S T R A T O

¿Cómo actúa

TiPure

®

?

Recubrimiento

Con TiPure

®

Aire

Radiación solar

Refleja la mayor parte de

la radiación solar

S U B S T R A T O

Particulas con baja reflectividad Luz reflejada de λλλλcorta

Luz reflejada de λλλλlarga

Recubrimiento

con pigmentos

de baja

reflectancia

solar

Aire

Otros pigmentos

Transferencia de calor

al sustrato

Radiación solar

Mediciones de Confort Térmico y mediciones de ahorro de energía

Caso de Estudio: vivienda en Mexicali

Mexicali, por sus altas

temperaturas es una excelente referencia para realizar estudios de ahorro de energía relacionados al consumo de aire acondicionado y tecnologías de aislamiento: FIDE, INE, SEMARNAT, CFE

Casa piloto en Mexicali

Localidad:Mexicali, B.C., Mexico

Tipo de casa: Casa típica mexicana (concreto)

Inicio de estudios: Diciembre 15, 2011

Materiales para techos a comparar: Impermeabilizante altamente reflectivo blanco (Reflectancia = 0.78), Impermeabilizante rojo (Reflectancia=0.33) y Techo de concreto (Reflectancia Promedio = 0.33 ±5%)

Mediciones:Confort térmico, condiciones climáticas, propiedades de emitancia, reflectancia y estudios termográficos

Estudios a nivel laboratorio: termográficos, propiedades de emitancia y reflectancia

Torre Meteorológica

Diferentes techos

Sistemas de Aire acondicionado

Imágenes termográficas:

Paneles de acero galvanizado con recubrimientos blancos

Recubrimiento Blanco SIN TiO₂ Reflectancia = 0.598

Recubrimiento blanco altamente reflectivo CON TiO₂ TiPure®

Reflectancia = 0.805 103 °C (avg.) _{82 °C (avg.)}

Patrones termográficos en diversos materiales de construcción

a)Paneles de madera

90.2°C 69.8°C 56.4°C

. Recubrimiento altamente reflectivo blanco (reflectancia = 0.83 and emisividad = 0.91). Recubrimiento rojo (reflectancia = 0.33, emissiviidad= 0.9). Recubrimiento negro (reflectancia = 0.05, emisividad = 0.91). Mediciones de Heat Buildup usando ASTM D4803.

Recubrimiento negro Reflectancia= 0.05 Recubrimiento rojo Reflectancia: 0.33 Recubrimiento blanco Altamente Reflectivo Reflectancia: 0.83

b) SBS (asfalto elastomérico modificado)

97.0°C 81.4°C 68.2°C

c) Tejas de acero galvanizado

79.7°C 65.5°C 57.7°C

Recubrimiento negro Recubrimiento rojo Recubrimiento blanco Altamente Reflectivo

Recubrimiento negro Recubrimiento rojo

Recubrimiento blanco Altamente Reflectivo

Mediciones reales Mexicali: Qué pasa en verano?

Termografía de la casa de pruebas tomada el 5 de julio de 2012 a 39°C de temperatura ambiente.

58.0°C

41.9°C

Impermeabilizante Altamente Reflectivo Impermeabilizante Rojo

Month Jan Feb Mar April May June July Aug Sep Oct Nov Dec

Max avg

Temperature, °C 22 24 28 32 37 42 42 41 36 33 26 21 Average

Consumo energético: resultados preliminares

Caso de Estudio Real:

Casa de 39 m2

AC set point= 23°C

Operación continua durante 12 horas (7am-7pm) Mediciones continuas

Ausencia de generadores de calor dentro de casa

Recubrimiento blanco (1 semana, 39m2)

kwh kwh Costo ($/kwh) Costo ($) kwh/m2/dia kwh/39m2/día kwh/100m2/día kwh/300m2/día

302 300 0.55 165.3 1.10 42.86 109.89 329.67

2 0.70 1.4 0.01 0.29 0.73 2.20

Total 302 166.7 1.11 43.14 110.62 331.87

Recubrimiento rojo (1 semana, 39 m2)

kwh kwh Costo ($/kwh) Costo ($) kwh/m2/dia kwh/39m2/día kwh/100m2/día kwh/300m2/día

338 300 0.55 165.3 1.10 42.86 109.89 329.67

38 0.70 26.6 0.14 5.43 13.92 41.76

338 191.9 1.24 48.29 123.81 371.43

Ahorros totales (1 semana) [kwh/1 semana] 0.9 36.0 92.3 276.9 Ahorros totales mensuales [kwh/mes] 4.0 154.3 395.6 1186.8

Ahorros totales anuales [kwh/Xm2/año] 24 926 2,374 7,121

Ahorro Energético Anual [kwh/ m2, base 6 meses] en superficies de concreto

DUPONT CONFIDENTIAL DUPONT CONFIDENTIAL

DUPONT CONFIDENTIAL

Consumo energético: resultados preliminares

Caso de Estudio Real:

Casa de 39 m2

Mediciones preliminares de 1 mes AC set point= 23°C

Operación continua durante 12 horas (7am-7pm) Mediciones continuas

Ausencia de generadores de calor dentro de casa

Recubrimiento blanco (1 semana, 39m2)

kwh kwh Costo ($/kwh) kwh/m2/dia Costo ($/39m2/día) Costo ($/100m2/día) Costo ($/300m2/día)

302 300 0.55 1.10 23.61 60.55 181.65

2 0.70 0.01 0.20 0.51 1.54

Total 302 1.11 23.81 61.06 183.19

Recubrimiento rojo (1 semana, 39 m2)

kwh kwh Costo ($/kwh) kwh/m2/dia Costo ($/39m2/día) Costo ($/100m2/día) Costo ($/300m2/día)

338 300 0.55 1.10 23.61 60.55 181.65

38 0.70 0.14 3.80 9.74 29.23

338 1.24 27.41 70.29 210.88

Ahorros totales (1 semana) [$MXN] 25.20 64.62 193.85 Ahorros totales mensuales [$MXN] 108.00 276.92 830.77

Ahorros totales anuales [$MXN] $ 648 $ 1,662 $ 4,985 Ahorro Energético Anual [$MXN, base 6 meses] en superficies de concreto

DUPONT CONFIDENTIAL

Fuente: Florida Solar Center y Lawrence Berkeley National Laboratory Calculadora de Mexicana de CO₂del INE

Kilogramos de CO

₂

no generados por disminución de consumo eléctrico debido

al cambio de reflectancia solar de techos

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 K g a n u a le s d e C O 2 n o g e n e ra d o s p o r c a d a 1 0 0 m 2 d e t e c h o c u b ie rt o

Incremento en Reflectancia Solar del Techo

Disminución del consumo energético con el aumento de la Reflectividad Solar del Techo Disminución anual de CO2 (Kg) por cada 100 m2 de techo cubierto

Kg CO₂producido por KWh 0.55

Techos

Frescos

Reducción de Gases

de Efecto

Invernadero

Confort térmico para los

ocupantes

Ahorro de energía

Disminución del

efecto de la Isla de

Calor

Conclusiones

Beneficios generales de utilizar techos frescos

Gracias por su Atención!

DuPont Titanium Technologies Tlalnepantla, México

Website: www.titanium.dupont.com

Dra. Gabriela Burgos Solórzano

[email protected] Teléfono: 55-5366-4758

Dra. Angeles Torres

[email protected] Teléfono: 55-5366-4600

Ing. Daniel Bustos

[email protected] Teléfono: 55-5366-4600