MODELACIÓN TÉRMICA DE UN MÓDULO EXPERIMENTAL DE VIVIENDA ALTO ANDINA UTILIZANDO OPENSTUDIO Y ENERGYPLUS

Envolvente térmica de una vivienda

La envolvente térmica de una vivienda podríamos decir que se comporta como la ropa que utilizamos en determinadas épocas o estaciones del año para estar en armonía con ella, es decir, dependerá del clima donde nos encontremos y de la forma en como reaccionamos frente a sus cambios, el ser humano es un sistema adaptativo. Por ejemplo, si estamos en un clima caluroso elegiremos ropa ligera y de color claro para que los rayos solares sean reflejados evitando su absorción y calienten nuestra piel por conducción, todo lo contrario sucederá si estamos en un clima frío donde la ropa gruesa y de color oscuro u opaco debe prevalecer para absorber el calor del Sol y nos caliente, así como también el grosor evitara que el calor corporal se pierda. Casi lo mismo o similar, se comportara la envolvente de una vivienda, que es, la que separa el interior del exterior, y está constituida por las paredes, techo, piso, puertas y ventanas. Una envolvente desprotegida en clima frío, no brindará protección ni barrera alguna respecto de las condiciones meteorológicas externas. La protección si bien depende de los materiales a utilizar, lo más importante es conocer sus propiedades térmicas y físicas para una buena elección de las mismas.

Por tanto, si bien la envolvente de una vivienda no la cambiamos o modificamos de acuerdo a las estaciones o épocas del año, su composición por cada elemento constructivo junto al conocimiento de sus propiedades termofísicas, van a definir en el emplazamiento y clima, las condiciones térmicas, energéticas y calidad del aire, que se desea alcanzar en su interior, complementado claro está, con el estudio del clima, orientación,  y estrategias y técnicas bioclimáticas a implementar, con prioridad técnicas pasivas o en todo caso, técnicas activas con energías renovables.

Cabe resaltar que el cuerpo humano se comporta como un radiador natural de calor frente a su entorno exterior dado a que su temperatura interna por medio del metabolismo trata de mantenerse a una temperatura uniforme de 37 °C, mayor que la temperatura del aire exterior en diferentes clima fríos.

En lugares donde impera el calor o frío de forma rigurosa y extrema, desde la antigüedad los materiales y sistemas constructivos locales han predominado, en climas fríos el uso de materiales de alta densidad y espesor como el adobe, tapial y piedras, utilizadas en paredes, aún son parte tradicional o vernacular de construcciones en zonas Andinas como en el Perú. Mientras que para climas calurosos, predominan los materiales ligeros como la madera.

Fig.1. Vivienda tradicional con materiales locales.

Fig. 2. Vivienda típica Langui-Cusco, 4000 msnm.

Empíricamente los pobladores son conocedores de las respuestas térmicas de los materiales locales que abundan en sus territorios y el caso más sobresaliente en climas fríos y andinos es el ICHU o comúnmente conocida como paja. Pero, el crecimiento y difusión de materiales convencionales, ha dominando el mercado y atrás quedaron el uso de materiales locales, además, hay algo peor, los pobladores se han creado la idea de que construir con ichu, tierras o piedra, es símbolo de pobreza y por ello, se inclinan por materiales no idóneos para su zona como el caso de las calaminas metálicas que por sus propiedades térmicas de buen conductor del calor, en el día el interior de su vivienda se comportará como un horno, y en las noches, como una refrigeradora. Otros materiales convencionales no idóneos para el clima frío es el concreto, si bien posee buena capacidad para almacenar calor, su resistencia térmica baja la hace perder rápidamente, Kconcreto=1,63 W/m°C y su Ce=1000 J/Kg°C; Kadobe=0,9 W/m°C, su Ce=920 J/Kg°C. Además de su espesor en comparación con el adobe, el ladrillo es de 0,12m y el adobe por lo general de 0.37m.

Fig.3. Vivienda con materiales convencionales.

Fig.4. Vivienda en Imata-Arequipa, 4500 msnm.

Entonces, en zonas de alta vulnerabilidad económica y ambiental, se tiene que revalorar la construcción vernacular para mejorar las condiciones térmicas de las viviendas y mitigar las consecuencias anuales de las bajas temperaturas o "heladas". Y aprovechar el calor del Sol para calentar y almacenar el interior de las viviendas durante el día (su masa térmica), para que por las noches ese calor sea devuelto calentando de nuevo el aire interior tratando de mantener una temperatura uniforme o de confort térmico. Y esto se logra colocando ventanas en el techo o tragaluces, o adosando un invernadero en uno o más lados de la vivienda, estos sistemas son como climatizadores naturales o pasivos para calentar el aire interior de manera directa o indirecta, así como las ventanas.

Por todo esto, la envolvente es parte importante de toda vivienda o edificio, se dice que es como la piel en el ser humano que separa el interior del exterior y como ya se mencionó al inicio, la ropa es como los materiales a utilizar de acuerdo al clima donde se desea construir. Y para ello, para construir con eficiencia y confort, se tiene que conocer las propiedades termofísicas de los materiales como en la ropa su marca por así decirlo.

El Perú desde el 2014 cuenta con la norma EM.110 Confort Térmico y Lumínico con Eficiencia Energética, donde se presentan los materiales con sus propiedades termofísicas como la densidad, calor específico, y conductividad térmica. Valores que han sido tomados de normas internacionales y en este campo, hay mucho por investigar más aún, respecto a nuestros materiales locales y vernáculos como el ichu, totora, tierra, piedras, sillar, etc.

La norma EM110 enfatiza el carácter de aislamiento de los materiales mediante el cálculo de la transmitancia térmica o su inversa la resistencia térmica en estado estable o estacionario de sus elementos constructivos en paredes, pisos y techo, es decir, recomienda un análisis de transferencia de calor independiente del tiempo (no realista para zonas de alta radiación solar y oscilación térmica, además, donde el uso de materiales de alta densidad es importante). Carece de considerar a parte del poder de aislamiento de los materiales, su carácter como acumulador de energía (inercia térmica), es decir, considerar su capacidad calorífica y análisis de transferencia de calor en estado transitorio.

Jornadas Peruanas de Energía Solar 2019 (JOPES 2019)

Las jornadas peruanas de Energía Solar 2019 se realizará entre el 8 al 10 de mayo en el auditorio de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Nacional de Ingeniería (UNI).

Para participar como asistente o expositor revisar el siguiente enlace JOPES 2019.

Abrigo Meteorológico

Según el título de la entrada podría pensarse que se trata de alguna prenda o protección para el frío u otro fenómeno meteorológico y no es así, el abrigo meteorológico es un pequeño ambiente de madera construido especialmente para albergar una serie de equipos meteorológicos como el psicrómetro (que consta de dos termómetros, de bulbo húmedo y seco que permite determinar o calcular la humedad relativa), un evaporímetro y su termohigrógrafo. Esta constituido por una especie de caseta, casilla o garita como también se la llama, asentada sobre cuatro patas y cuya base se encuentra entre 1.2 a 1.5m de la superficie del suelo. 

Abrigo meteorológico 

(https://es.wikipedia.org/wiki/Abrigo_meteorologico)

Vista del abrigo meteorológico en Imata a 4500 msnm en la región Arequipa.

Sus dimensiones están estandarizadas, 0.85m de frente, 0.60m de fondo, y 0.80m de alto. Lleva una puerta para el acceso a los instrumentos y junto con las demás paredes son del tipo persiana para evitar que la radiación solar pegue directamente sobre los instrumentos y distorsione sus medidas. El diseño de las paredes es para permitir la circulación del aire en su interior y medir su temperatura. La casilla se pinta de blanco brillante para reflejar la radiación solar. 

La puerta del abrigo meteorológico debe estar direccionada al Sur (Hemisferio Sur), y al Norte (Hemisferio Norte), para evitar que al abrir e interactuar con los instrumentos, la radiación solar ingrese e incida sobre ellos.

El techo puede ser a dos o una agua como se nota en las imágenes de arriba para dejar escurrir el agua de lluvia, lleva por debajo un espacio y luego otro techo, dicho espacio entre techos sirve para que el aire exterior circule libremente y el aire interior de la casilla, no se sobrecaliente.

Su instalación se realiza considerando un espacio libre alrededor de ella de por lo menos 20m2 de tal  manera que el aire fluya libremente sin obstáculos. El piso debajo del suelo de la casilla es recomendable que sea pasto corto o suelo propio de la zona, jamas cemento.

Para tomar lecturas de los datos por la noches se recomienda el uso de una linterna a pilas o en todo caso el uso de un foco a corriente eléctrica de como máximo 25W situado a no menos de 0.25m de cualquier de los instrumentos. El encendido de dicha luz artificial se realizará el tiempo suficiente para tomar las lecturas de los datos.

Puentes Térmicos en Edificaciones Rurales

Hablar de puentes térmicos es hablar de materiales que conducen bien el calor y, por lo mismo van a generar pérdidas de calor del interior al exterior en zonas de climas fríos donde se requiere asegurar o mantener el calor al interior de la vivienda de tal manera que con ello, se afronte las horas de frío extremo y se evite los problemas de salud causales incluso de mortandad tanto de niños, como adultos mayores entre los más vulnerables. 

Fuente: http://www.asomatealaventana.org/2017/01/12/los-puentes-termicos/

El puente térmico (puente frío), es aquel punto de la envolvente de una vivienda donde el calor se transmite con facilidad de un lado hacia otro, o del interior al exterior y viceversa, generando una transferencia derrochadora de energía el cual tiene que ver con la conductividad del material de dicho punto respecto a los materiales del resto de la envolvente, se presenta en marcos de ventanas, puertas, columnas embebidas en hormigón que están en contacto con el exterior, entre otros.

En viviendas rurales por ejemplo es común el uso de ventanas con marco de metal y puertas enteramente de metal, incluso, el techo en su totalidad es de calamina metálica, cada uno ellos constituyen un puente térmico, que en suma si una misma casa lleva todo ello, las pérdidas de calor serán considerables tanto así que la temperatura interior será casi la misma que la exterior.

En las ciudades aparentemente con facilidad no se notan los puentes térmicos a simple vista, en ese caso se hace uso de cámaras termográficas para realizar un diagnostico térmico. Un edificio por lo común lleva una estructura a base de columnas y vigas metálicas baseadas con hormigón, lo que genera los puentes térmicos.   

Fuente:https://www.testo.com/zh-TW/testo-869/p/0560-8690

La siguiente imagen tomada con la cámara termográfica ilustra en color amarillo-anaranjado las zonas por donde el calor se pierde, o existen puentes térmicos.

Fuente:http://www.disate.es/servicio-de-termografia-de-placo/

Evitar los puentes térmicos resulta de seleccionar  materiales más acordes al clima, con resistencias térmicas altas, por ejemplo, en vez de utilizar metal en los marcos de ventanas, puede utilizarse madera, que es un material local en muchas zonas rurales, así como en las puertas. O en todo caso cubrir las zonas que tienen contacto con el exterior con algún material aislante para reducir la transferencia de calor, podría ser espuma de poliuretano o alguna cinta aisladora.

Sustentabilidad, Arquitectura y Confort

Sustentabilidad, arquitectura y confort, son referencias conceptuales relacionados entre sí que coadyuvan a la comprensión de estudios referentes al bien de la sociedad, su comodidad o bienestar, y uso adecuado del clima en la concepción de una edificación o vivienda. Esta última, como resultado no solo de un estudio de diseño sino, de un estudio cultural, psicológico y fisiológico. En base a ello se presentan los siguientes conceptos:

      1. DESARROLLO SOSTENIBLE

La Comisión Brundtland (1987). Define el desarrollo sostenible como aquel “que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades” Actualmente sigue siendo el concepto más utilizado y aceptado.

      2. SUSTENTABILIDAD

El concepto de sustentabilidad suele ser confundido con la definición de desarrollo sostenible, sin embargo,  Edwards, B. (2010). Define la sustentabilidad como un proceso en donde se involucran los aspectos ecológicos, sociales, económicos y culturales.

       3. ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA

Morillón, D., (1993). define arquitectura bioclimática como: “La acción de proyectar o construir considerando la interacción de los elementos meteorológicos con la construcción, a fin de que sea esta misma la que regule los intercambios de materia y energía con el medio ambiente y propicie las condiciones que determinen la sensación de bienestar térmico del ser humano e interiores”.

“La arquitectura bioclimática es aquella que estudia e intenta minimizar al máximo la  alteración que provoca en la Naturaleza y que, para ello, intenta sacar el máximo partido de los recursos naturales disponibles (radiación solar, vientos, precipitaciones, vegetación, materiales etc...) adaptándose al medio en que se ubica”. (Núñez Carrasco, R., Aramburu Gaviola F. & Botrán Rodríguez-Rey, C. 2012). 

      4. Arquitectura Bioclimática (Herrera-López, Ana L.,2016)

La arquitectura bioclimática, es aquella que estudia y considerada la interacción de los elementos meteorológicos con las construcciones, e intenta sacar el máximo partido de los recursos naturales disponible adaptándose de forma pasiva al medio en que se ubica, a fin de que sea ésta misma la que regule los intercambios de materia y energía con el medio ambiente y propicie las condiciones que determinen la sensación de bienestar térmico del ser humano.

      5. SISTEMAS PASIVOS

Serra Florensa, R. & Coch Roura, H. (2001). Dicen que, los sistemas pasivos son: “Conjunto de componentes de un edificio que tienen como función principal mejorar su comportamiento climático. Actúa sobre los fenómenos radiantes, térmicos y de movimiento de aire que se producen naturalmente en arquitectura…y no utilizan ninguna fuente de energía artificial para su funcionamiento”.

      6. PROTECCIÓN SOLAR

Cualquier elemento o solución constructiva, fija o móvil, que nos permita controlar la incidencia de la radiación solar, aprovechándola en invierno, y protegiéndonos de ella en verano. (Núñez Carrasco, R., Aramburu Gaviola F. & Botrán Rodríguez-Rey, C. 2012).

      7. ENVOLVENTE DE UN EDIFICIO

Se refiere al techo, paredes, vanos, puertas, piso y superficies inferiores, que conforman el espacio interior de un edificio para uso habitacional. (Secretaría de energía, 2011).

      8. AISLANTE

“El aislamiento actúa de barrera tanto del aire caliente o frío indeseado del exterior como de posibles fugas del interior deseado. De hecho, el aislamiento es la principal defensa climática de una construcción”. (Farrás Pérez, L., 2012:110).

      9. AISLAMIENTO TÉRMICO

“Se entiende como aislante térmico al material caracterizada por su alta resistencia térmica, o lo que es lo mismo aquel que tiene una conductividad muy baja. Los materiales aislantes suponen una barrera al paso del calor entre dos medios con distintas temperaturas” (Núñez Carrasco, R., Aramburu Gaviola F. & Botrán Rodríguez-Rey, C. 2012).

     10. ESTRATEGIAS

“Conjunto de acciones planificadas y orientadas a la consecución de un fin, pero también puede entenderse como metodología para la solución de ciertos problemas de manera creativa”. (Fuentes Freixanet, V., 2013). 

Conceptos extraídos del trabajo de fin de Maestría en Proyectos y Edificaciones Sustentables por Herrera-López, Ana L. (2016), titulado: Propuesta de adecuación bioclimática sustentable para lograr el confort  térmico en viviendas unifamiliares de interés social en Tepic, Nayarit. Guadalajara, Jalisco: ITESo

Enlace directo al documento: http://hdl.handle.net/11117/3613

XXV Simposio Peruano de Energía Solar (XXV SPES-2018)

El anfitrión de este año para la realización del XXV Simposio Peruano de Energía Solar (SPES ) es la Universidad Nacional de Cajamarca entre las fechas del 12 al 16 de noviembre del 2018. Así que, Cajamarca los espera!!! 

Las inscripciones para participar ya sea como asistente o expositor están abiertas y, el contacto para consultas o informes es: contacto@perusolar.org