Protección solar

En zonas cálidas se busca la mayor parte del año reducir la ganancia de energía o la eliminación de esta energía por algún medio. Para disminuir la ganancia de energía solar ^{Sghiouri et al. (2020)} realizan una comparativa de técnicas de enfriamiento pasivo encontrando una disminución de 65 % en la demanda de energía, entre las técnicas se encuentra el sombreado, la emisividad y absortividad de las superficies, así como aislamiento reflectivo. ^{Conceição y Lúcio (2010)} emplean diversos tipos de sombreados como estrategia para regular la radiación solar y de esta forma en complemento con estrategias activas, garantizar aceptables condiciones de confort con un mínimo de energía.

Masa térmica

En el trascurso del día se tienen oscilaciones de temperatura con un máximo en el día y un mínimo por la noche, esta variación es mayor para zonas secas dada la baja inercia térmica del aire en esas condiciones. Una manera de reducir esta oscilación en el interior de la edificación es retrasar la respuesta de los materiales de construcción, incrementando su inercia térmica. ^{Amaur et al. (2020)} realizan un estudio con EnergyPlus™ y GenOpt®, con el objetivo de encontrar el diseño óptimo entre el rendimiento térmico y la energía por iluminación, considerando principios de arquitectura bioclimática; entre las variables de diseño que utiliza se encuentra la colocación de aislamiento y el espesor de la masa térmica, que se definen para el caso óptimo con aislamiento en la parte externa y el mayor espesor de la masa térmica (30 cm) de las configuraciones analizadas. ^{Rodriguez et al. (2018)} analizan el desempeño térmico de un edificio de oficinas considerando diversos componentes constructivos como la cubierta, muro y acristalado disponibles comercialmente y sin modificar la geometría del edificio, particularmente la selección adecuada del tipo de muro donde las variantes de diseño consideraban la aplicación de aislamiento, puede reducir el consumo de energía por climatización en un 18.8 %.

Calentamiento solar pasivo

Ya sea que se trate de zonas cálidas o frías, será necesario en mayor o menor grado un aporte de energía, en invierno para zonas cálidas y la mayor parte del año para zonas frías. La radiación solar es un aporte importante de energía, que puede aprovecharse para incrementar la temperatura en la edificación; la captación directa de la energía puede ser por cualquier elemento en la superficie de la construcción como paredes, techo o ventanas, esta captación debe considerar el ángulo de incidencia y la cantidad de energía disponible en la época del año que sea necesaria (^{Manzano et al., 2015}).

Conducción

La transferencia de calor por conducción surge por el contacto físico de dos cuerpos a diferente temperatura. El flujo de energía en conducción por metro cuadrado q”_cond, está determinado por la Ley de Conducción de Fourier:

Donde dT/dx es el cambio de la temperatura en K respecto al cambio en la dirección x en metros, k el coeficiente de conducción en W/(m·K).

Radiación

La materia emite energía en forma de radiación y proporcional a la diferencia de la cuarta potencia de la temperatura T en K y la cuarta potencia de la temperatura ambiente T∞. Esta ley se conoce como la Ley de Stefan-Boltzman:

Donde qrad es el flujo de energía en W por radiación, A el área, ε la emisividad y σ la constante de Stefan Boltzman (5.669*10^-8 W)/(m^2)*(K^4).

Convección

Este mecanismo de transferencia de calor se presenta en líquidos o gases que, debido a su movimiento transporta e intercambia energía. La transferencia de energía por metro cuadrado en convección q”_conv, se determina por la Ley de Enfriamiento de Newton, que incluye un coeficiente convección h (W/m^2*K), determinado por la naturaleza del medio circundante.

Simulación dinámica

Es necesario que en el balance térmico se incorporen las condiciones variables del clima, el cambio en el nivel de actividad en la edificación por diferentes elementos, como los aparatos eléctricos o las personas y considerar la respuesta que los elementos de construcción tienen a estas condiciones cambiantes. Se debe realizar entonces lo que se conoce como simulación dinámica, donde las variables de entrada y salida varían en cada intervalo de tiempo. La ventaja de la simulación dinámica radica en que permite analizar el comportamiento de la edificación en todo el año, de manera que posibilita la comparación de diferentes opciones de diseño.

Entorno de simulación

Para la simulación dinámica se utilizó la plataforma OpenStudio®. Esta plataforma permite crear geometrías, materiales, cargas, filtraciones y horarios de actividad de cada componente para cargar estos en el motor de simulación EnergyPlus™, además de contar con la interfaz para Sketch-Up, la cual permite cargar geometrías de manera sencilla.

El entorno de trabajo se desarrolla definiendo los componentes y horarios en un conjunto denominado tipo de espacio, que puede ser asignado a una o varias áreas dentro de la edificación que presenten estas características (^{Brackney et al., 2018}).

Condiciones climáticas

Se delimitó la zona de análisis para el estado de Guanajuato, en el centro de México. Las condiciones climáticas se tomaron de la base de datos proporcionada por ^{Climate.OneBuilding (2019)}, esta base de datos se encuentra en formato epw (energy plus weather) y se genera a partir de datos meteorológicos horarios hasta el 2017 usando la metodología TMY/ISO 15927-4:2005.

Características de la vivienda

Se seleccionó para el estudio un modelo estándar de casa de interés social con tres habitantes, la parte frontal de la edificación está orientada hacia el sur, consta de dos habitaciones, baño, cocina y comedor, con un área total de 39 m^2 y una altura de 2.7 m, la distribución se muestra en la Figura 2. El área de las ventanas es de 1.5 m^2 excepto para la ventana trasera en el área común que es de 0.8 m^2.

Figura 2 3D Sketch y planta de la edificación 

Zona térmica

Uno o más espacios pueden ser agrupados en una zona térmica, esta representa el elemento principal en la simulación, ya que es la zona donde se realiza el balance térmico. Para capturar la esencia del comportamiento térmico se seccionó la edificación en cuatro zonas térmicas; una para cada habitación, baño y otra área común, que incluye la cocina y comedor.

Materiales

La edificación se constituye por diferentes tipos de superficie como las paredes, techos y piso, a su vez, estas contienen lo que OpensStudio® llama sub-superficies tales como las ventanas y puertas. Ambas superficies y sub-superficies están formadas por capas de diferentes materiales con características térmicas particulares como se muestra en la Tabla 1 y Tabla 2. Se consideran propiedades constantes para los materiales, ya que los gradientes que se presentan son pequeños.

Cada una de las superficies y sub-superficies están expuestas a condiciones externas como a condiciones internas, por lo que sus valores frontera son distintos de acuerdo con la ubicación espacial que estas tengan.

Horarios y cargas térmicas

Los horarios y las cargas térmicas se definieron de manera que se asemejen a la realidad considerando un horario entre semana y otro para fin de semana. Se tomaron los elementos más representativos y de mayor consumo de energía como lámparas, refrigerador, estufa, televisión y horno de microondas, la definición de su consumo de energía y horas de uso se basó en los resultados presentados en Encuesta Nacional sobre Consumo de Energéticos en Viviendas Particulares (^{SENER et al., 2018}). Igualmente se consideró el aporte energético por persona, fijando un valor de 130 W por persona y un horario de ocupación de estas que se da por espacio, los detalles de estas cargas térmicas se presentan en la Tabla 3 y Tabla 4.

Se definió una filtración de aire de 0.1 m m^3/s con una constante de coeficiente térmico de 0.08 que ocurre de las 12:00 a 18:00 horas diariamente.

Inercia térmica

Las paredes y techos constituyen casi en su totalidad la masa de la edificación, ya que están constituidos por una capa de concreto de 10 cm para incrementar la inercia térmica. Buscando reducir las oscilaciones de temperatura en el trascurso del día, se analizó un incremento en su espesor de 15 cm, 20 cm, 25 cm y 30 cm.

Emisividad y absortividad de las superficies (Protección solar)

Para el modelo base se tomaron muros y techos sin recubrimiento en las superficies, es decir, el concreto se encuentra expuesto para un control de la radiación solar absorbida y emitida por las superficies. Se analizaron tres casos, todas las superficies de color blanco, todas las superficies de color negro y todas las superficies color blanco exceptuando las paredes frontales que serían en color negro, las características físicas del tipo de pintura se muestran en la Tabla 5.

Cambio de ventana (Ganancia solar pasiva)

De las cuatro zonas térmicas, la habitación 1 y el área común tienen ganancia solar pasiva a través de las superficies acristaladas en invierno, por lo cual para nivelar esta situación se modifica el diseño original cambiando la ventana posterior al frente en la habitación 2 como se muestra en la Figura 3, con un ligero cambio en el área de la ventana de 1.5 m^2 a 2 m^2, considerando también el cambio de área en las paredes que conlleva esta modificación.

Figura 3 3D Sketch con cambio de ventana en el modelo base 

Modelo base

El resultado de la simulación anual, muestra que el comportamiento de la temperatura interna para las diferentes zonas térmicas es variable para cada mes del año, encontrándose que en enero y mayo se presentan las temperaturas más extremas. La Figura 4 muestra el perfil de temperaturas promedio durante el día del mes de enero para cada una de las zonas térmicas en el modelo base, en ella se observa una oscilación de por lo menos 10°C entre el día y la noche en cada una de las zonas térmicas, mostrando además, una diferencia de temperatura de hasta 5°C entre las dos habitaciones. Finalmente la temperatura mínima es de 15°C, 5°C menor para considerarse en una zona de confort térmico.

Figura 4 Temperatura interna promedio en enero de las diferentes zonas térmicas para el modelo base 

Para el caso del mes de mayo la temperatura interna promedio presenta también oscilación en el trascurso del día, como se muestra en la Figura 5, además de señalar que se tiene un pico de temperatura de hasta 40°C para el área común, que se encuentran muy alejados de los 27°C máximos para considerar una zona de confort térmico. Se obtuvieron temperaturas intermedias entre las expuestas durante los dos meses anteriores y los meses restantes.

Figura 5 Temperatura interna promedio en mayo de las diferentes zonas térmicas para el modelo base 

Para analizar el ahorro energético de la incorporación de estrategias bioclimáticas como variables de diseño, se incorporó para todo el año un sistema base de acondicionamiento mecánico de aire para calefacción y refrigeración en las temperaturas más frías y calientes respectivamente, manteniendo la temperatura entre 20°C y 27°C. La Figura 6 muestra el consumo de energía en kBTU anual que requiere el modelo base para mantenerse en confort térmico. De los 19686 kBTU necesarios para acondicionar la vivienda, la mayor parte de esta energía se requiere para la refrigeración.

Figura 6 Consumo energético anual por acondicionamiento en el caso base 

Inercia térmica

La primera variable que se analizó fue la inercia térmica de los materiales, a partir de las características de estos componentes para el caso base, se reportan los resultados para diferentes grosores de paredes y techo. En el primer incremento a 15 cm requiere 11516 kBTU, lo que significa una reducción de energía por 41 % respecto al caso base (10 cm), como se observa en la Figura 7, el incremento a 20 cm significa una reducción de energía de 58 %, para el incremento de 25 cm significa una reducción de energía de 66 % y para el incremento a 30 cm una reducción de energía de 70 %. Se observa que conforme se va incrementando el grosor por 5 cm, el impacto en la reducción de consumo de energía se reduce de forma exponencial.

Figura 7 Comparativa del consumo energético anual por acondicionamiento para diferentes espesores de pared y techo 

Emisividad y absortividad de las superficies

La siguiente variable que se analizó fue la emisividad y absortividad de las superficies, el primer caso fue un acabado de pintura negra para todas las superficies de techos y paredes, lo que incrementó la energía por climatización en 45 % debido a un incremento de la radiación que se absorbe para este tipo de pintura, caso contrario sucede con la pintura blanca, que al reflejar la radiación solar reduce la energía de climatización por 62 %, una combinación entre acabados con pintura negra y blanca reduce la energía por 60 % como se muestra en la Figura 8.

Figura 8 Comparativa del consumo energético anual por acondicionamiento para diferente acabado de la superficie 

Cambio de ventana

El cambio de ventana que se realizó en la habitación 2 para obtener ganancia solar pasiva incrementa la necesidad de energía por acondicionamiento, respecto al modelo base en 2 % como se muestra en la Figura 9. Sin embargo, la intención principal fue nivelar la cantidad de ganancia solar respecto a las otras zonas térmicas, en la Figura 10 se observa el cambio de temperaturas internas promedio para las dos habitaciones durante el mes de enero, observándose variaciones pequeñas, una respecto de otra, con variaciones máximas de 2°C.

Figura 9 Comparativa del consumo energético anual por acondicionamiento para el cambio de ventana 

Figura 10 Temperaturas interiores para las dos habitaciones durante enero en el modelo propuesto