Estudio de la respuesta térmica de viviendas en madera en clima tropical

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(1)ESTUDIO DE LA RESPUESTA TÉR MICA DE VIVIENDAS EN MADER A EN CLIMA TROP ICAL. ANDRÉS FELIPE ARCHILA TÉLLEZ. Proyecto de grado para optar por el título de Pregrado en Ingeniería Mecánica. As esor: Gregorio Orlando Porras Rey Dr. Sc. Profesor As ociado del Departamento de Ingeniería Mecánica. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MEC ÁNICA BOGOTÁ D.C. JUNIO DE 2009.

(2) CARTA DE PRESENTACIÓN. Profesor: Edgar Alejandro Marañón Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes Ciudad. Estim ado Profesor:. Por m edio de la pres ente m e perm ito poner en cons ideración el proyecto de grado titulado: “ESTUDIO DE LA RESPUESTA TÉRMICA DE VIVIENDAS EN MADERA EN CLIMA TROPIC AL”, como requisito de grado del programa de pregrado en Ingeniería Mecánica.. Atentam ente,. Andrés Felipe Archila Téllez Código: 200422295 C.C. 1010166073 de Bogotá D.C..

(3) Nota de aceptación: _________________________ _________________________. _________________________ Firma del as esor. _________________________ Firma del jurado. Bogotá D.C. Junio 26 de 2009.

(4) A m i hermano Francis co, mi amigo incondicional y la mayor influencia de mi vida.. In m emoriam Blanca Martínez de Téllez.

(5) AGRADECIMIENTOS. Quisiera expresar m i agradecim iento a Orlando Porras , Mauricio Pinilla y Carlos Martíne z, quienes aportaron la m ateria prima para es te trabajo y contribuyeron a s u des arrollo con sus com entarios. A Orlando, es pecialm ente gracias por la comprensión y el apoyo en los m om entos difíciles . Agradezco a m i familia, amigos y colegas . Doy gracias al lector, porque sin la lectura los libros sólo s on papel en es tanterías . Espero que s ea de su agrado, que sirva de guía para futuros proyectos y que lo anim e a trabajar por la igualdad s ocial y el equilibrio m edioam biental..

(6) ÍNDICE DE CONTENIDO. Nom enclatura...........................................................................................................i v Nom enclatura de variables ............................................................................i v Nom enclatura del s oftware ............................................................................v Nom enclatura de archivos ............................................................................vi Lista de figuras y es quemas ....................................................................................vii Lista de tablas .........................................................................................................vii Lista de diagramas .................................................................................................vii Lista de cuadros.....................................................................................................viii Lista de gráficas.......................................................................................................ix Lista de anexos .........................................................................................................x Introducción .............................................................................................................1 1. Objetivos ...............................................................................................................3 1.1. Objetivo general......................................................................................3 1.2. Objetivos específicos .............................................................................3 2. Marco Teórico ......................................................................................................4 2.1. Generalidades ........................................................................................4 2.2. Fenómenos de trans ferencia de calor en edificaciones ..........................5 2.3. Particularidades .......................................................................................6 2.4. Analogía eléctrica de sis tem as térm icos.................................................7 3. Método..................................................................................................................8 3.1. Elección del s oftware y capacidad .........................................................8 3.1.1. Alternativas ..............................................................................10 3.2. Elección de las condiciones climáticas de anális is ..............................11 3.3. Es pecificacio nes geom étricas y condiciones de carga ........................15 3.3.1. Elección de la orientación del modelo.....................................15 3.3.2. Simplificación de la geom etría.................................................15 3.3.3. Condiciones de frontera y otros parámetros del software.......19. i.

(7) 3.3.4. Elección de cargas y escenarios de análisis ...........................21 3.3.4.1. Infiltraciones ...............................................................22 3.3.4.2. Ilum inación artificial, pers onas y equipos eléctricos ..25 3.3.4.2.1. Ilum inación artificial......................................25 3.3.4.2.2. Pers onas......................................................26 3.3.4.2.3. Equipos eléctricos ........................................28 4. Resultados ..........................................................................................................29 4.1. Es tudio del modelo com ple to y simétrico..............................................29 4.1.1. Respues ta herm ética del m odelo completo.............................29 4.1.2. Respues ta herm ética del m odelo s imétrico.............................35 4.1.3. Comportamiento del modelo en el rango de es cenarios .........38 4.1.3.1. Modelo completo........................................................38 4.1.3.2. Modelo simétrico........................................................42 4.1.4. Elección de secciones críticas de análisis ...............................45 4.2. Sim ulación sobre secciones críticas .....................................................47 4.2.1. Aporte de cargas internas ........................................................47 4.2.2. Efecto del cambio de infiltraciones ..........................................50 4.2.3. Efecto de la orientación s obre las s ecciones críticas ..............58 4.2.4. Identificación de problemas en las s ecciones críticas .............64 4.3. Alternativas ............................................................................................65 4.3.1. Alternativas analizadas ............................................................66 4.3.2. Resultados ...............................................................................70 4.3.2.1. Anális is cualitativo......................................................74 4.3.2.2. Matrices de sens ibilidad.............................................77 4.3.3. Simulación final (alternativas s in cos to)...................................85 4.3.4. Comparación de alternativas con costo...................................88 5. Conclusiones y proyecciones .............................................................................89 5.1. Conclusiones particulares.....................................................................89 5.2. Conclusiones generalizables ................................................................91 5.3. Proyecciones y recom endaciones .........................................................93. ii.

(8) REFERENCIAS BIBLIOGRÁFIC AS.......................................................................96 Glosario.................................................................................................................101 Anexos. iii.

(9) NOMENCLATURA A menos que s e indique lo contrario, s e trabaja con unidades del SI.. NOM ENCLATURA DE V ARIABLES TBS. Temperatura de bulbo seco. (°C). TBH. Temperatura de bulbo húmedo. (°C). ω. Humedad relativa. (%). T. Temperatura. (°C). ∆T. Diferencia de temperatura. (°C). ACH. Cambios de aire por hora. (1/h). ∆ACH. Diferencia en cambios de aire por hora. (1/h). ρ. Dens idad de masa. (Kg/m ³). Cp. Calor específico. (J/Kg K). k. Conductividad térm ica. (W/m °C). A. Área transvers al / de contacto. (m ²). Q. Tasa de trans ferencia de calor. (W). h. Coeficiente de trans ferencia de calor por convección (W/m² °C). α. Difus ividad térm ica. R. Resis tencia térmica / eléctrica. (°C/W) (Ω). U. Coeficiente total de trans ferencia de calor. (W/m² °C). I. Corriente eléctrica. (A). C. Capacitancia. (F). V. Potencial eléctrico. (V). L. Inductancia. (H). P. Presión. (Pa). d. Es pes or de pared. (m ). (m ²/s). iv.

(10) NOM ENCLATURA DEL S OFTWARE. El superíndice (*) representa un compartimiento de la casa es te. 1. Zonas :. P1. Planta baja. P2. Planta alta. Com partimientos: H1. Dis ponible / Habitación 1. C. Cocina y Salón / Com edor. L. Baño. E1. Es caleras de la planta baja. H2. Habitación 2. H3. Habitación 3. H4. Habitación 4 / Estudio. Hall. Hall de habitaciones. E2. Es caleras de la planta alta. En cada com partim iento: N. Pared norte. s. Pared s ur. E. Pared es te. W. Pared oeste. floor. Piso. roof. Techo. infiltration. Infiltraciones. Light. Iluminación artificial. people. Personas. Equipment. Equipos eléctricos. 1. Compárese con planos en ane xo 3 y diagrama 3.1. El obje tivo de las le tras minúsculas es ser consecue nte con las numeración del sof tware y no son errores ortográficos.. v.

(11) Condiciones de frontera2: TOS Temperatura exterior con radiación solar directa e incidencia del viento TA. Intercambio con otra zona bajo condiciones sim ilares . No hay trans ferencia de calor a través de la pared, pero ésta puede almacenar energía térmica.. TG. Temperatura del s uelo. TB. Temperatura bajo condiciones es peciales. TSS. Temperatura exterior s in expos ición directa a la radiación s olar o el viento. TIZ. Conexión con otra zona a temperatura diferente. NOM ENCLATURA DE ARCHIVOS Sistema de identificación de los archivos de las simulaciones . Modelo Completo / Sim étrico. Vacío / con cargas. Es cenario Alternativa. M5. C. em pty. E(n). -. loads. A(n). 3. M5. Modelo de la casa .. empty. Sin cargas térm icas internas .. loads. Con cargas térmicas internas .. E(n). Es cenario (n) para n [0,5]. A(n). Alternativa (n) para n [1,8]. Ejem plos :. E2 A6. 4. Es cenario 2 Alternativa 6. 2. Consúltese el manual de l software para mayor información El núme ro 5 es indifere nte y es resultado del núme ro de modelos previos necesarios pa ra la obtención del modelo definitivo. 4 E1 y E2 pueden referirse tanto a los compa rtimientos de la casa como a los esce narios de infiltraciones. En el contexto específico se aclara s u significado. 3. vi.

(12) M5-C-em pty-E2.m db: archivo del modelo com pleto de la casa, sin cargas internas y s om etido al es cenario 2 de infiltraciones. M5-loads -E4-A1.m db: archivo corres pondiente al m odelo s imétrico de la cas a, en pres encia de cargas in ternas, s ometido al es cenario 4 de infiltraciones y con la alternativa 1.. LISTA DE FIGURAS Y ESQUEMAS Esquem a 3.1. Funcionamiento del s oftware. Figura 3.1. Climadiagrama para San Marcos. Figura 3.2. Mapa Fís ico de Colombia – Periferia de San Marcos.. LISTA DE TABLAS Tabla 4.3.1. Rango de variabilidad diaria. Tabla 4.3.2. Reducción del rango de temperatura. Tabla 4.3.3. Reducción porcentual del rango de temperatura. Tabla 4.3.4. Variación de temperatura media . Tabla 4.3.5. Variación porcentual de tem peratura media, relativo al rango. Tabla 4.3.6. Reducción pico de temperatura.. LISTA DE DIAGRAMAS Diagram a 3.1. a) Especificaciones de zonas y compartimientos . Vis ta de planta. Diagram a 3.1. b) Especificaciones de zonas y compartimientos . Vis ta de perfil . Diagram a 3.2. Tipos de paredes .. vii.

(13) Diagram a 3.3. Localización de puertas y ventanas. Diagram a 3.4. Condiciones de frontera. Diagram a 4.1.1 Secciones críticas . Diagram a 4.3.1. Alternativa 1 - E xclus ión de ventanas en el costado s ur. Diagram a 4.3.2. Alternativa 2 - Barrera de papel a 3 mm . Diagram a 4.3.3. Alternativa 3 - Paralelism o de los techos. Diagram a 4.3.4. Alternativa 4 - Reflectores . Diagram a 4.3.5. Alternativa 5 – Enredaderas . Diagram a 4.3.6. Alternativa 6 - Aum ento de espesor del techo. Diagram a 4.3.7. Alternativa 7 - Cerram iento de puertas en H1.. LISTA DE CUADROS Cuadro 2.1. Analogía eléctrica de s istem as térm icos Cuadro 3.1. Altura de los compartim ie ntos . Cuadro 3.2. Es pecificaciones de ventanas . Cuadro 3.3. Parám etros de entrada al program a. Cuadro 3.4. Temperatura m áxim a admis ible. Cuadro 3.5. a) Es cenarios de infiltraciones para P1. Cuadro 3.5. b) Es cenarios de infiltraciones para P2. Cuadro 3.6 Parám etros para elección del nivel de infiltraciones . Cuadro 3.7. Horario de ilum inación artificial. Cuadro 3.8. Utilización de equipos eléctricos . Cuadro 4.2.1. Escenarios de infiltraciones en s ecciones críticas . Cuadro 4.3.1. Alternativas analizadas. Cuadro 4.3.2. Alternativas s egún s ección crítica. Cuadro 4.3.3. Evaluación del desem peño de las alternativas según el rango. Cuadro 4.3.4. Evaluación del desem peño s egún temperatura media. Cuadro 4.3.5. Evaluación del desem peño s egún reducción de temperatura pico. Cuadro 4.3.6. Com paración de alternativas con cos to.. viii.

(14) LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 3.1. Temperatura Media para San Marcos . Gráfica 3.2. Es cenarios de infiltraciones . Gráfica 3.3.a) Ocupación de la casa. Gráfica 3.3.b) Ocupación de áreas sociales. Gráfica 3.3.c) Ocupación de habitaciones . Gráfica 4.1.1. Casa E – W (E0). Gráfica 4.1.2. a) Evolución de las temperaturas para la cas a W (E0). Gráfica 4.1.2. a) Evolución de las temperaturas para la cas a E (E0). Gráfica 4.1.3. Comparación de diferencias medias de temperatura. Casa W vs casa E (E0). Gráfica 4.1.4. Casa W vs Modelo Simétrico (E0). Gráfica 4.1.5. Casa - Modelo Sim étrico (E0). Gráfica 4.1.6. Comparación de diferencias medias de temperatura en modelo s imétrico (E0). Gráfica 4.1.7. Casa E – W (E2). Gráfica 4.1.8. a) Evolución de las temperaturas para la cas a W (E2). Gráfica 4.1.8. a) Evolución de las temperaturas para la cas a E (E2). Gráfica 4.1.9. Comparación de diferencias medias de temperatura. Casa W vs casa E (E2). Gráfica 4.1.10. Cas a W vs Modelo Simétrico (E2). Gráfica 4.1.11. Cas a - Modelo Sim étrico (E2). Gráfica 4.1.12. Com paración de diferencias medias de tem peratura en m odelo s imétrico (E2). Gráfica 4.2.1. Aporte de cargas . Gráfica 4.2.2. Aporte horario de cargas (E2). Gráfica 4.2.3 a) Secciones críticas para E4. Gráfica 4.2.3 b). Secciones críticas , com paración de es cenarios. Gráfica 4.2.4 Efecto de los cambios de infiltraciones en secciones críticas .. ix.

(15) Gráfica 4.2.5 a) Com paración de aporte de cargas e infiltraciones (E2). Gráfica 4.2.5 b) Com paración del efecto de los cambios de infiltraciones . Gráfica 4.2.6. Comparación de pendientes ∆T/∆ACH. Gráfica 4.2.7. Comparación de es cenarios para la orientación 90°. Gráfica 4.2.8 a). Efecto de la orientación (escenario 2). Gráfica 4.2.8 b) Com paración de temperaturas s egún orientación (es cenario 2). Gráfica 4.2.9. Casa E – W (E2 a 210°). Gráfica 4.3.1. Desem peño de las alternativas . Gráfica 4.3.2. Reducción del rango de tem peratura (E2). Gráfica 4.3.3. Reducción porcentual del rango de tem peratura (E2). Gráfica 4.3.4. Cambio de temperatura media (E2). Gráfica 4.3.5. Cambio de temperatura media res pecto al rango (E2). Gráfica 4.3.6. Reducción pico de temperatura (E2). Gráfica 4.3.7. Simulación final, des empeño de alternativas sin cos to. Gráfica 4.3.8. Simulación final, alternativas sin costo.. LISTA DE ANEX OS Anexo 1. Datos climáticos de San Marcos y es taciones cercanas . Anexo 2. Plan general de la prim era etapa de la urbanización. Anexo 3. Planos preliminares . Anexo 4. Tabla de propiedades de algunos m ateriales de cons trucción. Anexo 5. Tablas de componentes de los compartimientos. Anexo 6. Gráficas de s ecciones críticas para otras orientaciones Anexo 7. Gráficas del efecto de la orie ntación en otros escenarios Anexo 8. Gráficas de aporte de cargas internas a 210° de rotación bajo E2 Anexo 9. Gráficas de desem peño horario de las alternativas Anexo 10. Lis ta de archivos usados en las simulaciones. x.

(16) INTRODUCCIÓN. En el m arco del trabajo conjunto de los grupos de Arquitectura y Sos tenibilidad, del Departam ento de Arquitectura, y de Convers ión de Energía, del Departamento de Ingeniería Mecánica, surge el proyecto de evaluación del potencial de la m adera como material de cons trucción sos tenible a través de un proyecto de vi vienda económica en la región de La Mojana. La madera ha tenido una larga tradición com o material de cons trucción a nivel m undial y en Colombia exis ten antecedentes de arquitectura vernácula con bas e en es ta. No obs tante, pers iste una des confianza generalizada entre personas ajenas al ám bito académico con respecto a su des empeño com o m aterial de cons trucción, por lo cual es s ubutilizada en las cons trucciones locales. Además , el es tudio del comportamiento térm ico de la m adera había s ido m arginado por la hasta hace poco lógica prioridad del comportamiento es tructural y del dis eño es tético. Sin embargo, tanto el cons um o y la eficiencia energéticos , como la comodidad termofisiológica s on ahora prioritarios y es enciales en la concepció n de toda edificación m oderna, por lo cual s e adelantan inves tigaciones enfocadas hacia la optim ización de es tas variables , particularm ente en países des arrollados 5. de altas latitudes . Colombia se localiza en bajas latitudes , diferenciándose s ignificativam ente de es tos país es , y tanto las condiciones meteorológicas com o las necesidades de herm etismo deben s er analizadas con cautela a la hora de im plem entar las conclusiones de las inves tigaciones m encionadas, pues los modelos em pleados no s on universales y deben adaptars e a las condiciones socioculturales de cada región. En Colombia, la problemática am biental se agudiza con la s ocial y es un reto de ingeniería el pres entar soluciones refinadas, cons ecuentes con la 5. El movimiento Passivhaus en Alemania es prueba de ello. Véase www.passivhaus.de. 1.

(17) tendencia de edificios ecológicamente sostenibles en todas las fas es de s u ciclo de vida y as equibles a grupos s ocia les marginados . Por s u evidente divers idad m aderera, sus condiciones climáticas y s us retos s ocioculturales , Colom bia posee un potencial único para la inves tigación y des arrollo de es te tipo de viviendas y el campo de exploración perm ite num erosas líneas de aproxim ación. Uno de los parám etros de evaluación de las s olucio nes de vivienda es la comodidad. termofisiológica, pero debido. a diferencias. contextuales,. los. parám etros de clasificación deben reevaluars e y para proponer s oluciones , debe empezarse por cons umar las neces idades bás icas insatis fechas . En es te s entido, cualquier m ejora es beneficiosa y por es o los resultados de es te proyecto, una vez tengan repercusión s obre los dis eños de vivienda, contribuirán a es ta tarea. En es te trabajo s e analizaron las variaciones s obre diversos parámetros de las vi viendas y s e identificaron fenómenos que contribuyen a la inferencia del comportamiento de otras viviendas sometidas a condiciones s imilares. Las alternativas. propues tas. presentan reducciones significativas del rango de. variabilidad diaria y ligeras disminuciones de la temperatura media, evidenciando que s e debe buscar la es tabilidad de tem peratura m ediante sis tem as pas ivos, pero que la obtención de la com odidad es tá s ujeta a la adopción de s is temas activos . Algunas de ellas acarrean cos tos , mientras que otras s uponen cambios m enores de dis eño, con cos tos marginales frente a la m agnitud del proyecto.. 2.

(18) 1. OBJ ETIV OS. 1.1.. OBJ ETIV O GENERAL. Analizar la res pues ta térm ica de la vivienda propuesta, identificar problem as , realizar variaciones sobre los dis eños prelim inares , evaluar s u des em peño y s ugerir alternativas .. 1.2. •. OBJ ETIV OS ESP ECÍFICOS. Des arrollar un método de trabajo para s im ular la respuesta de viviendas en bajas latitudes .. •. Des arrollar un m odelo simplificado para obtener la dis tribución de temperaturas en la vivienda modelo, de acuerdo a las condiciones de entrada, e inferir la res pues ta entre viviendas de un mismo bloque.. •. Elegir s ecciones críticas de es tudio, repres entativas de la totalidad de la casa y relevantes para el es tudio de la habitabilidad. Determinar en ellas el aporte de cargas , el efecto de las infiltraciones , de la orientación e identificar problem as asociados .. •. Proponer alternativas y evaluar s u des empeño. Hacer sugerencias s obre los diseños prelim inares , mediante la identificación de configuraciones favorables.. •. Establecer lineam ientos para la realización de protocolos y m étodos de diseño y anális is.. 3.

(19) 2. MARCO TEÓRICO. 2.1.. GENERALIDADES. Los ciclos naturales rigen los cam bios climáticos desde hace millones de años , pero en el poco tiempo sobre el planeta, el hombre ha perturbado el equilibrio dinámico de la naturaleza. No existe consens o sobre el grado de culpabilidad, pero es evidente que la pobreza, el m ayor problem a hum ano, aún persis te. Los pobres del mundo s on 79 veces más vulnerables que las pers onas de país es desarrollados , y junto con las futuras generaciones res ponderán por la deuda 6. ambiental que hoy s e acum ula . En es te s entido, alcanzar un punto de no retorno es una condena para todos los s eres vivos , porque s ólo exis te una atmós fera. No bas ta con frenar el cambio clim ático, es necesario revertirlo. Encarado adecuadamente, representa una oportunidad invaluable de desarrollo para país es emergentes . Por eso, Convive III: concurs o nacional univers itario de hábitat 7. urbano y rural para La Mojana , s e aproxima al problema del déficit de vivienda, que para 2007 s e estim a en 1 m illón de hogares en déficit cuantitativo y 1,7 m illones en cualitativo8. En es te concurso s e adopta “una política integral de hábitat que garantice los derechos fundamentales de los ciudadanos y contribuya 9. a la inclusión social, la equidad y la erradicación de la pobreza” . Uno de es tos 10. derechos es el de la vivienda digna , el cual s ólo s e cubre de m anera progresiva por parte del Estado y por lo tanto debe com plementarse desde frentes privados . Este trabajo, contribuye a la form ación de una solución integral de vivienda desde el punto de vis ta de la respuesta térmica esperada a partir de los diseños previos . 6. (PNUD 2007) Véase www.revistaescala.com 8 Documento de cie rre de talleres, Mesa VIS, mayo de 2007 9 Bases del concurso Convive III. Tomado de www.revistaescala.com 10 Constitución Política de Colombia. Artículo 51 7. 4.

(20) 2.2.. FENÓMENOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN EDIFICACIONES. Exis ten tres m odos de trans ferencia de calor: conducción, convección y radiación. En cualquiera de ellos se requiere la exis tencia de una diferencia de temperatura y 11. s iem pre se transfiere del medio de mayor tem peratura al de m enor temperatura . Conducción: “trans ferencia de energía de las partículas m ás energéticas de una s ustancia hacia las adyacentes m enos. energéticas ,. com o. res ultado de. interacciones entre es as partículas ... puede tener lugar en los s ólidos, líquidos o 12. gases ” . Se describe mediante la ley de Fourier de la conducció n del calor.. Convección: “trans ferencia de energía entre una superficie s ólida y el líquido o gas 13. adyacentes que es tán en movimiento” . Puede s er forzada, s i m edios activos externos forzan el m ovim iento del fluido, o natural si las fuerzas de empuje, producto de la variación de la densidad con la temperatura, caus an el movimiento del fluido. Se describe mediante la ley de Newton del enfriamiento. ∆ Radiación: “energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones ) como res ultado de los cam bios en las configuraciones electrónicas de los 14. átomos o m oléculas ... no requiere la presencia de un medio interventor” . Mediante es te mecanism o s e trans fiere energía del Sol a la Tierra. CONFORT: El confort es im portante al interior de las edificaciones . Una persona se siente m ás cómoda si su cuerpo s e encuentra en balance térm ico con el ambiente. Los factores am bientales que afectan el balance térm ico de una persona y por tanto el 11. (Çengel 2007) p17 Ibíd. p17 13 Ibíd. p27 14 Ibíd. p27 12. 5.

(21) confort son: la temperatura de bulbo s eco, la hum edad, la velocidad relativa del 15. aire y la tem peratura de las superficies cercanas . Además , s on determ inantes el 16. tipo de actividad que s e realiza y la cantidad de ropa que s e viste . INFILTRACIONES: Cualquier edificación pres enta algún tipo de es cape o infiltración de aire, el cual repres enta gran parte de las cargas de enfriamiento o de calentamiento. Puede s er resultado de la diferencia es tática de presiones o de la introm is ión del viento. Para es tim ar los valores de infiltraciones exis ten varios m étodos . Un método cons is te en es tim ar de acuerdo a las caracterís ticas de ventanas, puertas y paredes y según las diferencias entre la presión interna y externa, pero requie re la determ inación precis a de és tos factores . Otro método es el de cambios de aire por hora (ACH), el cual es un método empírico, basado en la experiencia, y es el 17. usado en es te proyecto . GAN ANCIAS TÉR MIC AS INTERNAS: Las personas , la ilum inación artificial y los equipos eléctricos s on las principales cargas térm icas internas en una edificación. Dependiendo de la actividad, varía la tasa de trans ferencia de calor de las pers onas . Dependiendo del us o y del tipo de elem ento, aumentan las ganancias producto de la iluminación artificial o de los equipos eléctricos .. 2.3.. PARTICULARIDADES. ASHRAE es una ins titución norteamericana que realiza es tudios en regiones de alta latitud. Sin em bargo, la región de im plem entación del proyecto es una región. 15. (McQuiston 2 005) p86 Consúltese el estándar ASHRAE 55‐1992, para más información sobre escalas de conf ort. 17 (McQuiston 2 005) p160‐ 161. En este libro se explica con detalle cada método. 16. 6.

(22) de baja latitud, clim a tropical y gran variabilidad climática diaria, donde no exis ten ni s e bus can condiciones de herm etismo y donde el cambio cultural y de costumbres contraviene a los preceptos conocidos de confort térm ico y ocupación domés tica. El proyecto SOLERAS. 18. es uno de los antecedentes m ás cercanos ,. pero no se conocen proyectos sim ilares , diferentes a algunas tes is en la Universidad de los Andes , enunciadas en la bibliografía. Con respecto al confort, se recomienda el capitulo de 2.9. de (IDEAM 2, 2005), que sugiere adaptaciones de la fórmula de Leonardo Hill y Morikofer al contexto colom biano y pres enta una clasificación según la región. La región caribe s e clas ifica como incómodamente caluros a.. 2.4.. ANALOGÍA ELÉCTRICA DE LOS S ISTEM AS TÉRMICOS. Los s is temas hidráulicos , m ecánicos y térm icos pueden modelars e mediante la analogía de circuitos eléctricos y manipularse con m étodos conocidos para la 19. resolución de circuitos lineales . Deben identificars e correctamente las variables deflujo, de nivel y los elem entos del circuito. En el cas o de circuitos térm icos , no exis te un elem ento amortiguador. El cuadro 2.1. mues tra las equivalencias. 20. Cuadro 2.1. Analogía eléctrica de s istem as térm icos Variable eléctrica. Variable térmica. Variable de nivel. ∆V. ∆T. Variable de flujo. I. Q. Elem ento dis ipador. R. k*A/d ó h*A. Elem ento de almacenaje. C. m*Cp. Elem ento amortiguador. L. N.D.. 18. (SOLERAS 1984) Véase (Navas 2001) y (DeCarlo 2001) 20 Véase (Çengel 2007) y ( Navas 2001) para mayor información 19. 7. Res is tencia Inercia térm ica.

(23) 3. MÉTODO En es te capítulo se describe la elección del software, de las condiciones climáticas de análisis , de las especificaciones geométricas y de cargas y escenarios de anális is .. 3.1.. ELECCIÓN DEL SOFTWARE Y CAP ACIDAD. HvacLoadExplorer Version 1.1.0 & 1.1.3 Developed by Vivek Dalvi and Anand Iyer Solver by C. O. Pedersen and As sociates Advis ed by Dr. Jeffrey Spitler and Dr. Ronald Delahoussaye Oklahom a State Univers ity El s oftware emplea la analogía de circuitos eléctricos para el cálculo de la respues ta térm ica de un s is tema. Las condiciones clim áticas y las cargas térmicas s on la función de entrada al circuito, la geometría y m ateriales de la cas a repres entan el circuito equivalente y las temperaturas de los com partim ientos son las salidas . Existen s alidas adicionales , com o las cargas de enfriam iento, que podrían utilizars e para la cuantificación de los cambios en la trans ferencia de calor con la incorporación de s is temas pasivos , pero es capan del alcance del proyecto.. Esquem a 3.1 Funcionam iento del s oftware. 8.

(24) El edificio s e interpreta como un conjunto de elementos subordinados . La jerarquía que los rige es : sis tem a / edificio / zona / compartim iento / elem ento del compartimiento. És ta facilita la cons trucción digital del edificio y la posterior variación de parámetros s obre elementos es pecíficos , ya s ean partes cons titutivas del edificio o cargas , sin necesidad de construir de nuevo el complejo. Es necesario s implificar la geometría y res tringir las partes móviles de la cas a a un es tado estático perm anente. No es pos ible as ignar m últiples zonas de contacto o elaborar paredes compues tas en dirección dis tinta a la de la transferencia de calor, con excepción de la inclus ión de ventanas . Tam poco s e permite program ar la apertura y el cierre de ventanas o puertas y por es o las puertas internas deben cons iderars e cerradas . Com o todo s oftware, presenta problem as de dis cretización de variables continuas que afectan tanto las entradas como los cálculos y las s alidas: s ólo se permiten excitaciones es calonadas para la tem peratura y las cargas y los resultados s e discretizan por horas . El m odelo de parámetros concentrados s upone hom ogeneidad de la tem peratura al interior de cada com partimiento y por lo tanto, en la as ignación de cargas térmicas de iluminación artificial, personas o equipos eléctricos se cons idera el compartimiento pero no la localización es pecífica de és tas al interior de cada uno. HvacLoadExplorer es por lo tanto una herram ienta s encilla de res ultados comprobados para altas latitudes y de fácil m anipulación, pero exige sim plificación de la geometría y dis cretización de las variables. Carece de una representación gráfica que compruebe el correcto ensam blaje del edificio, ya sea un modelo 3D, un plano o un circuito equivalente. Para evitar errores de iteración, se recomienda compilar varias veces antes de extraer datos del programa: dos o tres compilaciones sobre el edificio bas tan para obtener cam bios des preciables .. 9.

(25) Finalm ente s e aconseja observar los cambios relativos de la temperatura y no s us valores absolutos porque se trata de un ejercicio en una región de baja latitud y 21. gran variabilidad clim ática diaria , donde has ta ahora s e han realizado pocos 22. es tudios con es te software .. 3.1.1. Alternativas Exis ten alternativas con ventajas y des ventajas con res pecto a HvacLoadExplorer. La prim era de ellas es el desarrollo de un código de programación propio, el cual es capa del alcance de un proyecto de grado sem es tral, pues supone tanto s u desarrollo como su verificación y calibración. El paquete térmico de ANSYS es una herramienta poderosa de res ultados comprobados y precis os , pero requiere la introducción exacta del m odelo CAD y puede presentar dificultades para geom etrías complejas , debido al desborde de la capacidad de memoria del com putador. Las variaciones s e realizan directamente s obre el modelo CAD y retrasan el es tudio de s ensibilidad deseado. Finalm ente es un software pesado, con grandes requerimientos de hardware y puede tardar horas o días en la res olución de una condición particular. Se recom endaría su us o cuando exis ta certeza de la geom etría definitiva de la cas a, de las propiedades de los m ateriales de cons trucción y de las condiciones climáticas , para la verificación de las conclus iones que de es te proyecto deriven y la determ inació n de otros parám etros relevantes para el confort, como la hum edad relativa. No obstante, es to permanece fuera del alcance de es te proyecto.. 21 22. Véase sección 3.2. Consúltese el manual de l software para mayores de talles sobre su capacidad.. 10.

(26) 3.2.. ELECCIÓN DE LAS CONDICIONES CLIM ÁTICAS DE ANÁLISIS. La tem peratura en San Marcos mues tra ligeras variaciones anuales. Las temperaturas más altas se regis tran en marzo y las más bajas en s eptiem bre. Éstas coinciden con el ciclo de precipitaciones en la región y mues tran diferencias de 1,7°C en tem peratura media máxima, 1,6°C en media y 0,1°C en media m ínima. Las condiciones am bientales de las es taciones de Montería y Corozal, a m enos de 80 Km , pres entan un com portamiento s im ilar: bajas precipitaciones de diciembre a m arzo (<40 mm ), aumento vertiginos o en los m eses s iguientes (ca. 200 mm) y un m áxim o en s eptiem bre y octubre (260 mm). Se as emejan tanto en la form a de la distribución como en los valores de tem peratura m edia m áxima (32,8°C), media m ínima (22,9°C), y m edia (28,4°C), con variaciones inferiores a 1°C (figura 3.1). De acuerdo a esto, el rango diario de variabilidad clim ática, es decir, la diferencia entre la tem peratura m edia m áxima y m edia m ínima es 9,9°C para San Marcos .. Figura 3.1. Climadiagrama para San Marcos. 23. (IDEAM 2 2005). 11. 23.

(27) Entre es tos lugares no exis ten accidentes geográficos con elevaciones s uperiores a 500 msnm y tam poco variaciones mayores a este valor (figura 3.2). La cordillera central s e encuentra aproxim adam ente 100 kilóm etros al s udeste de San Marcos y por lo tanto, s e des precian s us efectos s obre la estim ación de la dirección predominante del viento en el m unicipio. Tanto esta variable como la velocidad del viento s e es tim an m ediante interpolación con los datos dis ponibles para las dem ás es taciones .. Figura 3.2. Mapa Fís ico de Colombia – Periferia de San Marcos. 24. La velocidad promedio del viento en el prim er s em es tre del año es superior a la del s egundo semes tre en aproxim adam ente 1 m /s. Con valores prom edio entre 1,5. 24. (IDEAM 2 2005).. 12.

(28) y 3,5 m /s clasifica en la es cala 2 de la fuerza del viento según Beaufort25. Aquel es un valor promedio, pero para el anális is s e cons idera una condición cons tante m ás 26. s evera, equivalente a 4 m /s , la cual clasifica dentro del siguiente es calafón y s e elige como cas o dis tinguido entre el rango de velocidades existentes . La dirección predominante del viento es 130° en sentido horario respecto del norte. Los valores de hum edad relativa s on 72,8% en marzo y 80,6% en s eptiem bre. Al relacionarlos con los valores de tem peratura m áxima media en la carta psicrom étrica, se obtienen tem peraturas de bulbo húmedo de 23,5°C y 23°C 27. respectivamente . Com o periodo de trabajo s e es coge m arzo, porque registra baja precipitación y la m ayor temperatura media del año. Alternativam ente podría elegirs e s eptiem bre, cuando la humedad relativa es máxim a y la tem peratura tam bién es elevada. Sin embargo, las bajas precipitaciones en marzo garantizan niveles de brillo s olar s uperiores y de nubosidad inferiores a los de s eptiem bre y a pes ar de la dism inución de la humedad relativa, la temperatura de bulbo húm edo es superior en m arzo y repres enta una condición clim ática m ás crítica. Nótese que las temperaturas máxim as se regis tran a las 15:00 (gráfica 3.1). En m arzo, la temperatura fluctúa entre 20,8 y 36,6°C en valores promedio horarios . 28. El m unicip io s e ubica en una planicie aluvial . El s uelo es de clim a cálido y 29. húmedo y s e clas ifica com o isohip ertérmico , es decir, presenta variaciones anuales de tem peratura menores a 3°C y tem peratura media entre 22°C y 29°C. Para el análisis se us a 26°C com o temperatura del s uelo a 45 cm de profundidad. 25. Velocidad promedio 2,4 m/s. Brisa muy débil; se s iente e l viento en la cara, las hojas de los árboles se mueven; las veletas giran le ntamente. (IDEAM 2 2005). 26 Brisa débil; las hojas y las ramas pequeñas se mueven constantemente; el viento despliega las banderas. (IDEAM 2 2005). 27 Carta psicrométrica 28 (IGAC 2003). 29 (IGAC 2003), (Soil Taxonomy 1975).. 13.

(29) Este valor s e utiliza para calcular la respues ta térm ica de la cas a, especialmente en la planta baja, la cual transfiere energía en forma de calor al suelo.. Gráfica 3.1. Temperatura Media para San Marcos 40 38 36. T(°C). 34 32 30 28 26 24. Marzo Septiembre. 22 20. 30. 3. 6. 9. 12 hora. Datos tabulados. Véase anexo 1.. 14. 15. 18. 21. 24 30.

(30) 3.3.. ESP ECIFICACIONES GEOM ÉTRICAS Y CONDICIONES DE CARGA. 3.3.1. Elección de la orientación del modelo De acuerdo al plan de urbanización, s e cons truirá inicialm ente la agrupación 1 cuya orientación predominante la determ inan bloques de cas as a 30° y 210° con respecto al norte y en sentido horario31. Para las s imulaciones se elige la primera orientación.. 3.3.2. Simplificación de la geometría Com o modelo des criptivo de fenómenos naturales, el s oftware presenta limitaciones en su us o. És tas exigen s implificaciones de la geometría, cons ignadas en el diagrama 3.1. La s implificación es un arma de doble filo, porque implica errores en la determ in ación de la temperatura, producto de la reducción de parám etros , pero as í mismo facilita la identificación de los factores que contribuyen s ignificativam ente a la res pues ta térm ica de la cas a. En es ta s e ignoran componentes de la cas a como elementos es tructurales o de ins talaciones hidrosanitarias . El diagrama 3.1.a presenta la vis ta de planta de P1 y P2 para el modelo s imétrico y el m odelo completo del bloque de casas . Se des ea trabajar con el modelo s imétrico, que sólo incluye una casa, para facilitar las modificaciones y reducir el número de s ecciones necesarias para inferir la respues ta de la cas a. El diagram a 3.1.b m ues tra la vis ta de perfil, válida para am bos m odelos32.. 31 32. Véase anexo 2. Compárese con los planos, anexo 3. El subíndice (*) identifica las secciones de la casa E.. 15.

(31) a) Vis ta de planta. b) Vis ta de perfil. Diagram a 3.1. Especificaciones de zonas y com partimientos Omitiendo columnas y parales, el espes or de las paredes en madera es 2 cm . La m adera dis ponible en la zona durante la ejecución de la obra s erá el m aterial definitivo de cons trucción. Por lo tanto, existe incertidum bre s obre las propiedades del m aterial. Ante la am plia gama de m aderas y la variabilidad de s us 33. propiedades s e as umen los siguientes valores típicos para propósitos de estudio: Cp (J/Kg K) k (W/m K). ρ (Kg/m ³). 2,51. 592. 0,12. Los m uros en bloque de concreto es tructural de 30 cm x 15 cm s on huecos y 34. pres entan las s iguientes propiedades : Cp (J/Kg K) k (W/m K). ρ (Kg/m ³). 1,05. 944. 33 34. 0,21. Véase anexo 4 pa ra propiedades de algunos tipos de maderas. Véase anexo 4 pa ra propiedades de algunos materiales de construcción.. 16.

(32) Nótes e que la dens idad del concreto es 2370 Kg/m³. En es te caso, el valor de 944 Kg/m ³ corres ponde al concreto con aire en s u interior, al igual que el de las dem ás 35. propiedades . La dis tribución de cada tipo de pared la mues tra el diagram a 3.2 .. Diagram a 3.2. Tipos de paredes La casa se eleva 60 cm s obre el suelo. Se apoya sobre zapatas de cimentación que soportan las columnas , pero que s e desprecian en el análisis de trans ferencia 36. de calor . La interfaz entre P1 y P2 cons ta de un s istema de vigas que com pleta 30 cm de altura y se recubre únicamente por el piso de madera de 2 cm de espes or. Se cons idera toda la trans ferencia de calor a través de la capa de madera. En P2 exis ten techos inclinados . Los cam bios de altura en los com partim ientos s e cons ideran en la definición de la habitación térmica (cuadro 3.1). El software calcula la m as a de aire mediante el producto del área del pis o y la altura del compartimiento, por lo tanto s e emplea com o valor único de la altura el valor 35 36. Para mayores de talles sobre la distribución de las paredes véase anexo 3. Para más inf ormación consúltese anexo 3.. 17.

(33) prom edio en la res pectiva habitación. Se des precia el volum en ocupado por m uebles y personas . Igualmente s e cons idera la inclinación del techo, 19° para H2 37. y 27° para el resto de com partimientos de P2 . Cuadro 3.1. Altura de los compartim ie ntos . P1. P2. Compartimiento Altura (m ) Com partimiento Altura (m ) H1. 2.5. H2. 3. C. 2.5. H4. 3.5. L. 2.5. H3. 3.5. E1. 2.5. Hall. 4. E2. 4. Se cons ideran tres tipos de ventanas y un tipo de puerta exterior. La dis tribución 38. de ventanas y puertas exteriores se aprecia en el diagrama 3.3 . Los datos relevantes para el software s e res umen en el cuadro 3.2.. Diagrama 3.3. Localización de puertas y ventanas. 37. 39. Véase anexo 3. Para más inf ormación consúltese anexo 3. 39 Los puntos cardinales son rela tivos al bloque de casas y no coinciden con la orie ntación final, como se observa en el diagrama 3.1.a. 38. 18.

(34) Cuadro 3.2. Es pecificaciones de ventanas . Tipo Área unitaria. Ventanas. Puertas. Ancho de. Dis tancia al marco de la ventana. (m ²). s aliente (m ). (m ). V1. 0.66. 0.75. 0.05. V2. 0.1. 0. 0.05. V3. 0.66. 0. 0.05. PV1. 1.1. 0. 0. PC1. 3.6. 0. 0. 3.3.3. Condiciones de frontera y otros parámetros del software En "Special Boundary Conditions" s e ingresan las tem peraturas prom edio horarias 40. para el periodo correspondiente . Para el edificio s e selecciona "Cooling Load Calculation" y para cada zona la condición "Free Floating Zone". Con es tos parám etros s e calculan las temperaturas de cada com partim iento en ausencia de acondicionam iento y bas adas en la interacción con las condiciones de frontera. Cada bloque de cas as s e distancia aproximadamente 2 m del siguiente. Por es ta razón, las paredes laterales externas se condicionan como TSS, es decir, en és tas el bloque de casas contiguo funciona como barrera contra las ganancias s olares directas y contra la incidencia directa del viento. En la planificación del proyecto no s e aprecian obstáculos cercanos adicionales , por lo tanto se condicionan las paredes externas N y S com o TOS (diagrama 3.4). Igualm ente para los techos de P2 rige la condición TOS. Los pis os de P1 s e s om eten a la condición de frontera TG y el res to de paredes , pis os y techos internos as um en la condición TIZ, verificando la conexión con el com partimiento corres pondiente.. 40. Véase anexo 1.. 19.

(35) Con la condición TIZ se conecta una pared de una s ección a otra sección única. En el caso de com partirs e una pared con dos compartim ientos distintos , debe conectarse la pared con aquella s ección con la que m ayor trans ferencia de calor efectúe. Es ta es una aproxim ación obligatoria producto de lim itaciones del s oftware. Se recom ienda trabajar con s ecciones con poca incertidumbre respecto a la zona con la que intercambian energía. Para corregir errores producto de la as ig nación única de cada pared a una s ección, podría des com poners e una sección en varias con m últiples paredes , condicionando las s ubsecciones a la mism a tem peratura y validando los resultados. Es ta evaluación es capa del alcance del proyecto. En el anális is s imétrico, se selecciona la condición TA para las paredes del eje de s imetría.. 41. Diagram a 3.4. Condicio nes de frontera .. 41. No incluye pisos ni te chos.. 20.

(36) 3.3.4. Elección de cargas y escenarios de análisis Localización: 8,4° de latitud norte y 74° de longitud. GMT -5. San Marcos , Sucre, 42. Colombia . Cuadro 3.3. Parám etros de entrada al program a. Parám etros Rango Diario. Valores Unidades. TBS. 38. °C. Daily Range. 9,9. °C. TBH. 23,5. °C. 28. °C. Tem peratura del s uelo Ground T Clearness Reflectividad del s uelo Ground Reflectivity Presión atm osférica. Atm. Pressure. Dirección del viento. Wind dir.. Rapidez del viento. Wind speed. 1 0,2 99,08 43. KPa. 130. °. 4. m /s. En es te caso, TBS es la tem peratura máxima adm isible, correspondiente a T 0,996 de la dis tribución Z, o a T 0,996, obtenida al enlis tar los valores horarios m edios de tem peratura anual. En el cuadro 3.4 se pres entan los valores de T corres pondientes a la dis tribución normal Z y al enlis tamiento antes mencionados . 44. No se puede as umir la dis tribución de tem peratura como norm al. y tampoco. puede elegirse com o temperatura máxima admisible 36,6 °C, por tratarse de un valor de tem peratura media horario. Por falta de especificaciones y por los problem as mencionados s e elige un valor intermedio entre am bos criterios (38°C), 45. corres pondiente al valor T0,990 de la dis tribución Z es tándar . 42. Google Earth, www.sanmarcos‐sucre.gov.co recuperado el 2 de fe bre ro de 2009. 130° equivalen a decir desde los 40°. El cambio se debe a notación del s oftware. 44 Esto re quie re profundización de l análisis estadístico, el cual es capa del alcance del proyecto. 45 Valores obtenidos de las funciones de Microsoft Excel 2007. Para consultar la elección de otros parámetros, refiérase a la sección 3.2. 43. 21.

(37) Cuadro 3.4. Temperatura m áxim a admis ible. Tem peratura Dis tribución Z Promedio. 28,0. °C. Des viación. 4,31. °C. 99,6%. 39,5. °C. 99,0%. 38,0. °C. Lis ta T0.996. 3.3.4.1.. 36,6. °C. Infiltraciones. El cuadro 3.5 pres enta los escenarios utilizados . Bajo E0 s e evalúa la res pues ta de caja negra de la cas a, es decir, la respues ta s in cargas y con hermetism o (infiltraciones nulas ). E4 sigue es trictamente el criterio ASHRAE. 46. (cuadro 3.6),. aplicado a la geometría es pecificada en el diagrama 3.3. En E1, E2 y E3, s e varían los parámetros recom endados por el criterio, porque existe incertidum bre s obre los valores reales de infiltraciones. Cuadro 3.5. a) Es cenarios de infiltraciones para P1. Valores en ACH.. 46. E0. E1. E2. E3. E4. H1. 0. 2. 2,5. 1,5. 1,5. C. 0. 2. 2,5. 2. 1,5. L. 0. 1. 1. 0,5. 0,5. E1. 0. 1. 1. 0,5. 0,5. (ASHRAE 1979). 22.

(38) b) Es cenarios de infiltraciones para P2. Valores en ACH. E0. E1. E2. E3. E4. H2. 0. 2. 2. 1,5. 1. H4. 0. 2. 2,5. 2. 2. H3. 0. 2. 2. 1,5. 1. Hall. 0. 1. 1. 0,5. 0,5. E2. 0. 1. 1. 0,5. 0,5 47. Cuadro 3.6 - Parám etros para elección del nivel de infiltraciones . ACH. Condición No windows or exterior doors. Sin ventanas o puertas exteriores 0,5. Windows or exterior doors on Ventanas o puertas exteriores en one s ide. una cara. 1. Windows or exterior doors on Ventanas o puertas exteriores en two s ides. dos caras. 1,5. Windows or exterior doors on Ventanas o puertas exteriores en three sides. tres caras. 2. Entrance halls. Hall de entrada. 2. Las variaciones tienden al aumento del nivel de infiltraciones. en cada. compartimiento, como cons ecuencia de la pobre herm eticidad y la gran ventilación 48. de la casa . En E2 s e exagera aún m ás el valor de las infiltraciones por factores culturales, asociados a la preferencia de apertura dom és tica de los habitantes de la región. Se realizan mayores variaciones sobre los compartimientos m ás repres entativos y de mayor tamaño, con el propósito de evaluar la s ens ibilidad de 49. és tos a los cambios con mayor detalle (véas e gráfica 3.2) . Por ejem plo, los es cenarios E3 y E4 s e diferencian en el aum ento en 0,5 ACH en C, H2 y H3, 47. (ASHRAE 1979). Consúltense los planos, anexo 3. 49 E0 se omite. Infiltraciones nulas. 48. 23.

(39) m ientras que los valores de infiltraciones perm anecen cons tantes para el resto de s ecciones. Se asum e un valor constante de infiltraciones en cada com partimiento para todo el día. No s e programa un horario de infiltraciones , porque se des conoce s u comportamiento diario y la determ inación de los valores horarios de infiltraciones es capa del alcance del proyecto. El orden de es cenarios , del menos perm isivo al m ás permis ivo en cuanto a infiltraciones es : E0, E4, E3, E1 y E2.. Gráfica 3.2. Escenarios de infiltraciones 2.5 E1 E2 E3. 2. E4. ACH. 1.5. 1. 0.5. 0. 1 1.H1. 2 2.C. 3 3.L. 4 4.E1. 5 5.H2. 24. 6 6.H4. 7 7.H3. 8 9 8.Hall 9.E2.

(40) 3.3.4.2.. Iluminación artificial, personas y equipos. A continuación se presentan los horarios de ocupación de la vivienda. Se toman como referencia tres situaciones de ocupación cada 24 horas en días hábiles y variaciones s obre és tas. 23:00 a 07:00 -Todas las personas en la casa, en s us habitaciones 07:00 a 15:00 -Quienes salen de la casa, perm anecen por fuera. 15:00 a 23:00-Todas las pers onas en casa, predominantemente en áreas s ociales .. 3.3.4.2.1. Iluminación artificial Cuadro 3.7. Horario de ilum inación artificial. Es tado. Horas. Jus tificación. Apagado. 23:00-05:00. Tiempo de repos o. Encendido. 05:00-08:00. Inicio de actividades diarias. Apagado. 08:00-17:00. Abundancia de luz natural. Encendido. 17:00-23:00. Otras actividades. Los horarios. propuestos en el cuadro 3.7 s on válidos para todos los. compartimientos excepto para Hall, E1 y E2. En es tos últimos no s e asumen ganancias energéticas. por concepto de iluminación artificial porque s u. comportamiento de encendido es aleatorio y sólo s e utilizan brevem ente en actividades. de tránsito.. Es. posible dejar. la. luz encendida, pero es te. comportamiento negligente se ignora en la s imulación. Por la m isma razón s e excluyen cargas de pers onas en esos com partimientos50.. 50. Véase anexo 5 pa ra detalles sobre horarios de ilum inación y las ganancias térmicas asociadas.. 25.

(41) 3.3.4.2.2. Personas La gráfica 3.3 mues tra la ocupación de la casa. Se pres entan tres picos de ocupación corres pondie ntes a los momentos de alim entación. La gráfica 3.3.a m ues tra la ocupación neta de la cas a, gráfica 3.3.b la de áreas s ociales , incluyendo H4 (habitación y es tudio) com o área s ocial, y gráfica 3.3.c la de las habitaciones restantes y el baño. Para todas las gráficas , la hora m arcada corres ponde a la de finalización. Ej, 03:00 repres enta el intervalo de 2 a 3 am. Se as um e una ocupación de dos pers onas por habitación de 23:00 a 07:00. En total hay ocho (8) pers onas durmiendo durante es te periodo. H1, H2 y H3 s e s ometen al mismo horario de ocupación. Para C s e as umen mayores valores en los m omentos de alimentación (des ayuno, almuerzo y comida) y para H4 s e cons idera s u doble función de es tudio y habitació n en la asignación de valores . Para L se as ume una ocupación cons tante baja, como medida com pens atoria de la aleatoriedad de és ta. El promedio ponderado de ocupación de la vivienda es 6,6 pers onas cada hora. Se cons idera indiferente el género, la edad o el pes o en la asignación de valores de ganancias térmicas as ociadas al metabolismo51. 51. Véase anexo 5 pa ra detalles sobre la distribución de personas y las ganancias térmicas asociadas.. 26.

(42) Gráfica 3.3. a) Ocupación de la casa 14. L H1 H2 H3 C. 12. Personas. 10 8. H4. 6 4 2 0. 0. 6. 12 hora. 18. 24. Gráfica 3.3. b) Oc upación de áreas sociales 10. C. 9. H4. 8. Personas. 7 6 5 4 3 2 1 0. 0. 6. 12 hora. 18. 27. 24.

(43) Gráfic a 3.3. c) Ocupación de habitaciones 7. L H1 H2 H3. 6. Personas. 5 4 3 2 1 0. 0. 6. 12 hora. 18. 24. 3.3.4.2.3. Equipos eléctricos Solam ente se consideran equipos eléctricos ajenos a la ilum inación artificial en el 52. área de la cocina . Cuadro 3.8. Utilización de equipos eléctricos Equipo. Encendido 06:00-08:00. Des ayuno. Encendido 10:00-12:00. Alm uerzo. Encendido 17:00-19:00. Com ida. Apagado. 52. Horas. Otros momentos. Véase anexo 5 pa ra detalles sobre la distribución de personas y las ganancias térmicas asociadas.. 28.

(44) 4. RESULTADOS. En es te capítulo se describe el proces o de sim ulación y se analizan los res ultados obtenidos. En la prim era parte s e emplean dos es cenarios extrem os para validar los m odelos propues tos en la totalidad de los compartimientos . Pos teriorm ente s e efectúa un barrido de s imulaciones s obre las s ecciones críticas de anális is, con cargas internas y dis tintos escenarios de infiltraciones . Finalmente, se identifican problem as y s e evalúan tanto las alternativas como la s ensibilidad de la cas a a las m odificaciones propuestas .. 4.1.. ESTUDIO DEL MODELO COMPLETO Y SIM ÉTRICO. Para efectos de simplificación s e elige un análisis s im étrico. És te asum e comportamientos sim ilares en s ecciones equivalentes de las cas as (Ej, H1=H1*). Este no es el cas o real, porque las ganancias solares directas dependen de la 53. incidencia solar, que varía s egún la localización de la casa y la hora del día . Para validarlo se examinan las diferencias en el com portam iento entre las casas es te y oeste del m odelo com pleto y entre éstas y el m odelo s imétrico.. 4.1.1. Respuesta hermética del modelo completo La prim era s imulación se realiza s in cargas internas y bajo el escenario E0, el cual evalúa la res pues ta herm ética de la cas a. Se realiza un análisis diferencial de temperaturas entre las cas as es te y oes te en lugar de uno abs oluto.. 53. (Mazria 1983). 29.

(45) La gráfica 4.1.1 muestra las diferencias de temperatura entre las secciones equivalentes de las cas as . De noche, las temperaturas de compartimientos congruentes m ues tran valores sim ilares . Durante el día, las mayores diferencias s e pres entan en H1 y H2, que s on los com partim ientos con mayores s imetrías respecto a la pos ición del s ol, es decir, respecto a la radiación s olar directa. En és tos , la magnitud de los picos positivos es mayor que la de los negativos y podría concluirs e que la cas a E es m ás caliente que la casa W para la orientación de 30°54. El punto de equilibrio no ocurre al m edio día, s ino entre las 14:00 y 15:00, y evidencia que adem ás del sol, la temperatura exterior es determinante.. Gráfica 4.1.1. Casa E - W (E0) 15. H1-H1* C-C* L-L*. 10. E1-E1* H2-H2* H4-H4*. ∆ T(°C). 5. H3-H3* Hall-Hall* E2-E2*. 0. -5. -10. -15. 54. 3. 6. 9. 12 hora. 15. 18. Valores pos itivos indican mayor temperatura media en la casa E.. 30. 21. 24.

(46) A pes ar de tratars e de s ecciones adyacentes , el aislam ie nto efectivo del m uro de concreto que las s epara evita la compens ación de las diferencias de tem peratura. En H1* y H2*, la radiación s olar matutina aporta las ganancias que la tem peratura exterior no brinda, y en la tarde, la tem peratura exterior compensa las pérdidas producto de la baja incidencia directa del Sol. En H1 y H2 se pres enta el cas o contrario, haciendo m ás notoria la diferencia entre la m añana y la tarde. En otras palabras , las diferencias s e producen porque la temperatura en H1* y H2* aumenta más que la de H1 y H2 antes del medio día, y cuando és tos alcanzan s us valores máximos, H1* y H2* han acum ulado cierta inercia térmica que reduce la diferencia neta (véas e gráfica 4.1.2). Aunque la tem peratura m áxima es mayor para H1 y H2, la campana es más ancha para H1* y H2*, res ultando en m ayores temperaturas m edias en las s ecciones de la cas a E. En la gráfica 4.1.2 se evidencia la correlació n entre la evolución de las temperaturas interior y exterior, pero és ta no es el único factor determ inante. En general, los compartimientos de P2 son m ás calientes que los de P1, por concepto de las ganancias s olares directas a través de los techos y de la m ayor área de expos ición a la intemperie. No obs tante, s ecciones interiores de P2 pueden regis trar temperaturas menores que secciones de P1 en algún periodo, com o E2 y H1, pero es to es m ás una excepción que la regla.. 31.

(47) Gráfica 4.1.2 a) Evolución de las temperaturas para la c asa W (E0) 60. H1 C L E1 H2 H4 H3 Hall E2 temp. 55 50. T(°C). 45 40 35 30 25 20. 3. 6. 9. 12 hora. 15. 18. 21. 24. Gráfica 4.1.2 b) Evolución de las temperaturas para la casa E (E0) 60. H1* C* L* E1* H2* H4* H3* Hall* E2* temp. 55 50. T(°C). 45 40 35 30 25 20. 3. 6. 9. 12 hora. 15. 32. 18. 21. 24.

(48) La orientación de la casa tam bién influye en la evolución de la tem peratura interior. Las mayores temperaturas para H1* y H2* (cas a E) s e regis tran cerca del medio día, contrario a lo esperado para el res to de secciones de am bas casas , después de las 15:00. Las ventanas y puertas exteriores de H1* incrementan las ganancias s olares directas durante la mañana, especialm ente s obre la pared este. Por es to s e regis tra una tem peratura mayor en H1* que en H2*, que carece de aperturas en el lado este, hasta las 11:00. Por lo demás , no s e pres enta una tem peratura mayor en una s ección de P2 localizada directam ente s obre una de P1. En cuanto a valores máximos, medios y mínim os, las s ecciones corres pondientes de las casas m ues tran com portamientos similares , con diferencias medias 55. inferiores a 0,3 °C en todas las s ecciones excepto en H1 y H1* (gráfica 4.1.3) . La tem peratura m edia de H1* supera en 0,6°C la de H1, por los efectos de s imetría ya expues tos. C, H4 y E2 s on las secciones con mejor res pues ta comparativa porque presentan diferencias casi nulas . La evolución de la temperatura en C es la que imita con m ayor precisión la excitación de tem peratura exterior y, de manteners e este comportamiento para distintos es cenarios , podría utilizarse es ta similitud en un ejercicio de calibración. En C, L, H4 y H3 la temperatura de cualquier s ección es mayor en la cas a W que en s u contraparte en la casa E, pero las diferencias son des preciables (<0,1°C). En el resto de secciones se pres enta el com portam iento invers o, con m ayores diferencias (>0,1°C). Los valores de temperatura máxima s e regis tran en la cas a W, donde exis te mayor variabilidad, pero ponderadam ente, la tem peratura media es m ayor en la casa E.. 55. Valores pos itivos indican mayor temperatura media en la casa E.. 33.

(49) Gráfica 4.1.3 - Comparación de diferencias medias de temperatura. Casa W vs cas a E (E0). 0.7 0.6 0.5. ∆ T(°C). 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1.H1-H1* 2.C-C* 3.L-L* 4.E1-E1* 5.H2-H2* 6.H4-H4* 7.H3-H3* 8.Hall-Hall* 9.E2-E2*. En conclusión, es válido asumir comportamientos similares en las secciones congruentes de las casas pero deben considerarse las simetrías con respecto a la hora. La tem peratura m edia es m ayor en la cas a E, pero la cas a W pres enta mayor variabilidad diaria, lo cual da indicios de los efectos de la orientación s obre la magnitud y la forma de la evolución de la tem peratura en la casa.. 34.

(50) 4.1.2. Respuesta hermética del modelo simétrico Para cons iderar el modelo s imétrico com o aproxim ación válida del modelo completo, se compara la res pues ta de la casa W con la casa del m odelo s imétrico bajo condiciones idénticas . En la gráfica 4.1.4 s e m uestran las diferencias entre 56. las temperaturas de compartimientos equivalentes .. Gráfica 4.1. 4. Casa W vs Modelo Simétrico (E0) 1.5. ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆. 1. ∆ T(°C). 0.5. H1 C L E1 H2 H4 H3 Hall E2. 0. -0.5. -1. 6. 12 hora. 18. 24. H3 regis tra las m ayores variaciones de tem peratura con res pecto al modelo completo: -1 a 1°C. El res to de variaciones en los compartimientos permanece dentro del rango de -0,5 a 0,5°C. Con excepción de E2, las s ecciones del modelo s imétrico s on más calientes antes del m edio día y m ás frías durante la tarde con 56. Valores pos itivos indican tempe ratura mayor en el modelo simétrico. 35.

(51) respecto a las del m odelo com pleto. Las diferencias se acentúan en H1 y en la planta alta. El efecto es una ligera es tabilización de la temperatura en es as s ecciones, producto de la sim etría im pues ta por la condición TA, pero poco 57. s ignificativa debido al ais lamiento del m uro de concreto . C es el compartimiento m ás es table, en donde las variaciones son casi nulas para cualquier instante, debido a su m ayor inercia térmica y a la baja exposición a la radiación solar directa 58. (gráfica 4.1.5) . Gráfica 4.1.5. Casa - Modelo Simétrico (E0) 60. H1 C. 55. L E1 H2 H4. 50. H3 Hall E2 temp. T(°C). 45 40 35 30 25 20. 3. 6. 9. 12 hora. 15. 18. 21. 24. La form a de la curva de temperatura no pres enta diferencias significativas entre ambos modelos, pero también deben com parars e las diferencias m edias de temperatura, expues tas en la gráfica 4.1.659.. 57. Véanse diagramas 3.2 y 3.4. Compárese con gráfica 4.1.2.a) 59 Valores pos itivos indican tempe ratura mayor en el modelo simétrico 58. 36.

(52) Gráfica 4.1.6 - Comparación de diferencias medias de temperatura en modelo simétrico (E0). 0.4. ∆ T(°C). 0.3. 0.2. 0.1. 0. 1. ∆ H1 ∆ C. 2. 3. ∆ L. 4. ∆ E1. 5. ∆ H2. 6. ∆ H4. 7. ∆ H3. 8. ∆ Hall. 9. ∆ E2. Las diferencias son inferiores a 0,2 °C para todas las s ecciones excepto H3, Hall y E2. En H3, no obs tante, s u valor es 0,41°C y s e debe principalmente a diferencias nocturnas. Aunque las diferencias diurnas se reducen, no s e recom ie nda utilizar es te com partim iento com o referencia porque supone un cam bio mayor en la form a de la dis tribución. Las diferencias abs olutas en el res to de com partim ientos son despreciables (<0,2°C) y todos s on elegibles para enfocar el anális is . Ningún compartimiento tiene diferencia m edia de tem peratura negativa, es decir, en ninguno es m ayor la tem peratura media en el m odelo com pleto que en el s imétrico.. 37.

(53) En conclusión, es válido asumir comportamientos similares para la casa del modelo simétrico y la casa W, pero s e recomienda tratar con cautela los datos obtenidos de las s ecciones H3, Hall y E2. C es la sección de mejor res pues ta comparativa entre el modelo sim étrico y el com pleto y entre las casas del modelo completo. As í mism o, es la que mejor imita la forma de la tem peratura exterior y la m ayor diferencia s e debe a un des fase vertical y horizontal. Con el uso del. modelo simétrico se esperaría una ligera estabilización de las curvas de temperatura pero también mayores temperaturas medias. No obstante, los cambios con respecto al modelo completo son despreciables.. 4.1.3. Comportamiento del modelo en el rango de escenarios En los numerales anteriores se evaluó la respuesta bajo infiltraciones nulas . Para validar el modelo en los es cenarios propues tos, s e evalúa el otro extremo del rango, es decir, el es cenario de infiltraciones más permis ivo (E2), s iguiendo el algoritmo expuesto en los capítulos 4.1.1 y 4.1.2.. 4.1.3.1.. Modelo completo. La gráfica 4.1.7 m ues tra un comportam iento s imilar a la gráfica 4.1.1. El punto de equilibrio no cambia y las mayores diferencias s e pres entan en H1 y H2 pero con 60. m agnitudes pico 20% m enores , producto de la reducción de los valores de temperatura en pres encia de infiltraciones .. 60. Nótese que la reducción porce ntual es inde pendie nte de la escala, porque se trata de la reducción de diferencias de temperaturas.. 38.

(54) Gráfica 4.1.7. Casa E - W (E2). 15. H1-H1* C-C* L-L* E1-E1*. 10. H2-H2* H4-H4* H3-H3* Hall-Hall*. ∆ T(°C). 5. E2-E2* 0. -5. -10. 3. 6. 9. 12 hora. 15. 18. 21. 24. La gráfica 4.1.8 s e asem eja a la gráfica 4.1.2 en s u form a. No obs tante, la temperatura de todos los com partim ientos se reduce y aunque los valores dism inuyen s ignificativam ente en P2 (aprox. 5°C en valores pico) continúan siendo s uperiores a los de P1 (reducción de 2°C). No s e pres entan cam bios cualitativos s ignificativos .. 39.

(55) Gráfica 4.1.8 a) Evoluc ión de las temperaturas para la cas a W (E2) 55. H1 C L E1 H2 H4 H3 Hall E2 temp. 50 45. T(°C). 40 35. 30 25 20. 3. 6. 9. 12 hora. 15. 18. 21. 24. Gráfica 4.1.8 b) Evolución de las temperaturas para la casa E (E2) 55. H1 C L E1 H2 H4 H3 Hall E2 temp. 50. 45. T(°C). 40 35 30 25. 20. 3. 6. 9. 12 hora. 15. 40. 18. 21. 24.

(56) Las casas E y W m uestran diferencias m edias inferiores a 0,2 °C para todas las s ecciones excepto H1 (gráfica 4.1.9). El aum ento de infiltraciones reduce las diferencias entre H1 y H1*, desde 0,65 has ta 0,55°C, y el res to de las secciones también mues tra mejorías . En H3, s e invierte el orden de tem peratura de las casas , aunque las diferencias s on des preciables .. Gráfica 4.1.9. Comparación de diferencias medias de temperatura. Cas a W vs c asa E (E2) 0.7 E0 0.6 E2 0.5. ∆ T(°C). 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1.H1-H1* 2.C-C* 3.L-L* 4.E1-E1* 5.H2-H2* 6.H4-H4* 7.H3-H3* 8.Hall-Hall* 9.E2-E2*. En conclusión, el aumento de las infiltraciones no afecta negativamente el comportamiento relativo del bloque de casas e inclusive, reduce tanto los registros. pico. de. temperatura. como. las. diferencias. compartimientos correspondientes de las casas E y W.. 41. entre. los.

(57) 4.1.3.2.. Modelo simétrico. Ahora s e com para la cas a W del modelo completo con la del m odelo s imétrico bajo el escenario 2 de in filtraciones . La gráfica 4.1.10 mues tra las diferencias entre 61. las temperaturas de compartimientos equivalentes . H3 continúa con las mayores variaciones res pecto al modelo com pleto, pero el rango s e reduce des de -1 a 1°C, bajo E0, has ta -0,9 a 0,7°C, bajo E2 (véas e gráfica 4.1.4). En el resto de com partim ientos también se reduce el rango has ta 0,4 a 0,3°C (desde -0,6 a 0,4°C).. Gráfica 4.1.10. Casa W vs Modelo Simétrico (E2) 0.8. ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆. 0.6 0.4. ∆ T(°C). 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1. 61. 6. 12 hora. 18. Valores pos itivos indican tempe ratura mayor en el modelo simétrico. 42. 24. H1 C L E1 H2 H4 H3 Hall E2.

(58) A mayor nivel de infiltraciones s e pres enta m ayor sim ilitud entre las dis tribuciones de temperatura de los dos m odelos y s e reduce la temperatura de los compartimientos. Com párense las gráficas 4.1.8a) y 4.1.11.. Gráfica 4.1.11. Casa - Modelo Simétric o (E2) 55. H1 C. 50. L E1 H2 H4. 45. H3 Hall E2 temp. T(°C). 40. 35. 30. 25. 20. 3. 6. 9. 12 hora. 15. 18. 21. 24. En la gráfica 4.1.12 se expone la diferencia m edia de temperaturas entre ambos 62. m odelos bajo el es cenario 2 . Cualquier com partimiento del m odelo s imétrico continúa con temperatura media s uperior a la de su contraparte en el modelo completo. En todos los com partimientos , la pres encia de infiltraciones reduce las diferencias entre los modelos , y con excepción de H3, ahora todas son menores a 0,11°C. No obs tante, en H3 la diferencia tam bién s e reduce y su valor pasa de 0,41 a 0,15°C.. 62. Valores pos itivos indican tempe ratura mayor en el modelo simétrico. 43.

(59) Gráfic a 4.1.12. Comparación de diferencias medias de temperatura en modelo simétrico (E2) E0 E2. 0.4. ∆ T(°C). 0.3. 0.2. 0.1. 0. 1. 2 3 ∆ H1 ∆ C ∆ L. 4 5 6 7 ∆ E1 ∆ H2 ∆ H4 ∆ H3 ∆ Hall. 8. 9. ∆ E2. En conclusión, las infiltraciones reducen significativamente la diferencia media de temperatura entre las secciones congruentes de las casas del modelo completo y acercan las dis tribuciones de temperatura entre el m odelo s imétrico y la cas a W del modelo completo. Es válido asumir comportamientos similares para las. casas este y oeste del modelo completo, desde que se consideren las simetrías durante el día, y emplear el modelo simétrico como aproximación al modelo completo en el rango de infiltraciones especificado. Se esperan m ayores temperaturas en el modelo sim étrico, pero despreciables .. 44. las diferencias son.

(60) 4.1.4. Elección de secciones críticas de análisis Para s implificar el análisis , s e identifican las s ecciones con comportamiento crítico y/o representativo de la cas a. H1 y H2 regis tran las mayores tem peraturas , las campanas m ás angos tas y la m ayor variabilidad climática diaria. Por tratars e de habitaciones , s on relevantes para la com odidad y además , las s imetrías en ellas s on las más críticas . Cualquier m ejoría en H1 y H2 puede repres entar una mejoría en el comportamiento general de la cas a. C y H4 s on relevantes para la habitabilidad porque pres entan los picos de ocupación m ás elevados . Aunque tienen tem peraturas inferiores a H1 y H2, pres entan variabilidad s ignificativa, que debe ser objeto de estudio. C es la zona con res ultados más confiables, como lo dem ues tra la congruencia de s us valores para las cas as E, W y la casa s im étrica. H4 también mues tra niveles adecuados de confiabilidad. No exis te incertidumbre respecto a las conexiones de es tas s ecciones y s u com portam iento serviría de referencia para un eventual ejercicio de calibración. Hall, E1 y E2 s e descartan porque s on las secciones más pequeñas y no contribuyen s ignificativam ente a la habitabili dad de la vivienda. Adem ás , presentan errores por problem as asociados a la lim itación de la conectividad m últiple de los compartimientos. L también tiene área pequeña y es poco relevante para la habitabilidad de la vivienda. H3 s e des carta por la variabilidad con respecto al m odelo simétrico y porque pres enta un comportam iento menos s evero que H4 y H2, s ecciones ubicadas en la m isma planta. Se s omete al mism o horario de ocupación que H2 y com parte la in clinación del techo con H4, por lo cual s u respues ta podría inferirs e a partir de és tos .. 45.