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Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Departamento de Ingeniería Mecánica.
TESIS DE DOCTORADO EN CIENCIAS:
“ESTUDIO DE LA DEMANDA ENERGÉTICA, LA CALIDAD TÉRMICA Y LA CALIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LAS
VIVIENDAS EN EL ESTADO DE MORELOS”
QUE PARA OBTENER EL GRADO
DE DOCTOR EN CIENCIAS EN
INGENIERÍA MECÁNICA
P R E S E N T A:
M.C. MIGUEL ÁNGEL CHAGOLLA GAONA
DIRECTORA DE TESIS: Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García
Cuernavaca, Morelos Junio de 2012
A Rosa Elvira y Miguel Ángel.
AGRADECIMIENTOS
A la gloria del Supremo Arquitecto del Universo.
A mi padre, caminamos tantas veces caminos y más caminos, si existe el
cielo allá te alcanzo.
A mi madre, flor silvestre y campesina, flor sencilla y natural, abnegación
y ternura.
A Lulu, al andar se hace camino.
A la Doctora Gabriela Álvarez García, un faro que ha dado luz a mi
aventura en el mar del conocimiento.
A María José, un alma pura un ser humano admirable.
A Charo, ojos claros y serenos…………..
A Yara, la mejor secretaria del ITZ.
A mis asesores y revisores: Dra. Yvonne Chavez Chena, Dr. Rubén José
Dorantes Rodríguez, Dr. José Jasson Flores Prieto, Dr. Gustavo Urquiza
Beltrán, por sus sugerencias, aportaciones y consejos.
Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET),
por abrir las puertas al mundo de la ciencia.
Al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y
Tecnológicas (CIEMAT), de España, por darme dos maravillosos años de
nuevas experiencias.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia (CONACYT), por otorgar el
apoyo económico que me ha permitido desarrollar este trabajo de
investigación.
Soy vecino de este mundo por un rato y hoy coincide que también tú estas aquí coincidencias tan extrañas de la vida
tantos siglos, tantos mundos, tanto espacio… y coincidir Si navego con la mente en los espacios
o si quiero a mis ancestros retornar agobiado me detengo y no imagino
tantos siglos, tantos mundos, tanto espacio… y coincidir Si en la noche me entretengo en las estrellas
y capturo la que empieza a florecer la sostengo entre las manos más me alarma
tantos siglos, tantos mundos, tanto espacio… y coincidir Si la vida se sostiene por instantes
y un instante es el momentos de existir si tu vida es otro instante.. no comprendo
tantos siglos, tantos mundos, tanto espacio… y coincidir
Índice
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
Resumen 1
Abstract 4
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 7
1.1 Antecedentes 8
1.1.1 Energía y condición humana. 8
1.1.2 Distribución del consumo de energía por sector. 11
1.2 El urgente reto de la eficiencia energética en las edificaciones. 12
1.2.1 La visión: “cero energía neta para edificios” 12
1.2.2 Energía y edificaciones en México. 14
1.3 Revisión bibliográfica. 18
1.3.1 Estudio sobre arquitectura bioclimática y de las
metodologías del cálculo de cargas térmicas en
viviendas.
18
1.3.2 Datos climáticos. 21
1.3.3 Evaluación de energía en edificios utilizando programas
de cómputo. 24
1.3.4 Estudios paramétricos. 30
1.3.5 Conclusiones de la revisión bibliográfica. 33
1.4 Objetivo general. 35
1.5 Alcance 36
CAPÍTULO 2. CLIMA Y DEMOGRAFÍA DEL ESTADO DE MORELOS. 37
2.1 El clima. 38
2.2 Elementos del clima. 39
2.2.1 Temperatura. 39
2.2.2 Radiación. 39
2.2.3 Humedad. 43
2.2.4 Velocidad y dirección del viento. 43
2.3 Clima del Estado de Morelos. 45
2.4 Demografía del Estado de Morelos. 51
2.4.1 Distribución de la población. 51
2.4.2 Perspectiva socioeconómica de la población. 53
2.4.3 Análisis de la demanda de vivienda. 55
2.5 Selección de las viviendas. 57
2.5.1 Vivienda de dos plantas. 57
Índice
ii
2.5.2 Vivienda de una planta. 59
2.5.3 Materiales de construcción de las viviendas. 60
2.6 Consideraciones particulares sobre la geografía y el clima del
Estado de Morelos. 61
2.7 Confort térmico y psicrometría. 66
CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA Y PROGRAMA DE SIMULACIÓN
TRNSYS. 69
3.1 Metodología. 70
3.2 Descripción del programa TRNSYS. 70
3.2.1 Ecuaciones para el modelado de transferencia de calor
en recintos, utilizadas en TRNSYS. 72
3.2.2 Descripción de los módulos para el cálculo de cargas
térmicas. 82
3.2.3 Interfaces de TRNSYS utilizadas en las simulaciones. 86
CAPÍTULO 4. VALIDACIÓN DE LA SIMULACIÓN. 89
4.1 Caso de estudio. 90
4.1.1 Información de la geografía y el clima. 91
4.1.2 Características del edificio. 92
4.2 Metodología para la simulación. 94
4.3 Evaluación térmica. 95
4.4 Comparación de resultados de la simulación y datos
experimentales. 97
CAPÍTULO 5. RESULTADOS. 101
5.1 Radiación solar incidente sobre las superficies de las viviendas. 102
5.2 Cargas térmicas. 105
5.2.1 Vivienda de dos plantas. 106
5.2.2 Vivienda de una planta. 108
5.3 Evaluación térmica. 110
5.3.1 Vivienda de dos plantas. 110
5.3.2 Vivienda de una planta. 113
5.4 Variación de parámetros en la envolvente considerando sistemas
de HVAC. 116
5.4.1 Vivienda de dos plantas. 119
5.4.2 Vivienda de una planta. 121
5.4.3 Comparación de cargas térmicas por localidad. 124
5.4.4 Análisis costo-beneficio. 130
Índice
iii
5.5 Viviendas en evolución libre. 134
5.5.1 Vivienda de dos plantas. 135
5.5.2 Vivienda de una planta. 137
5.6 Calificación energética para viviendas con sistemas de HVAC. 141
5.7 Calificación térmica para viviendas en evolución libre. 144
5.7.1 Clima cálido. 145
5.7.2 Clima templado. 147
5.7.3 Clima frio. 149
CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES. 153
BIBLIOGRAFÍA. 156
Lista de Figuras
iv
LISTA DE FIGURAS
1.1 Casa de energía cero en Denver, Colorado. 14
2.1 Espectro de Radiación Solar. 40
2.2 Ángulo zenital, altura solar y ángulo acimutal solar. 42
2.3 Piranómetro. 42
2.4 Multisensor WXT510 44
2.5 División municipal del estado de Morelos. 45
2.6 Diferentes tipos de clima en el Estado de Morelos. 47
2.7 Maws con Datalogger. 48
2.8 Estación Meteorológica Automática. 48
2.9 Ubicación de las Estaciones Meteorológicas Automáticas en el Estado de Morelos.
50
2.10 Fraccionamientos residenciales. 57
2.11 Vista frontal de la vivienda de dos plantas. 58
2.12 Vista tridimensional de la vivienda de dos plantas. 58
2.13 Vista frontal de la vivienda de una planta. 59
2.14 Vista tridimensional de la vivienda de una planta. 59
2.15 Techo y muro de las viviendas. 60
2.16 Altura sobre el nivel del mar en el Estado de Morelos. 62
2.17 Promedio anual de temperatura en el Estado de Morelos. 62
2.18 Promedio anual de radiación solar en el Estado de Morelos. 63
2.19 Promedio anual de humedad relativa en el Estado de Morelos. 63
2.20 Distribución de población en el Estado. 64
2.21 Localidades seleccionadas. 64
2.22 Distribución de climas en el Estado de Morelos. 66
2.23 Carta psicrométrica, clasificación de climas. 67
2.24 Carta psicrométrica, estrategias para enfriamiento y calentamiento. 68
3.1 Diagrama esquemático de la metodología implementada. 70
3.2 Módulos compontes del programa. 86
3.3 Orientación de superficies de la envolvente. 87
3.4 Dimensiones de muros y ventanas. 88
3.5 Propiedades termofisicas de los materiales que componen los muros. 88
4.1 Diagrama esquemático de la metodología utilizada para la
validación. 91
Lista de Figuras
v
4.2 Sala de reuniones. 92
4.3 Vista de planta y frente. 92
5.1 Vivienda dos plantas, división por zonas. 111
5.2 Vivienda una planta, división por zonas. 113
5.3 Calificación energética para la región cálida del Estado de Morelos.
142
5.4 Calificación energética para la región templada del Estado de Morelos.
143
5.5 Calificación energética para la región fría del Estado de Morelos.
144
5.6 Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para la región cálida del Estado de Morelos.
147
5.7 Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para clima templado del Estado de Morelos.
149
5.8 Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para clima frio del Estado de Morelos.
151
Lista de gráficas
vi
LISTA DE GRÁFICAS
1.1 Proyecciones del consumo mundial de energía. 10
1.2 Balance Nacional de Energía (2009). 12
1.3 Consumo de energía eléctrica en México (2009). 15
2.1 Incremento poblacional en el Estado de Morelos. 52
2.2 Población en edad de formar nuevos hogares. 53
2.3 Porcentajes de población según ingresos personales. 54
2.4 Porcentajes de población según ingresos por hogar. 55
4.1 Radiación solar global diaria mensual. 95
4.2 Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para invierno día 17 de Enero 2009.
98
4.3 Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para verano día 26 de Julio 2009.
98
5.1 Radiación solar incidente sobre el municipio de Tlaquiltenango. 102
5.2 Radiación solar incidente sobre el municipio de Emiliano Zapata.
103
5.3 Radiación solar incidente sobre el municipio de Huitzilac. 104
5.4 Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
106
5.5 Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
107
5.6 Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac.
107
5.7 Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango.
108
5.8 Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata.
109
5.9 Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac.
109
5.10 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
111
5.11 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
112
Lista de gráficas
vii
5.12 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac.
112
5.13 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango.
114
5.14 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata.
114
5.15 Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac.
115
5.16 Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la envolvente para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
119
5.17 Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la envolvente para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
120
5.18 Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la envolvente para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac.
121
5.19 Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la envolvente para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango.
122
5.20 Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la envolvente para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata.
123
5.21 Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la envolvente para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac.
124
5.22 Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la envolvente para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
125
5.23 Cargas térmicas anuales de acuerdo a la configuración de la envolvente para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
126
5.24 Cargas térmicas anuales para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Huitzilac.
128
5.25 Carga térmica anual de acuerdo a la configuración de la envolvente para viviendas de una y dos plantas, en las localidades de Tlaquiltenango, Emiliano Zapata, y Huitzilac.
129
5.26 Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
135
5.27 Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
136
5.28 Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac.
137
5.29 Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango.
138
Lista de gráficas
viii
5.30 Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata.
139
5.31 Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac.
140
5.32 Factores de confort térmico representativos para la calificación térmica de las viviendas en el Estado de Morelos.
151
Lista de Tablas
ix
LISTA DE TABLAS
2.1 Ubicación de las Estaciones Meteorológicas Automáticas. 49
2.2 Población total del Estado de Morelos por municipio. 51
2.3 Distribución de la población de acuerdo al Nivel. Socioeconómico (ingreso por persona).
53
2.4 Distribución de la población de acuerdo al Nivel Socioeconómico (ingreso por hogar).
55
2.5 Necesidades de Vivienda en el estado de Morelos. 56
2.6 Propiedades termo físicas de las envolventes de las viviendas. 60
2.7 Distribución de climas en el Estado de Morelos. 65
3.1 Coeficientes de regresión lineal múltiple de infiltración. 79
3.2 Coeficientes de ganancias de calor debido a los ocupantes en
espacios acondicionados. 80
4.1 Promedios mensuales y anuales de las variables meteorológicas.
91
4.2 Materiales de construcción de los muros. 93
4.3 Materiales de construcción del techo. 93
4.4 Temperatura exterior, y temperatura del aire al interior. 96
4.5 Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para invierno día 17 de Enero 2009.
99
4.6 Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para verano día 26 de Julio 2009.
100
5.1 Descripción de los parámetros a cambiar en la envolvente. 117
5.2 Variación de propiedades térmicas en muros. 117
5.3 Variación de propiedades térmicas en techos. 118
5.4 Resistencia térmica en aislante y adobe, en función del espesor del muro.
118
5.5 Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Tlaquiltenango.
131
5.6 Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Emiliano Zapata.
132
5.7 Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Huitzilac.
133
5.8 Calificación energética para las viviendas en sus condiciones actuales.
144
Lista de Tablas
x
5.9 Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para las viviendas en la localidad de Tlaquiltenango en diferentes configuraciones de la envolvente.
146
5.10 Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para las viviendas en la localidad de Emiliano Zapata en diferentes configuraciones de la envolvente.
148
5.11 Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para la vivienda en la localidad de Huitzilac en diferentes configuraciones de la envolvente.
150
5.12 Calificación térmica para las viviendas, sin modificaciones en la envolvente, en evolución libre.
152
Nomenclatura
xi
NOMENCLATURA
SÍMBOLO DESCRIPCIÓN Latinas A Area de la superficie de la pared o ventana expuesta al interior de la
Zona 𝑚2 . b0 –bNb-1 Coeficiente de la función de transferencia para la temperatura sol-
aire, de la hora actual y previas 𝑘𝐽
𝑟∗𝑚2∗º𝐶 .
Cpa Calor específico del aire 𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾 .
co-cNc-1 Coeficiente de la función de transferencia para la temperatura
equivalente del aire de la zona, para la hora actual y previas
𝑘𝐽
𝑟∗𝑚2∗º𝐶 .
d0-dNd Coeficiente de la función de transferencia del flujo de calor de las
horas previas.
𝑓ct Factor de confort térmico. Fki Factor de vista desde la superficie k a i.
F ki Factor de intercambio neto desde la superficie k a i.
G Densidad de energía radiante incidente 𝑊
𝑚2 .
h Altura solar (º).
hc,i Coeficiente convectivo interior 𝑊
𝑚2∗º𝐶 .
hc,o Coeficiente convectivo exterior 𝑊
𝑚2∗º𝐶 .
Isc Constante solar 𝑘𝐽
𝑚2∗𝑟 .
IT Radiación incidente total 𝑘𝐽
𝑚2∗𝑟 .
Nomenclatura
xii
k Conductividad del material 𝑊
𝑚∗𝐾 .
L Espesor del material 𝑚𝑚 . l latitud (º).
minfl Razón de flujo de masa de la infiltración de aire 𝑘𝑔
𝑚3 .
mv Razón de flujo de masa de la corriente de ventilación 𝑘𝑔
𝑚3 .
N Número total de superficies que comprende la zona. n Día del año. qi Razón de transferencia de calor por unidad de área por la superficie
interior de una pared o ventana 𝑊
𝑚2 .
Q Razón total de transferencia de calor por la superficie interior de una
pared o ventana 𝑘𝐽
𝑟 .
Qc Flujo de energía calorífica por conducción 𝑘𝐽
𝑟 .
Qe Pérdidas por enfriamiento evaporativo 𝑘𝐽
𝑟 .
Qi Ganancia interna 𝑘𝐽
𝑟 .
Qinfl Razón de ganancia de energía dentro de la zona debido a la
Infiltración 𝑘𝐽
𝑟 .
Qint Razón de energía transferida a la zona debido a ganancias internas
diferentes de personas o lámparas 𝑊 . Qlat Carga latente; energía requerida para tener los niveles de humedad
dentro de la zona de confort. Deshumidificación es carga latente
positiva, mientras que humidificación es negativa 𝑘𝐽
𝑟 .
Qm Ganancias o pérdidas por sistemas mecánicos 𝑘𝐽
𝑟 .
Qr Flujo de calor por radiación 𝑘𝐽
𝑟 .
Nomenclatura
xiii
Qs Ganancia solar 𝑘𝐽
𝑟 .
Qsens Carga sensible; energía requerida por el calentador auxiliar o el
equipo de enfriamiento para tener la temperatura de zona dentro de la zona de confort. Enfriamiento es positivo, calentamiento es
negativo 𝑘𝐽
𝑟 .
Qspepl Razón de transferencia de energía a la zona debido a ganancias
sensibles de personas 𝑊 .
Qv Flujo calorífico por convección superficial 𝑘𝐽
𝑟 .
Qv Razón de ganancia de energía al espacio debido a ventilación 𝑘𝐽
𝑟 .
Qz Razón de ganancia de energía al espacio debido a convección de
zonas adjuntas 𝑘𝐽
𝑟 .
R Resistencia térmica del material 𝑚2∗𝐾
𝑊 .
s Suma de la energía radiativa absorbida por una superficie interior
debido a radiación solar, lamparas y personas 𝑊 .
Ta Temperatura ambiente º𝐶 . Teq Temperatura equivalente de zona; temperatura de aire interior en la
cual, en ausencia de intercambio radiativo por la superficie interior,
da la misma transferencia de calor que realmente ocurre º𝐶 . Tmin Temperatura mínima de zona permisible; punto fijo para
Calentamiento º𝐶 . Tmax Temperatura máxima de zona permisible; punto fijo para
Enfriamiento º𝐶 . Tsa Temperatura sol-aire; temperatura del aire exterior, la cual en
ausencia de intercambio radiativo por la superficie exterior da la
misma transferencia de calor que ocurre realmente º𝐶 .
Ts Temperatura de la superficie º𝐶 .
Tz Temperatura de la zona º𝐶 .
T’z Temperatura de la zona adyacente º𝐶 .
Nomenclatura
xiv
Ug Coeficiente de pérdidas de la ventana desde las superficies interiores
y exteriores 𝑘𝐽
𝑟∗𝑚2∗º𝐶 .
Ug,o Coeficiente de pérdidas globales de la ventana incluyendo
convección por las superficies interiores y exteriores 𝑘𝐽
𝑟∗𝑚2∗º𝐶 .
V Tasa de ventilación 𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑜𝑟𝑎 .
Va Volumen de aire en la zona 𝑚3 .
W Velocidad de viento 𝑚
𝑠𝑒𝑔 .
w Angulo horario (º).
min Razón de humedad mínima permisible en la zona; punto
predeterminado para humidificación 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 .
max Razón de humedad máxima permisible en la zona; punto
predeterminado para deshumidificación 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 .
a Razón de humedad del aire ambiente 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 .
z Razón de humedad del aire de la zona 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 .
X Vector conteniendo las entradas de variación de tiempo que afectan
las temperaturas de la superficie y de la zona. Z Matriz conteniendo los factores independientes de tiempo que
afectan las temperaturas de superficie y de las zonas. Zc Zona de confort.
Nomenclatura
xv
Griegas
Absortancia de la superficie exterior. Angulo de inclinación.
Declinación.
Emitancia.
Angulo acimutal.
Latitud.
c Angulo cenital.
Término de reflectancia de la superficie interior.
a Densidad del aire de la zona.
Constante de Stefan-Boltzman. Transmitancia.
Subíndices i,j,k. Se refieren a las superficies i,j,k. h Denota el término de la función de transferencia. 0 es la hora actual, 1 es la hora previa, etc.
Resumen
1
RESUMEN
En este trabajo, se presenta un estudio de la demanda energética, la
calidad térmica y la calificación energética de las viviendas en el Estado de
Morelos, con la finalidad de proponer alternativas para mejorar las condiciones de
confort térmico, contemplando cambios en la envolvente.
El estudio se realizó mediante simulación térmica de dos viviendas, una
vivienda de dos plantas con 50 m2 de construcción, y otra de una planta con una
construcción de 96 m2, ambas con una envolvente convencional, no se
consideran ganancias internas. Con base en un análisis de las condiciones
orográficas, climáticas, y demográficas del Estado de Morelos, se propuso una
división del estado en tres regiones climáticas, para las cuales se realizaron las
simulaciones, las tres localidades seleccionadas fueron: Tlaquiltenango (clima
cálido), Emiliano Zapata (clima templado) y Huitzilac (clima frio).
Utilizando el programa de computo TRNSYS®, se realizaron varias
simulaciones variando los parámetros que influyen en el comportamiento térmico
de las viviendas: orientación, geometría, materiales de construcción, propiedades
ópticas, dispositivo de sombreado, ventanas doble panel, construcciones de una o
dos plantas, y se determinó como impactan en la demanda energética, o en las
condiciones de confort térmico, respectivamente.
Las simulaciones del programa TRNSYS® fueron validadas comparando sus
resultados con datos experimentales, los registros fueron tomados de un edificio
que forma parte de la Plataforma Solar de Almería (PSA), el cual se encuentra en
el desierto de Tabernas en España. Durante la simulación se predijo la
temperatura al interior de un recinto del edificio, con muy buena aproximación
respecto a las mediciones, la diferencia máxima fue del 4.5%.
Los resultados obtenidos de las simulaciones con TRNSYS® muestran que
para Tlaquiltenango (clima cálido) mejorando las condiciones de la envolvente es
Resumen
2
posible reducir las cargas térmicas en un 85%, para Emiliano Zapata (clima
templado) la reducción sería del 93%, y para Hultzilac se puede lograr una
reducción hasta del 93%. Para clima cálido y templado los factores que tienen
mayor influencia son: el color, adición de aislante en el techo y muros (con mayor
impacto en el techo), orientación (fachada al Norte con el eje alargado en dirección
Este-oeste). Para clima frio lo que impacta más es la adición de aislante en los
muros, y ventanas de doble panel, la orientación apropiada también influye
aunque en menor magnitud que para clima cálido y templado (fachada al este y el
eje alargado Norte-Sur).
También se realizó un análisis de la calidad térmica de las viviendas en
función de las características de la envolvente en evolución libre. Los resultados
muestran que para la localidad de Tlaquiltenango (clima cálido) con la
configuración menos favorable, la temperatura promedio máxima calculada al
interior de la vivienda fue de 42.5 ºC, cambiando las condiciones de la envolvente,
fue de 32.7 ºC, disminuyendo 9.8 ºC. En clima templado en la comunidad de
Emiliano Zapata, con la envolvente menos favorable, la temperatura promedio
máxima al interior se calculó en 40.1 ºC, para envolvente mejorada, fue de 31.1
ºC, disminuyendo 9.0 ºC. En lo que respecta a la localidad de Huitzilac en clima
frio, los resultados muestran que la temperatura promedio mínima al interior de la
vivienda fue de 5.6 ºC, con la configuración menos favorable, cambiando la
configuración de la envolvente buscando condiciones óptimas fue de 15.8 ºC,
aumentando 10.2 ºC.
Comparando la dinámica del comportamiento en evolución libre, con
respecto al uso de sistemas de HVAC, se observa que las condiciones de
respuesta a los cambios de la envolvente son diferentes, por ejemplo,
considerando el uso de sistemas de HVAC resulta conveniente aislar toda la
vivienda para disminuir las cargas térmicas de enfriamiento. Sin embargo, en
evolución libre solo se debe agregar una capa delgada de aislante en el techo, y
Resumen
3
usar pintura blanca, aislar los muros resulta contraproducente, ya que dentro de la
vivienda se almacenaría el calor ganado durante el día.
Con los resultados obtenidos se plantea una escala de valores para otorgar
una calificación a las edificaciones en función de un bajo o alto consumo
energético, también se plantea la calificación de las viviendas en evolución libre.
Abstract
4
ABSTRACT
In this work, one presents a study of the energetic demand, the thermal
quality and the energetic qualification of the housings in this region, with the
purpose of proposing alternatives to improve the conditions of thermal comfort,
contemplating changes in the envelope.
The study was realized by means of thermal simulation of two housings, a
housing of two levels with 50 m2 of construction, and other one of a level with a
construction of 96 m2, both houses have a conventional envelope, the internal
loads are not had considered. With base in an analysis of the orographical,
climatic, and demographic conditions of the State, There are established three
regions in which the simulation was realized, these localities were: Tlaquiltenango
(hot climate), Emiliano Zapata (moderate climate) and Huitzilac (cold climate).
Using the program TRNSYS, several simulations were realized changing the
parameters that influence the thermal behavior of the housings: orientation,
geometry, materials of construction, optical properties, device of shading, windows
double panel, constructions of one or two levels, and it decided since they affect
the energetic demand, or the conditions of thermal comfort, respectively.
The simulations of the program were validated comparing his results with
experimental information, the records were taken of a building that forms a part of
the Solar Platform of Almeria (PSA), which is in the desert of Taverns in Spain.
During the simulation the temperature was predicted to the interior of an enclosure
of the building, with very good approximation with regard to the measurements, the
maximum difference was 4.5 %.
The results obtained of the simulations with TRNSYS show that for
Tlaquiltenango (hot climate) improving the conditions of envelope it is possible to
reduce the thermal loads in 85 %, for Emiliano Zapata (moderate climate) the
Abstract
5
reduction would be 93 %, and for Hultzilac (cold climate) it is possible to achieve a
reduction up to of 93 %. For hot and moderate climate the factors that have major
influence are: the color, insulating thermal in ceilings and walls (with major impact
in the ceiling), orientation (front in the northern part with the axis lengthened in
direction East - West). In the cold climate the factors that strike are the insulating
one in walls and windows of double panel, the orientation (front in the eastern part
and the elongated axis North - South).
Also there was realized an analysis of the thermal quality of the housings
depending on the characteristics of the envelope in free evolution. The results
show that for Tlaquiltenango (hot climate) with the least favorable configuration, the
average temperature maxim calculated to the interior of the housing was of 42.5
ºC, changing the conditions of the envelope, it was of 32.7 ºC, diminishing 9.8 ºC.
In climate moderated in Emiliano Zapata, with the envelope least favorable, the
average maximum temperature to the interior was calculated in 40.1 ºC, for
envelope improved, was of 31.1 ºC, diminishing 9.0 ºC. In Huitzilac (cold climate),
the results show that the average minimal temperature to the interior of the housing
went of 5.6 ºC, with the least favorable configuration, changing the configuration of
the envelope looking for ideal conditions it was of 15.8 ºC, increasing 10.2 ºC.
Comparing the dynamics of the behavior in free evolution, with regard to
HVAC's system use, is observed that the conditions of response from the changes
of the envelope are different, for example, considering HVAC's system use it turns
out suitable to isolate the whole housing to diminish the thermal loads of cooling.
Nevertheless, in free evolution only it is necessary to add a thin cap of insulating in
the ceiling, and use white painting, isolate the walls turns out to be counter-
productive, since inside the housing the heat gained during the day would be
stored.
Abstract
6
With the obtained results a set of values appears to grant a qualification to
the buildings depending on a low or high energetic consumption, also the
qualification of the housings appears in free evolution.
Capítulo 1
Introducción
7
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
En este apartado, se presenta un estudio, sobre el panorama energético a nivel
mundial, así como en la República Mexicana; se da un enfoque sobre las
perspectivas actuales y las proyecciones futuras del consumo de energía en
edificios; posteriormente se analizan algunas alternativas que se han planteado
para lograr el uso eficiente y un ahorro de energía en este sector, como parte final
se presenta la revisión bibliográfica y las conclusiones emanadas de la misma.
Capítulo 1
Introducción
8
1.1 ANTECEDENTES
1.1.1 ENERGÍA Y CONDICIÓN HUMANA.
Las cenizas se hacen en un momento, pero el bosque tarda en crecer.
Lucius Annaeus Seneca (5 a JC-65 d JC)
Los sistemas económicos y sociales han evolucionado a través del tiempo,
logrando ser cada vez más complejos, esta transformación algunas veces ha
sucedido de manera paulatina, mientras que en otras ha sido abrupta y
discontinua; la organización económica y social actual tiene sus cimientos en el
modo de producción capitalista, y bajo una percepción cultural vigente desde la
revolución industrial, el mundo era visto como inagotable y se consideraba que los
recursos naturales estaban a disposición del Hombre para ser usados a su libre
albedrío; la transformación de la energía utilizando procesos fruto de los estudios y
descubrimientos científicos de cada época, permitió que el uso de los recursos
naturales aumentara considerablemente, también se había tenido la percepción de
que el planeta Tierra era capaz de recibir, sin detrimento, los desechos generados
de la explotación de los recursos naturales, fuesen renovables o no renovables.
En la actualidad la creencia de que el planeta tiene una capacidad infinita se ha
modificado sustancialmente, sin embargo no ha existido gran preocupación sobre
los problemas que puedan surgir a causa de la desaparición de los combustibles
tradicionales, sin duda, esto es debido a que es muy poca la gente que tiene
conciencia de lo inminente de estos problemas, incluso cuando ya sean evidentes.
Queda ya poco tiempo para evitar tener que añadir a la lista de escaseces en el
mundo otra más: la de energía [Brinkworth, 1981].
Uno de los efectos más graves que se percibe, producto del alto consumo
energético, es el aumento en la temperatura media de la atmosfera, a causa de la
acumulación de gases de efecto invernadero, amén del calor residual generado
por los procesos de transformación de energía; nuestro planeta está siendo
calentado en concentraciones tan elevadas que no se habían observado durante
Capítulo 1
Introducción
9
el tiempo de la civilización humana y en niveles no vistos sobre el planeta en
millones de años y todo en un siglo, o sea en un “abrir y cerrar de ojos” geológico.
La rapidez del índice de cambio de clima, nos dará poco tiempo para adaptar
nuestros sistemas ecológicos y socioeconómicos, por lo que podrá haber un gran
potencial de sorpresas o eventos imprevistos. Dado el retraso a largo plazo entre
la causa y el efecto y entre el efecto y el remedio, una manera prudente de actuar
seria disminuir el índice del cambio, investigando ahora como proteger el clima del
planeta, permitiremos a las futuras generaciones vivir en un mundo que no sea
alterado dramáticamente por un aumento del efecto invernadero.
En algunos estudios sobre el tema del gran consumo energético se plantea
que las causas principales son: el crecimiento de la población en forma
exponencial en el siglo XX, el desarrollo industrial, la urbanización, y el bajo
rendimiento en los procesos de transformación de energía; y como se ha
mencionado, los efectos se manifiestan principalmente por dos grandes factores
que están alterando a los actuales sistemas humanos y ecológicos: los grandes
niveles de contaminación que afectan el clima, y el inminente agotamiento de los
hidrocarburos [Justi, 1985].
A pesar del daño que actualmente se causa a los sistemas ecológicos, se
estima que seguirá creciendo la demanda de hidrocarburos y en consecuencia el
aumento de partículas contaminantes y generación del calor residual en los
procesos de transformación de energía, según estudios de la Oficina de Vigilancia
de Ciencia y Tecnología de los Estados Unidos en 1995 se depositaban en la
atmósfera 6,460,000,000 toneladas de bióxido de carbono; se estima que para el
año 2035 esta cantidad aumentará a 11,710,000,000 toneladas [Office of Science
and Technology Policy, 1997], la población a nivel mundial también sigue en
aumento, de acuerdo a proyecciones de naciones unidas, el número de
habitantes pasará de los actuales 6 mil millones a 7.4 mil millones en el 2020; y el
porcentaje de población de los países en vías de desarrollo sobre el total mundial
pasará del 77% actual al 81%. Aunque el mayor consumo energético es en los
países desarrollados, por ejemplo: Estados Unidos consume el 25% de la energía
mundial (con una participación de la productividad del 22% y con un 5% de la
Capítulo 1
Introducción
10
población mundial), en contraste, un tercio de la población del mundo no tiene
acceso a la energía eléctrica, porcentaje que se ha mantenido constante en los
últimos 30 años. Aunque muchas soluciones han sido propuestas, no se han
implementado (banco mundial 1996). La producción de todas las fuentes
energéticas tendrá un aumento significativo; el consumo mundial de energía
pasará de los 6,000 Mtep anuales de consumo actual a más de 10,000 Mtep para
el año 2025. La proporción demandada de energía global correspondiente al
mundo en desarrollo será cada vez mayor, y menor la de los países desarrollados.
El uso de las energías renovables tendrá un crecimiento significativo pero no
suficiente para mitigar el impacto ambiental, Latinoamérica está, en estas
proyecciones entre los sectores de menor crecimiento en el uso de energías
alternativas [International Energy Agency (IEA), 2006]. En la gráfica 1.1 se
muestran las Proyecciones del consumo mundial de energía.
Gráfica 1.1- Proyecciones del consumo mundial de energía.
Con base en lo anteriormente expuesto creemos que es nuestro deber
coadyuvar para lograr que la economía y el cuidado al medio ambiente se
interrelacionen en la toma de decisiones, sin sacrificar el equilibrio de la naturaleza
en búsqueda de un desarrollo mal entendido, o anteponer fines económicos,
políticos o tecnológicos, a los derechos prioritarios de vida en el planeta, con esto
nos referimos a un “desarrollo sustentable y equilibrado”. En el presente trabajo se
proponen medidas de “Ahorro y eficiencia energética”, las cuales constituyen una
0
100
200
300
400
500
600
700
800
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
jou
leX
10^
18
Consumo Mundial de Energía 1980-2030
Capítulo 1
Introducción
11
medida favorable; ya que reconcilian los objetivos simultáneos de desarrollo y
protección ambiental. Ahorro y eficiencia de energía también implican ahorro de
capital y disminución de emisión de contaminantes al medio ambiente.
1.1.2 DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA POR SECTOR.
Para comprender los patrones de consumo de energía por sector, se deben
considerar varios factores, ya que, excepto el sector del transporte, que presenta
un uso dominante de combustible líquido, en los sectores residencial, comercial e
industrial se usa una combinación de energéticos, los cuales pueden variar por
regiones dependiendo de una serie de factores, tales como, la disponibilidad de
fuentes de energía, el nivel de desarrollo económico, factores políticos, sociales y
demográficos.
En nuestro estudio es de particular interés analizar el consumo de energía
en el sector residencial: El consumo de energía a nivel mundial en este sector
para el año 2005 fue del orden del 15% del consumo total de energía. Para
edificios residenciales el tamaño de las estructuras es un indicador del consumo
de energía usado por sus ocupantes, casas de gran tamaño requieren más
energía para enfriar, calentar, e iluminar, actualmente se presenta una tendencia a
mayores aplicaciones de la energía como televisores y lavadoras, etc. Estructuras
pequeñas requieren menos energía, porque contienen menor espacio que calentar
o enfriar, generan una menor transferencia de calor con el medio ambiente
[International Energy Outlook 2008]. Por ejemplo, el consumo de energía para el
sector residencial en China es muy bajo, donde el promedio de una vivienda
común es de 28 metros cuadrados o menos por persona, a comparación de los
Estados Unidos donde el promedio de las residencias es de 63 metros cuadrados
por persona [China Statistics 2005].
Consumo de energía en México: En el año 2009 se registró un consumo
total de 4795 PJ, de los cuales 2335 PJ se destinaron al transporte (48.7%), 1347
PJ a la industria (28.1%), al sector residencial 959 PJ (20%), el sector
agropecuario consume solamente 153 PJ (3.2%), en la gráfica 1.2 se muestran
estos datos [SENER 2010].
Capítulo 1
Introducción
12
Gráfica 1.2.- Balance Nacional de Energía (2009).
1.2 EL URGENTE RETO DE LA EFICIENCIA ENERGETICA EN LAS
EDIFICACIONES.
“Desarrollo sustentable es el desarrollo que satisface las necesidades de la
generación presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras
para satisfacer sus propias necesidades.”
Keating, Cumbre para la Tierra, 1993.
1.2.1 LA VISIÓN: “CERO ENERGÍA NETA PARA EDIFICIOS”.
Después del consumo de energía en el transporte y la industria en tercer
lugar se encuentra el consumo energético para edificaciones, por supuesto que
este número aumenta cuando la población crece, o se concentra en las zonas
urbanas. Si las tendencias actuales continúan, los edificios serán los principales
consumidores de energía para el 2025 y probablemente usaran la misma cantidad
que la industria y transporte juntos para el 2050 [World Business Council for
Sustainable Development, 2007]. Entre otras perspectivas se ha presentado el
proyecto de Eficiencia de Energía en Edificios (Energy efficiency in Buildings,
EEB), el cual tiene una meta: "un mundo en el que los edificios consuman cero
energía neta." Esta es una visión sumamente ambiciosa, pero refleja la necesidad
del cambio y progreso dramático que se necesitan, la acción urgente se requiere,
48.7
28.1
20
3.2
TRANSPORTE
INDUSTRIAL
RESIDENCIAL
AGROPECUARIO
Capítulo 1
Introducción
13
no sólo debido a las tendencias del consumo de energía, sino también porque la
industria de la construcción es una industria de lento reemplazo. Muchos edificios
existentes, así como nuevas propiedades que se construyen ahora, se
preservarán hasta el 2050. El proyecto está considerando los edificios
residenciales y comerciales, nuevos y existentes en una perspectiva global, pero
con un enfoque en China, India, Japón, Europa, los Estados Unidos y Brasil. Para
dar seguimiento a este proyecto se ha formado un grupo de trabajo presidido por
Klaus Topfer, el ex director ejecutivo del programa de medio ambiente de la ONU.
Por ejemplo, en los E.U., las viviendas consumen el 37% de la electricidad
y el 22% de las de energías primarias (EIA 2005). Esto hace que la reducción de
energía en aplicaciones residenciales sea parte importante de cualquier plan para
reducir los consumos energéticos en los E.U. así como una contribución al cambio
del clima global. La meta de los E.U.: El departamento de Energía considera un
programa para crear las casas “cero energía” y que sean viables comercialmente
en el 2020. “Cero energía” es especialmente importante en este sector dónde el
costo de la energía es creciente y se verán mayormente afectados los propietarios
con recursos económicos limitados. Una casa de “cero energía” garantiza una
estabilidad con bajos costos energéticos para sus habitantes, se está analizando
el comportamiento energético de una casa construida bioclimáticamente (Norton,
2006), la cual ocupa 112 metros cuadrados, tiene tres recamaras, en especial se
cuidó el diseño sobre la envolvente, equipo eficiente en aparatos e iluminación y
las características solares pasivas y activas para alcanzar la meta de “cero
energía”, la casa se muestra en la figura 1.1. En este proyecto participó personal
del National Renewable Energy Laboratory (NREL), en el diseño de la casa se
utilizaron tres herramientas de simulación: TRNSYS (Transient System Simulation),
DOE2 (Building Energy Model), y BEOpt (Building Energy Optimization Program)
[National Renewable Energy Laboratory 2006].
Capítulo 1
Introducción
14
Figura 1.1.- Casa de energía cero en Denver, Colorado.
1.2.2 ENERGÍA Y EDIFICACIONES EN MEXICO.
En México, la aparente abundancia y bajo costo de los energéticos,
aunados a la implementación de estrategias energéticas inadecuadas (subsidios,
monodependencia energética, etc.), han generado patrones de consumo
irracionales y un uso ineficiente de la energía, situación que ha prevalecido, sobre
todo en los últimos años, con las siguientes consecuencias: un agotamiento
acelerado de los recursos energéticos no renovables y afectación de productividad
y economía nacionales, lo cual ha causado un grave deterioro ambiental, así como
una considerable reducción de la calidad de vida de los habitantes de esta nación.
En consideración a lo anteriormente expuesto, las medidas viables para encontrar
una solución de la problemática energética- ambiental, tanto en el ámbito mundial
como en México son, sin lugar a dudas, el aprovechamiento de las fuentes
alternativas de energía y la implementación de programas de uso eficiente y
racional de la misma; ya que de esta manera se podrá reducir el consumo de
combustibles fósiles, contribuyendo de manera favorable con el medio ambiente y
con un mejor nivel de vida. El consumo energético en estos sectores que
requieren brindar confort térmico en edificios públicos y viviendas es afectado por
condiciones térmicas tales como el clima, los diseños, los materiales de
construcción, etc., los cuales de forma particular o global generalmente conllevan
a un elevado costo en el consumo de energía para lograr las condiciones de
confort que requieren las personas habitantes de los espacios. Por otro lado, la
Capítulo 1
Introducción
15
instalación de equipos de aire acondicionado en un edificio puede llegar a
representar entre el 10% y el 20% del costo total de la inversión inicial y el primer
lugar en consumo de electricidad [Ambriz, 1996], y estudios realizados por la
Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, CONAE, muestran que los edificios
con aire acondicionado tienen una densidad de potencia que pueden triplicar la de
los que no cuentan con dicho equipo [Avila, 1994].
Las estadísticas emitidas por la Secretaría de Energía a través del Sistema
de Información Energética, indican que en nuestro país durante el año 2009, la
generación bruta del sector eléctrico nacional fue de 181, 465,433.3 MegaWatts-
hora, de los cuales los sectores doméstico, comercial y de servicios consumieron
66, 032,341 Mega-Watts-hora, lo que representa el 37% del consumo total [SIE
2010], esta información se muestra en la gráfica 1.3.
Gráfica 1.3.- Consumo de energía eléctrica en México (2009).
Gran parte del consumo de energía aplicada en el sector residencial para la
climatización, se ocasiona porque la mayoría de los edificios en México que
cuentan con sistemas electromecánicos para acondicionamiento de aire,
obedecen a diseños propios de otras latitudes sin considerar las condiciones
climáticas de un determinado sitio o proyecto. México es un país ubicado entre los
87° y 118° de longitud Norte, y entre los 14° y 32° de latitud Oeste, lo que le
permite contar con gran variedad de climas. Haciendo un inventario de climas, se
5.12
38.43
56.44
CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR SECTOR
AGRICOLA
DOMESTICO, COMERCIAL,Y SERVICIOS
INDUSTRIAL
Capítulo 1
Introducción
16
puede decir que existen casi todos: se tienen lugares de los más calurosos del
mundo, como en el noroeste del país; calurosos secos como gran parte del centro-
norte; zonas costeras tanto en el Golfo de México como en el Océano Pacífico en
donde se tienen altas temperaturas, combinadas con mucha humedad en la época
del verano, y zonas montañosas (como en el sudeste) que presentan climas
templados con mucha lluvia y neblina. Sin embargo, la escasa información de las
variables climáticas favorece el mal uso de la energía eléctrica, en el caso
específico de la utilización del aire acondicionado.
La mejor y con frecuencia, la manera más barata de ahorrar energía de
enfriamiento sin afectar el ambiente de confort en el interior de los edificios se
logra a través de la reducción de las ganancias de calor internas y externas. La
reducción de ganancias de calor internas se obtiene disminuyendo el consumo
eléctrico a través de la operación idónea o el uso de equipos eficientes
(iluminación, aparatos, etcétera). Por su parte, la reducción de ganancias de calor
externas se logra a través de la selección adecuada de los materiales, la forma
arquitectónica y la orientación de la construcción. En el caso de cargas internas se
pueden dar recomendaciones generales que marquen la pauta, pero los
resultados obtenidos pueden variar debido a la forma y costumbres de vida de las
personas. Además existe tal variedad de escenarios que es complicado tratar de
evaluar cada uno. Por ejemplo, hay personas que utilizan ropa ligera o gruesa y
esto es más que suficiente para cambiar las condiciones de confort; también, el
concepto de confort hace que el punto de operación del aire acondicionado o la
calefacción sea diferente entre los seres humanos. En el caso de cargas externas,
es posible realizar su simulación sin depender de las personas que la habitan, sólo
es necesario conocer el sitio donde se localiza la edificación (condiciones
meteorológicas), las características de la construcción (tamaño y tipo de
materiales) y la orientación con respecto al sol, haciendo hincapié en que el
cuidado de la envolvente juega un papel crucial en la ganancia de calor [Heard,
1999].
La tendencia de la arquitectura contemporánea y los efectos que conlleva
pueden y deben corregirse, con base en la aplicación de acciones orientadas a
Capítulo 1
Introducción
17
implementar una arquitectura que responda favorablemente a la tradición, cultura
y clima de un lugar, y que aproveche adecuadamente los avances científicos y
tecnológicos disponibles, con una cultura que tome en cuenta el desarrollo
sustentable, con conceptos compatibles con los que se han establecido en
importantes foros internacionales, tales como los planteados en Estocolmo, 1972;
Montreal, 1990 Río de Janeiro 1992, y el protocolo de Kioto 1997 [Rodríguez,
2001].
Con el presente trabajo se pretende impactar en el diseño de viviendas que
se ubiquen en diferentes regiones del Estado de Morelos, México; buscando que
las personas que habiten este tipo de construcciones tengan condiciones de
confort térmico.
Capítulo 1
Introducción
18
1.3 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
La habilidad o inhabilidad de las sociedades para dominar tecnología, y
particularmente tecnologías que son estratégicamente decisivas en cada período
histórico, determinan en gran manera su destino, al punto de que se podría decir
que mientras la tecnología por sí misma no determina la evolución histórica y el
cambio social, la tecnología (o la falta de ella) da cuerpo a la capacidad de las
sociedades para transformarse a sí mismas.
Manuel Castells
En la realización de la revisión bibliográfica el tema sugiere un análisis de
cuatro áreas. La primera es sobre el estado del arte de la arquitectura bioclimática
y de las metodologías para el cálculo de las cargas térmicas en viviendas, la
segunda considera el tratamiento de los datos climáticos, la tercera se enfoca a la
evaluación de energía en edificios utilizando programas de cómputo, y la cuarta es
un análisis de los estudios paramétricos.
1.3.1 ESTUDIOS SOBRE ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA Y DE LAS METODOLOGÍAS DEL
CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS EN VIVIENDAS.
Seem et al., en 1989, presentaron un método en el cual se aplican
funciones de transferencia para describir el flujo de calor, el método determina con
precisión intercambios de radiación de onda larga y convección en un recinto a
través de una malla aproximada referida como la malla estrella. Aclarando que la
definición de función de transferencia usada en el campo de la transferencia de
calor en edificios es diferente de la que se usa en el campo de los controles
automáticos.
Desde el punto de vista arquitectónico García, en 1996, propuso una
metodología de diseño, que consta de las siguientes etapas: análisis micro
climático del sitio de ubicación del proyecto; estudios de geometría y de incidencia
solar en el edificio; diseño y evaluación de dispositivos de control solar; análisis y
estrategias de diseño Bioclimático; un balance energético, el cual involucra el
Capítulo 1
Introducción
19
cálculo y diseño de los sistemas de adecuación ambiental del edificio y finalmente
una evaluación y retroalimentación del proyecto.
En el manual editado por el (ARI) Air-Conditioning and Refrigeration
Institute, en 1999, se presentó un procedimiento para evaluar las cargas de
calefacción y enfriamiento residenciales. En este cálculo se toman en cuenta los
parámetros de diseño (temperatura exterior e interior), así como ganancias de
calor por: efecto solar, ocupantes, infiltración y ventilación, sin embargo, son datos
referidos a tablas y solo proporcionan un valor instantáneo de las ganancias de
calor.
Morillón, en 2001, presentó una metodología para la climatización natural
de edificios (arquitectura bioclimática), con el objetivo de lograr un uso adecuado
de los componentes del edificio (muros, techos, pisos, orientaciones, etc.), que al
interactuar con el ambiente tomen ventaja, sin deterioro del mismo, logrando
diseños energéticamente eficientes. Todo ello acorde con el paradigma de la
sustentabilidad (coincide en gran manera con la propuesta de García, 1996).
En el ASHRAE 2001, se propusieron varios métodos de cálculo, algunos
son métodos para estimar los valores de energía, (cálculos simples) y otros, son
métodos para la evaluación de las cargas térmicas en el diseño y selección de los
equipos de aire acondicionado (cálculos más detallados). En primer lugar se
describe un procedimiento de medición simple, que está definido como método
para estimar energía: “modelo de calentamiento o enfriamiento de espacios,
energía/grado día”, este modelo es útil en la estimación de cargas mensuales de
calentamiento de una estructura a grandes rasgos y en estado permanente. Se
reconoce que las cargas de calentamiento del espacio estimadas de esta manera
pueden tener errores significativos, el modelo, sin embargo, provee un estimado
de las cargas de calentamiento del espacio con un esfuerzo de cómputo mínimo.
Otros modelos están diseñados para el cálculo de cargas de enfriamiento
para aire acondicionado, en su implementación se requiere mayor número de
variables de datos de clima, tal es el caso del “Método de temperatura diferencial
total equivalente (TETD/TA)”. En este método, se obtiene el total de las ganancias
Capítulo 1
Introducción
20
de calor en el recinto, y esta ganancia es convertida a una carga de enfriamiento
instantánea.
También se describió el “Método de la función de transferencia (TFM)”, por
medio del cual, se logra estimar las cargas de enfriamiento en periodos horarios,
predecir las condiciones térmicas del recinto, establecer programas de control y
programas de operación, el método de función de transferencia (TFM) es aplicado
para el cálculo de flujo unidimensional de transferencia de calor en paredes y
techos soleados, utiliza factores de peso llamados coeficientes de función de
transferencia, los cuales toman en cuenta los efectos del almacenamiento térmico
para convertir las ganancias de calor a cargas de enfriamiento. Tales factores de
peso se relacionan específicamente con la geometría, configuración, masa y otras
características del recinto, que se reflejan en efectos de almacenamiento térmico
sobre un tiempo base. Se menciona, que el TFM es preferible a otros métodos y
técnicamente más preciso para un análisis específico de cargas de enfriamiento,
sin embargo, es más complejo y requiere el uso de equipos de cómputo.
Hernández, en 2003, propuso una metodología para calcular las cargas
térmicas en un periodo horario, considerando las siguientes ganancias de calor:
transmisión a través de la envolvente (paredes, ventanas, puertas, techos,
particiones y pisos), generadas por la diferencia de temperatura entre los dos
lados de la barrera; y ganancias por efectos internos: ocupantes, y equipos
eléctricos. Para efectuar estos cálculos se aplica el concepto de “Temperatura
aire-sol” [Mackey and Wright, 1944, 1946].
ASHRAE, 2005, propusó el Método del Balance de calor Residencial
(Residencial Heat Balance (RHB) Method): Este método permite una simulación
detallada del comportamiento térmico y los flujos de calor en el espacio. Dentro del
marco de consideraciones, el HB incluye cuatro procesos distintos: balance de
calor en la cara exterior, proceso de conducción en la pared, balance de calor en
la cara interior, y balance de calor del aire al interior. La estimación de las cargas
de enfriamiento involucra balances de calor por conducción, convección y
radiación para cada superficie, y un balance de calor por convección para el aire
del recinto, todos los cálculos consideran el estado transitorio del sistema, este
Capítulo 1
Introducción
21
programa solo se puede aplicar con un programa de cómputo y sirve de base para
los programas de análisis de energía BLAST y TARP.
Como se observa en los estudios reportados para el cálculo de cargas
térmicas, es indispensable contar con la información de las condiciones climáticas,
en consecuencia dedicamos el siguiente apartado para obtener información sobre
el manejo de datos de clima.
1.3.2 DATOS CLIMÁTICOS.
Knigth et al., en 1991, desarrollaron una técnica para calcular datos de
clima aplicando correlaciones, el objetivo era inferir datos horarios en función de
datos promedio mensual, la información de referencia a largo plazo fue tomada de
la base de datos SOLMET, la metodología se propuso con base en una
combinación de varios métodos generados y previamente publicados: (Brinkworth,
1977; Graham, 1988; Saunier, 1987; Aguilar, 1988; Gordon, 1988;). Los datos
fueron comparados para tres lugares: Abuquerque NM (Clima desértico), Madison
WI (Clima continental) y New York NY (Clima oceánico), se concluyó que el índice
de claridad es el factor determinante para la precisión de estas correlaciones; para
clima desértico y continental, los mejores resultados se obtuvieron aplicando la
correlación de Bendt; sin embargo, para clima tropical, la mejor correlación resulto
ser la de Saunier, la clasificación de climas se tomo de acuerdo a Rudloff, 1981
(clasificación de Köppen reformada).
Pérez et al., en 2001, realizaron un estudio de clima en Mérida, Yucatán
para lograr diseños arquitectónicos adecuados al clima (cálido sub-humedo),
analizaron las variables meteorológicas, que fueron tomadas de estaciones termo-
pluviométricas del observatorio meteorológico y del software METEONORM.
Concluyeron que las temperaturas están dentro del rango de confort de acuerdo al
diagrama psicrométrico del ASHRAE pero la humedad es muy alta. El viento es
abundante, se concluyó que la técnica bioclimática a utilizar es la ventilación.
Joyce et al., en 2001, analizaron el efecto del microclima urbano en el
consumo de energía, para tal efecto fueron utilizados dos edificios de oficinas
Capítulo 1
Introducción
22
prototipo, uno con altas ganancias de calor y otro con bajas ganancias de calor
internas, los modelaron en diferentes ubicaciones (Rio de Janeiro, 22.54ºS
43.12ºO, con clima tropical y Florianópolis, 27.5ºS 48.5ºO, con un clima
subtropical). Para evaluar el consumo de energía se realizaron las simulaciones
usando DOE2, se utilizaron datos de clima de dos estaciones meteorológicas
ubicadas en aeropuertos y en la Universidad Federal de Santa Catarina, el
primero de los edificios prototipo tiene sus fachadas al norte y al sur, con 80% de
área de ventanas, coeficiente de sombreado de 1 y no tiene protección solar
(prototipo 79), mientras que el otro edificio tiene solamente 20% de área de
ventanas, coeficiente de sombreado de 0.29 y una protección horizontal de 1m
(prototipo 49). Los prototipos fueron divididos en cinco zonas, cada una de ellas
con sistema independiente de HVAC. Los resultados para Florianópolis dan una
diferencia de 59% en el consumo de energía (mayor consumo en el prototipo 79).
El modelado de los edificios ubicándolos en Río de Janeiro presenta una
deferencia similar, concluyeron que la envolvente del edificio es la que influye en
el consumo energético y no se encontró un efecto considerable causado por el
microclima.
Quiñones et al., en 2002, hicieron un estudio en dos partes de la radiación
solar y la temperatura en Temixco, Morelos. Se analizaron los datos de radiación
de 5 años, y se obtuvieron los índices de claridad para la temporada de lluvia y la
de sequía. Se elaboraron las gráficas de frecuencia acumulativa del índice de
claridad y se compararon con las de Liu y Jordan, 1960, resultando bastante
aproximadas.
Ayuso et al., en 2002, realizaron un trabajo de investigación cuyo objetivo
fue validar algunos de los modelos aplicados para calcular la componente difusa, a
partir de datos reales de radiación solar global, para tal efecto se obtuvieron
mediciones de radiación global y difusa sobre una superficie horizontal y una
inclinada, posteriormente se compararon las mediciones con resultados obtenidos
aplicando los modelos: Isotropo, Klucher (1979), Temp & Coulson (1977), y Pérez
et al. (1986), de su comparación concluyen que para cielos despejados 6.0tk ,
los modelos subestiman la radiación solar difusa, mientras que para cielos
Capítulo 1
Introducción
23
nublados 6.0tk , la sobrestiman. Para la realización de este trabajo se utilizaron
datos de radiación solar registrados en la estación radiométrica CIBA (Centro de
Investigación de la Baja Atmósfera, Universidad de Valladolid). Como conclusión
destacan que los resultados del modelo de Pérez son satisfactorios.
ASHRAE 2005, presentó información climática, que puede utilizarse como
base de datos para diseño, también propuso una metodología para ordenar los
datos con la información del clima: Temperatura de bulbo seco, relación de
humedad, punto de roció, entalpía, velocidad y dirección del viento (No se incluyen
datos de radiación solar). Este archivo contiene información de 4422 localidades
de los Estados Unidos, Canadá, y otros países, se registran 20 años, de 1982 al
2001, para México los datos son muy escasos, en este periodo.
Sánchez et al., en 2005, presentaron una nueva metodología para calcular
la radiación solar directa y difusa, para lo cual, implementaron un programa
utilizando el lenguaje C++, el modelado se realizó estableciendo 20 posiciones
solares, variando la altitud y el azimut solar para una latitud de 40ºN, mencionaron
que la radiación solar es la principal contribución en un balance de energía
superficial o volumétrico durante el día, especialmente en edificios residenciales,
donde las ganancias internas son muy bajas. Se presentan gráficas comparativas
entre resultados experimentales y los obtenidos bajo la metodología propuesta,
ambos dan valores con una gran similitud.
Loutzenhiser et al., en 2007, realizaron un trabajo sobre la validación
empírica de modelos para calcular la radiación solar global sobre superficies
inclinadas, como entradas se usaron datos de radiación solar difusa y directa, se
analizaron siete modelos: (1) isotropic sky , (2) Klucher, (3) Hay-Davies, (4) Reindl,
(5) Munner, (6) 1987 Pérez y (7) 1990 Pérez. Los programas de simulación para
energía en edificios examinados son: Energy Plus, DOE-2, TRNSYS, y ESP. Se
analizaron dos periodos de 25 días en Octubre y Marzo/Abril, incluyendo diversas
condiciones atmosféricas y altitudes solares en Duebendorf, Suiza. El resultado
obtenido con la implementación de los programas fue comparado con la validación
empírica, se encontró que la desviación media en los dos periodos evaluados fue
de: (1) 5.3% y 7.7% para el modelo isotropic sky, (2) 1.1% Hay-Davies, (3) 2.6%
Capítulo 1
Introducción
24
Reindl, (4) 2.8% Munner, (5) 6.2 Klucher, (6) 2.6%, 5.0% y 0.5%, y 1% para los
modelos propuestos por Pérez 1990 y (7) 3.5% Pérez 1887.
1.3.3 EVALUACIÓN DE ENERGÍA EN EDIFICIOS UTILIZANDO PROGRAMAS DE CÓMPUTO.
Kumar, en 1991, presentó un trabajo sobre envolventes de edificios con un
enfoque pasivo. El objeto de su estudio fue cuantificar los efectos de la envolvente
de un edificio tradicional en comparación con la contribución de opciones pasivas
para confort térmico (en verano) en espacios del interior de casas comunes en la
región de Delhi, India. Para este estudio, se usó el programa TEMPLE
desarrollado por la Organización para la Investigación Científica e Industrial
(CSIRO), en Australia. El flujo de calor a través de todos los límites sólidos es
calculado por el método de diferencias finitas, usa un banco de datos de clima y
toma en cuenta las cargas internas, también considera el efecto del
almacenamiento térmico de la estructura del edificio. Se concluye, que
implementando opciones pasivas es posible ahorrar hasta dos terceras partes de
la energía requerida para confort.
Duffie y Beckman, en 1991, presentaron una reseña sobre la evolución de
los programas de simulación en el diseño de sistemas solares, en la cual se pone
de manifiesto que el uso de los métodos de simulación en el estudio de procesos
solares se ha desarrollado en una etapa relativamente reciente, el primer trabajo
que se menciona es el de Buchberg and Roulet en 1968, en el cual se desarrolló
un modelo para sistemas de calentamiento residencial, a partir de estas fechas,
los programas de simulación de proceso solares han evolucionado y su uso se ha
extendido. Posteriormente fueron desarrollados varios programas, tales como:
WATSUN (1989), programa diseñado en la Universidad de Waterloo, Canadá, el
cual modela un gran número de sistemas activos incluyendo tanques estratificados
y no estratificados. MINSUN, desarrollado bajo los auspicios de la International
Energy Agency, [Chant, 1985] está específicamente diseñado para la simulación
de sistemas con almacenamiento térmico. G3, de Suiza, [Guisan et al., 1988] es
un programa simplificado que está basado en diagramas con entradas–salidas
Capítulo 1
Introducción
25
diarias, está diseñado para una evaluación rápida y fácil de sistemas activos. ISFH,
de Alemania [Schreitmüeller, 1988] un programa versátil con una combinación de
subrutinas; incluye un banco de datos con promedios mensuales de condiciones
de clima. En lo referente al uso de sistemas de cómputo en el diseño de sistemas
solares pasivos Klein en 1983, menciona que TRNSYS® se considera como uno
de los programas más potentes, el cual se utilizó por vez primera en 1977, y ha
pasado por varias revisiones mayores y muchas modificaciones menores.
Bérnard Et al., en 1992, analizaron las ventajas de resolver los cálculos de
energía en edificios con técnicas de control óptimo; las dos variables de control
son: el calor que recibe el edificio y el intercambio de calor variable a través de la
envolvente. La primera parte del control tiene como entrada datos meteorológicos
y como salida la temperatura interior. Fue aplicado para dos categorías de
edificios: una caracterizada por ganancias solares directas con una estructura
térmica baja y la segunda categoría para un edificio aislado, con menos ventanas
y menor ganancia solar. Con este tipo de control, se pretenden realizar algoritmos
encaminados para la creación de sistemas inteligentes, que tengan la habilidad de
determinar cuando la potencia requerida para mantener condiciones de confort en
el edificio pueda disminuir (periodos nocturnos o fines de semana).
En el panorama mundial con el incremento de la potencia y el precio
accesible de las computadoras personales se ha generado la proliferación de
software para la evaluación de energía en edificios. Un análisis efectuado entre los
países de la Agencia Internacional de Energía (IEA) reveló que existen 215
programas, 185 de los cuales se desarrollaron en los Estados Unidos, sin
embargo es poco el control de calidad que se tiene sobre estos programas de
cómputo, y los expertos han encontrado diferencias significativas entre estos
programas. Estando conciente de este problema la IEA ha desarrollado un
procedimiento cuantitativo para la valoración y diagnóstico de software utilizado
para evaluación de energía en edificios. Judkof, et al., en 1995, reportan el
desarrollo de dicho procedimiento que fue llamado Building Energy Simulation
Test and Diagnostic Method (BESTEST). En los resultados de este estudio
Capítulo 1
Introducción
26
TRNSYS ha sido considerado como uno de los programas más útiles para la
simulación de sistemas solares activos.
Fiskel et al., en 1995, describieron el esquema computacional incorporado
dentro de TRNSYS 14 y su capacidad, también desarrollaron un método más
robusto para la resolución de ecuaciones simultaneas no lineales. Este utiliza
bloques de ecuaciones para mejorar las condiciones de convergencia en los
sistemas iterativos permitiendo resolver problemas que eran difíciles o imposibles
de resolver en versiones previas.
Bansal et al., en 1996, reportaron el desarrollo de ADMIT un software para
simulaciones térmicas en edificios, logrando la incorporación de conceptos solares
pasivos, especialmente para enfriamiento. Los resultados de su técnica (ADMIT),
difieren al compararlos con los correspondientes de TRNSYS y SUNCODE,
debido a que los modelos analizados utilizan diferentes técnicas matemáticas.
Lam et al., en 1999, como resultado del estudio realizado expresaron lo
siguiente: “Edificios, energía y medio ambiente han llegado a ser puntos clave
para los profesionales en edificios”. Reportan que en Hong Kong hay un gran
aumento en el consumo de energía, especialmente electricidad usada en edificios
y sus respectivas implicaciones con el medio ambiente, las estadísticas de los
últimos 27 años indicaban un crecimiento promedio anual del 9.3%”. De la energía
eléctrica total consumida en edificios los porcentajes para aplicaciones de aire
acondicionado e iluminación son del 40%-60% y del 20%-30% respectivamente.
Consideran que con el comportamiento solar pasivo del edificio y una adecuada
iluminación natural, se puede lograr un uso eficiente de energía. Opinan que es
complicado tener bancos de datos meteorológicos adecuados y completos. En
este estudio se aplicó un programa de simulación (DOE-2.1E), con los resultados
de su trabajo se proponen elaborar monogramas o cartas simples de datos
Zweifel et al., en 2001, ofrecieron una visión general sobre el uso de la
simulación de edificios en Suiza, trabajaron en edificios de doble fachada que
usan una técnica única para la combinación de flujo de calor y de aire entre zonas;
adaptaron interfaces, con una base de datos común, implementado la simulación
de edificios para la educación de ingenieros, desarrollaron metodologías para la
Capítulo 1
Introducción
27
validación de programas y para la evaluación de nuevos programas. La simulación
de edificios es ofrecida como un servicio a arquitectos y a ingenieros. Para sus
simulaciones aplican el programa DOE-2, y el programa IDA, el cual fue
desarrollado por la compañía sueca de tecnologías de simulación EQUA. Este
programa fue comparado con otros para calcular las cargas de
calentamiento/enfriamiento, y para temperaturas de recintos, dando resultados
similares, los programas usados para la comparación fueron: ESP, BLAST, DOE2,
SERRES, S3PAS, TRNSYS, TASE, SUNCODE.
Neymark J. et al., en 2002, presentaron un trabajo sobre la validación de
programas de simulación de energía en edificios aplicando el método BESTEST
(Building Energy Simulation Test), plantean que la validación general de estos
programas consiste de una combinación de validación empírica, verificación
analítica, y técnicas comparativas. Para este estudio se realiza un análisis de los
programas: CA-SIS, CLIM2000, ENERGYPLUS, PROMETHEUS, TRNSYS-TUD Y
DOE-2. Mencionan que los niveles de validación dependen del grado de control
ejercido sobre las posibles fuentes de error en una simulación. Analizaron los
resultados de las simulaciones considerando el consumo total de energía eléctrica,
la relación de humedad y la temperatura en la zona. Para el caso de TRNSYS-
TUD se menciona que TRNSYS® es el principal programa para el análisis de
sistemas solares activos en los E.U., y TRNSYS-TUD es una versión aumentada
con algoritmos desarrollados por la Technische Universität Dresden (TUD),
Alemania.
Huang et al., en 2003, desarrollaron normas de energía para edificios
residenciales y comerciales en Egipto. El código propuesto para cálculos de
energía residencial fue terminado en Junio de 2003. Posteriormente en la
primavera de 2004 se presentó la propuesta del código para energía comercial.
Ambos estándares pasarán por un proceso de evaluación público antes de ser
presentado al gobierno para su divulgación. Mientras los códigos fueron
concluidos, los autores desarrollaron un plan detallado para la implementación y
puesta en funcionamiento de la infraestructura, y garantizar materiales y software
con el fin de promulgar y hacer cumplir los estándares apropiadamente, así como
Capítulo 1
Introducción
28
dar inicio a un programa muy importante de difusión buscando una transformación
del mercado egipcio y lograr eficiencia energética. Un componente clave en el
desarrollo de los estándares fue el uso del programa DOE-2.
Tzikopoulus et al., en 2005, mencionaron que la aplicación de los principios
bioclimaticos es un factor crítico para reducir el consumo de energía y las
emisiones contaminantes dentro del sector de edificios, desarrollaron un modelo
de regresión considerando la eficiencia energética como una función de las
condiciones medioambientales, las propiedades termofísicas de la envolvente y el
uso de sistemas solares pasivos. Para el estudio, se analizaron edificios ubicados
en las siguientes ciudades: Bélgica, Dinamarca, Francia, Grecia, Italia, Holanda,
Portugal y el Reino Unido, se tomaron como muestra 77 edificios (museos
oficinas, escuelas, hospitales y casas). Según los autores, aunque existen
numerosos casos de estudio que modelan edificios para evaluar el consumo de
energía, u otros datos de su comportamiento, pocos han sido los esfuerzos
aplicados en analizar grandes muestras de estructuras bioclimáticas usando
técnicas estadísticas. Ellos plantearon que la eficiencia térmica es igual al
porcentaje de energía ahorrada de un edificio tradicional con respecto a un edificio
construido con principios bioclimáticos. En sus estimaciones los valores de la
eficiencia energética varían de 19.6 a 100%, las condiciones medioambientales
incluyen: latitud, altitud, temperatura ambiente, grados-día y horas de insolación;
contemplan la implementación de sistemas solares pasivos, como: calentadores
solares de agua, dispositivos de sombreado, ventilación natural, invernaderos y
muros con almacenamiento térmico. Como resultado del análisis, proponen un
modelo basado en los grados-mes. Sus conclusiones consideran que los grados-
día que determinan las necesidades de calentamiento son inversamente
proporcionales a la eficiencia energética (es decir se puede lograr mayor eficiencia
energética en climas calurosos), también se encontró que el área y volumen del
edifico tienen un impacto significante.
Kämp et al., en 2007, desarrollaron un modelo simplificado para simular el
flujo de calor en edificios como parte de un proyecto para calcular flujos de
energía dentro de distritos urbanos, tomando como punto de partida un modelo
Capítulo 1
Introducción
29
estándar de dos nodos de resistencia-capacitancia. Los autores hacen un
planteamiento inicial de métodos para el cálculo de transferencia de calor que
pueden ser clasificados como: soluciones explicitas de la ecuación de difusión de
calor, y técnicas de simplificación de modelos, como son los modelos de redes de
resistencia-capacitancia y admitancia. En este caso, consideran que los modelos
de redes de resistencia-capacitancia y admitancia ofrecen simplicidad con
razonable precisión y generalidad, y se basan en una analogía de un circuito
eléctrico, el modelo matemático es una ecuación de primer orden que fue resuelta
analíticamente y también utilizado el esquema de Euler (método implícito). Se
realizó una comparación con ESP-r (programa de simulación de energía en
edificios desarrollado en la Universidad de Strathclyde, Reino Unido) y se constató
que para un rango de configuraciones en edificios, el modelo responde de manera
satisfactoria en cuanto al cálculo de la demanda energética y sus características
temporales (como la temperatura interior).
Pan et al., en 2008, utilizaron el programa Energy Plus para evaluar el
comportamiento energético de dos edificios de oficinas en Shanghái, China, para
evaluar el ahorro de energía que se obtiene en un edificio diseñado de manera
bioclimática, comparado con un edificio común. Ambos edificios son centros de
adquisición y procesamiento datos donde se encuentran instalados un gran
número de equipos electrónicos (servidores, equipo para almacenamiento de
datos, dispositivos de redes, monitores, etc.). Los autores presentan varias
referencias en las que se compara la eficiencia del programa Energy Plus versus
el DOE-2, y concluyen que el Energy Plus es considerado como uno de los
programas de nueva generación para la evaluación de energía en edificios, que
reemplaza a DOE-2. La propuesta es que ambos edificios sean diseñados usando
varias estrategias para alcanzar un ahorro de energía. Estas estrategias
comprenden mejoras en la envolvente del edificio, como son los factores U de
muros y techo; alumbrado y HVAC. Se evaluaron tres modelos con diferentes
características de la envolvente, considerando diferentes valores del coeficiente
global de transferencia de calor, el diseño propuesto con el cual se logra una
mayor eficiencia energética, presentó un ahorro anual del 27% con respecto a la
Capítulo 1
Introducción
30
norma China y 21% con relación a los parámetros señalados en el ASHRAE 90.1,
2004.
Peeters et al., en 2008, evaluaron el comportamiento térmico de una casa
en Flandes, Bélgica, implementaron el programa TRNSYS 16.1, para determinar la
eficiencia energética. Para la simulación se utilizó el control de nivel de
temperatura, es decir, se evalúa el consumo de energía comprendido entre un
rango determinado para confort, en este caso se marca una temperatura máxima
de 21ºC y una mínima de 15ºC. Se evalúa con diferentes valores de la envolvente
promedio en la edificación [U], desde 0.2 para la casa mejor aislada, 0.4 para un
aislante promedio, hasta 0.5 para la casa menos aislada. Se utilizó TRNSYS para
calcular la demanda neta de calor (NHD), la cual se define como la cantidad de
calor necesaria para mantener las temperaturas indicadas. Los autores concluyen
que para una aplicación eficiente de energía los equipos no deben estar
sobredimensionados, que debe haber una buena emisión y distribución de calor,
pero sobre todo se muestra que existe una relación directa del consumo de
energía en función de la calidad de la envolvente.
Una vez realizada la revisión bibliográfica, nos damos cuenta que se han
creado una gran cantidad y variedad de programas de cómputo, cuya finalidad es
evaluar el comportamiento térmico de las edificaciones. En general todos están
diseñados para resolver las ecuaciones algebraicas y diferenciales que
representan o tratan de representar la interacción de la edificación con el medio
ambiente, la mayoría de los trabajos reportan que la eficiencia energética se logra
en función de las propiedades termofísicas de los materiales de la envolvente,
principalmente se considera el coeficiente global de transferencia de calor (“U”).
En el siguiente apartado se realiza una revisión de los estudios paramétricos, que
contemplan fenómenos de transferencia de calor en estado transitorio.
1.3.4 ESTUDIOS PARAMÉTRICOS.
Con relación a este aspecto Asan et al., en 1998(A), estudiaron el
comportamiento del retraso de tiempo y el factor de decremento sobre una
Capítulo 1
Introducción
31
edificación, simulando diferentes materiales de construcción de la envolvente.
Para este propósito se resolvió la ecuación de conducción de calor en estado
transitorio unidimensional aplicando el esquema de Crack-Nicolson bajo
condiciones de frontera convectivas. Plantearon que la temperatura de la
superficie exterior cambia continuamente durante el día, y que habrá perfiles de
temperatura diferentes para cada instante, estos perfiles están en función de la
temperatura interior, la temperatura exterior y las propiedades termofísicas del
muro. Durante este proceso transitorio, una onda de calor fluye a través de la
pared del exterior al interior, la amplitud muestra la magnitud de la temperatura y
la longitud representa la variación en el tiempo. El tiempo que tarda la onda de
calor para propagarse desde la superficie exterior a la superficie interior se
denomina como: “tiempo de retraso” o “retraso de la fase” y la relación del
decremento de su amplitud durante el proceso se denomina como: “factor de
decremento” o “factor de atenuación”. Demostraron que las propiedades
termofisicas tienen una gran influencia sobre el tiempo de retraso y el factor de
decremento.
Asan et al., 1998(B), estudiaron nuevamente por medio de métodos
numéricos los efectos del espesor y posición de materiales aislantes de los muros
sobre el retraso de tiempo y el factor de decremento. En este caso el total del
espesor de la pared es de 20 cm. (aislante + masa térmica), este espesor se
mantiene constante, de manera que si se aumenta el espesor del aislante, se
reduce proporcionalmente el espesor de la masa térmica. El aislante fue colocado
en tres diferentes posiciones de la pared: en la superficie exterior, en la superficie
interior, y en el plano central de la masa térmica, se realizaron varias simulaciones
y se encontró que la posición y el espesor del aislante tienen un gran efecto sobre
el tiempo de retardo y el factor de decremento. Para el análisis de estos casos
fueron utilizados tres tipos de aislantes: espuma de poliuretano, tabla de corcho y
caucho, para dos diferentes masas térmicas: ladrillo y madera. Los mejores
resultados fueron para la madera, el tiempo de retardo más elevado fue en con el
aislante de caucho sin importar mucho la posición, sin embargo el factor de
decremento más bajo se presentó con la espuma de poliuretano colocando la
Capítulo 1
Introducción
32
mitad del aislante en la superficie interior y la otra mitad en la superficie exterior
del muro.
Asan et al., en el 2000, continúan realizando estudios sobre los efectos del
espesor y posición de materiales aislantes de los muros para ver su efecto en el
retraso de tiempo y el factor de decremento. En esta investigación se aplican los
métodos de solución ya descritos con anterioridad, solo se cambia la configuración
en las posiciones del aislante y la masa térmica. Se colocaron cuatro centímetros
de aislante (poliuretano) en diferentes posiciones combinadas con veinte
centímetros de una pieza de ladrillo, en total se obtuvieron seis configuraciones,
concluyen que colocando la mitad del aislante en el plano central de la pared y la
otra mitad en la superficie exterior de la pared nos da un gran retraso de tiempo y
bajo factor de decremento (cercanos a los valores óptimos).
Papadopoulus, et al., en el 2005, concluyeron que los materiales aislantes
son la herramienta clave en el diseño y construcción de edificios ahorradores de
energía, y que está demostrado porque en los últimos años se ha registrado un
incremento del espesor del aislante usado para edificios. El mercado europeo se
caracteriza por el dominio de dos grupos de productos: materiales de fibras
inorgánicas y materiales orgánicos de espuma. Todos ellos con características
similares en lo que se refiere a capacidades aislantes. A pesar del hecho de que
las propiedades térmicas de los materiales no han sido mejoradas
significativamente en la última década, otras características han sido mejoradas,
tales como las propiedades mecánicas, la reacción al fuego y humedad. El uso de
materiales aislantes ha aumentado porque en algunos países se han
implementado normas con valores mínimos de aislamiento, o se considera como
requisito un cierto coeficiente global de transferencia de calor para la construcción
de edificios residenciales. El autor presenta gráficas evaluando a 15 países de
1982 a 1999 donde se aprecia la evolución en el aumento del espesor en
aislantes para muros y techos (el mayor espesor es para los techos, y los países
que más usan es Suecia y Finlandia, y los que menos usan son Turquía y Grecia).
También se presenta una tabla con los coeficientes globales (U) típicos para la
envolvente de edificios residenciales para 18 países. Se concluye que el aumento
Capítulo 1
Introducción
33
de la protección térmica es y será la manera más eficiente y de menor costo para
construir o rehabilitar edificios con un razonable consumo de energía, condiciones
satisfactorias de confort térmico y bajo costo de operación.
1.3.5 CONCLUSIONES DE LA REVISIÓN BIBLIOGRAFICA:
En los estudios sobre arquitectura bioclimática y las metodologías del
cálculo de cargas térmicas en viviendas, uno de los principales factores que
determina si el proyecto se considera viable es: la evaluación térmica. En la
revisión bibliográfica, se presentan métodos simples, algunos de los cuales
pueden resolverse manualmente, y otros que por su complejidad requieren del
apoyo de sistemas de cómputo. Los métodos más simples sólo permiten evaluar
valores instantáneos de ganancias de calor (métodos estáticos), por otro lado,
entre los métodos de cálculo más complejos (métodos dinámicos) se encuentra el
“Método de la función de transferencia” (TFM), el cual considera los efectos del
almacenamiento térmico para convertir las ganancias de calor a cargas de
enfriamiento en periodos horarios, por el número de variables de entrada y el
análisis en estado transitorio, da resultados más apegados a la realidad, esta
metodología requiere herramientas de cómputo. El programa TRNSYS utiliza las
funciones de transferencia para los cálculos de energía térmica
Existe una preocupación por disminuir la incertidumbre de los resultados
que se obtienen por medio de correlaciones para calcular las componentes directa
y difusa de la radiación solar, pues la mayor parte de las estaciones
meteorológicas registran la radiación solar global. En el tratamiento de los datos
climáticos, se proponen correlaciones con las que se pretende sintetizar las
estadísticas obtenidas a largo plazo para obtener datos anuales, estas variables
fueron descritas como funciones irregulares del tiempo (estocásticas). Otros
estudios mencionan que el microclima influye en el comportamiento térmico y en
el consumo energético de los edificios, principalmente las ganancias por radiación
solar sobre la envolvente.
Capítulo 1
Introducción
34
En cuanto a la evaluación de energía en edificios utilizando programas de
simulación, se originó en los años 70s, y a la fecha, existe un gran número de
estos programas (más de 200), con una gran diferencia en los planteamientos,
manejo de modelos y datos. Entre los programas más utilizados se encuentran
DOE-2 y TRNSYS. DOE-2 es un programa de análisis de energía, puede predecir
el uso y costo de la energía para todo tipo de edificios, se hace mención de que
TRNSYS, se considera como uno de los programas más confiables y se utilizó por
vez primera en 1977; estos programas han sido utilizados para realizar estudios
del comportamiento térmico de las edificaciones, principalmente para calcular las
cargas de enfriamiento o calentamiento requeridas para mantener las condiciones
de confort térmico, para periodos horarios, mensuales o anuales.
Los estudios paramétricos proporcionan información que permite determinar
los materiales de construcción adecuados para lograr envolventes con condiciones
bioclimáticas. En la mayoría de los casos se considera como referencia el
coeficiente global de transferencia de calor, también se analiza la influencia que
tienen las propiedades termofísicas de los materiales de construcción, sobre todo
la conductividad térmica k , la densidad , y el calor específico pc , en el
retardo de tiempo y factor de decremento.
Con base en los trabajos analizados se puede plantear que:
No se tiene suficiente información disponible de las variables
meteorológicas para los Estados de la República Mexicana, en particular en
los diferentes municipios del Estado de Morelos, hay muy escasa
información que pueda ser utilizada como banco de datos para alimentar el
TRNSYS.
Se encontraron pocos estudios que evalúen la demanda energética de
edificaciones y viviendas en México, en particular en el sector residencial
considerando el clima del Estado de Morelos, en los que se comparen
resultados de simulaciones anuales, para diferentes tipos de viviendas y
diferentes tipos de materiales de la envolvente.
Capítulo 1
Introducción
35
En otros países se han desarrollado normas basadas en los valores de los
coeficientes globales (U) típicos para la envolvente de edificios
residenciales, sin embargo, en México no se encontraron parámetros que
definan de manera clara una escala, o un rango de valores para efectuar
una calificación energética de las viviendas en el Estado de Morelos.
1.4 OBJETIVO GENERAL:
Realizar el estudio de la demanda energética, la calidad térmica y la
calificación energética de viviendas en el Estado de Morelos, variando parámetros
de la envolvente para presentar alternativas que permitan mejorar las condiciones
térmicas al interior de las edificaciones, realizar un análisis costo beneficio, y dar a
conocer recomendaciones de tipo normativo según el clima.
Objetivos específicos:
Recabar y procesar la información de las variables meteorológicas tales
como: radiación solar, temperatura de bulbo seco, humedad y velocidad
del viento en los diferentes municipios del Estado de Morelos durante todo
el periodo de desarrollo de la tesis para establecer una base de datos de
clima.
Seleccionar viviendas tipo que se construyen en el Estado de Morelos.
Usando el programa de simulación TRNSYS® evaluar la demanda
energética y la calidad térmica de las viviendas en el Estado de Morelos.
Validación de resultados de simulaciones utilizando TRNSYS®, versus
datos experimentales obtenidos en el Contenedor Demostrador de
Investigación del SP4 de la Plataforma Solar de Almería, España (PSA).
Estudio de variación de parámetros de la envolvente de las viviendas, para
evaluar las diferencias en el consumo de energía en el caso de utilizar
equipos de HVAC.
Capítulo 1
Introducción
36
Realizar un análisis costo beneficio, considerando las modificaciones en la
envolvente de las viviendas versus el ahorro de energía para lograr
condiciones de confort.
Generar parámetros que califiquen la calidad energética de las viviendas.
Generar parámetros que califiquen la calidad térmica de las viviendas.
1.5 ALCANCE:
Efectuar la recopilación de datos del clima representativo de las diferentes
regiones del Estado de Morelos, los cuales serán ordenados y acoplados como
banco de datos en el programa TRNSYS®, realizar la simulación de diferentes
viviendas. En las simulaciones se analizarán los efectos que se presentan por la
variación de parámetros tales como: orientación, geometría, materiales de
construcción de paredes y techo, colores de la envolvente, dispositivos de
sombreado, tipo de ventanas, etc. Con base en el estudio anterior, proponer
cambios a la envolvente para optimizar el diseño de viviendas para cada tipo de
clima. Evaluar la calidad térmica de la envolvente, generar indicadores que
califiquen energéticamente las viviendas.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
37
CAPÍTULO 2
CLIMA Y
DEMOGRAFÍA DEL ESTADO DE MORELOS.
En este apartado se presenta información del clima y la demografía en el
Estado de Morelos, así como, un análisis socioeconómico y de viviendas para
seleccionar las casas tipo que se tomaran como referentes. Finalmente, se
describen las consideraciones particulares que se toman en cuenta en el
estudio para realizar las simulaciones.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
38
2.1 EL CLIMA.
El clima es el conjunto de fenómenos meteorológicos que caracterizan el
estado medio de la atmósfera en un punto de la superficie terrestre. La
meteorología es la ciencia que estudia la atmósfera, los fenómenos que en ella se
producen y las leyes que los rigen. El clima caracteriza e identifica una región por
el comportamiento de sus componentes y sus variables atmosféricas; esto da
lugar a un estilo de vida particular para cada zona climática.
Los factores geográficos son las condiciones físicas que identifican a una
región o un lugar en particular, y determinan su clima. Los principales factores son:
Latitud: la latitud es la distancia angular de un punto sobre la superficie terrestre al
ecuador; se mide en grados, minutos y segundos. La importancia de este factor es
que determina la incidencia de los rayos del sol sobre la tierra en un punto
determinado. La incidencia de los rayos solares determina la temperatura y la
cantidad de radiación que recibe un sitio en particular, aunque también depende
de las condiciones del cielo.
Altitud: la altitud es la distancia vertical de un plano horizontal hasta el nivel del
mar; se mide en metros sobre el nivel del mar (msnm). Este factor influye en el
clima de un lugar, porque al aumentar la altitud desciende la temperatura de la
atmósfera.
Relieve: es la configuración superficial de la tierra. Otro factor clave para el clima,
ya que determina las corrientes de aire, la insolación del lugar, su vegetación, la
humedad, etcétera.
Otros: la distribución de la tierra y agua, las corrientes marinas, así como las
modificaciones al entorno son factores que modifican el clima y sus componentes,
tales como la temperatura, humedad, ruido y contaminación de suelos.
Los Elementos del clima son las propiedades físicas de la atmósfera. Los
más importantes para análisis en el proceso de diseño de edificaciones son:
temperatura, radiación solar, humedad, precipitación, dirección y velocidad del
viento, presión y nubosidad [Rodríguez, 2001].
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
39
2.2 ELEMENTOS DEL CLIMA.
2.2.1 Temperatura.
En termodinámica se define como una medida del nivel de la presión térmica
de un sistema o el índice de la velocidad molecular promedio (Cengel, 2003). En
los elementos del clima es común encontrar los términos de temperatura media,
máxima y mínima. Estas lecturas existen generalmente en forma de datos
mensuales y anuales. La temperatura media es el promedio de las temperaturas
en un periodo determinado de tiempo (horario, diario, mensual o anual); es muy
importante ya que permite evaluar la comodidad o el confort térmico. Las
temperaturas máximas y mínimas son el promedio de las temperaturas más altas
y más bajas, respectivamente, registradas en un periodo. Con estos parámetros
se obtiene la oscilación térmica que nos permite conocer qué tanto varia la
temperatura en un día, mes, estación o año, y con ello podemos prever el efecto
que la envolvente y la ventilación pueden tener en el diseño de los espacios, para
este caso las mediciones se llevaron a cabo con sensores electrónicos (HMP45D),
con un intervalo de -40 a 60 ºC, y con un rango de incertidumbre de ±0.2 ºC.
2.2.2 Radiación.
La radiación, es la transferencia de energía a través de ondas
electromagnéticas. Este proceso, a diferencia de la convección, no requiere la
presencia o intervención de materia para su transporte. El origen de la radiación
es el sol, la temperatura efectiva de cuerpo negro que presenta es igual a 5,762 K,
la cantidad de energía del sol por unidad de tiempo recibida sobre una superficie
perpendicular a la dirección de propagación de la radiación fuera de la atmósfera
es la llamada constante solar y tiene un valor igual a 1,353 W/m2 [Manrique, 1984].
La radiación que viene del sol está integrada por diferentes longitudes de onda, tal
como se indica en la figura 2.1. La fracción de energía solar extraterrestre que se
encuentra en el ultravioleta es 7%, en el visible 47.29%, y en el infrarrojo 45.71%.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
40
Figura 2.1.- Espectro de radiación solar.
La transferencia de calor por radiación se establece por la conversión de
energía térmica en energía radiante. La energía radiante viaja hacia fuera del
objeto emisor y conserva su identidad, hasta que es absorbida y reconvertida en
energía térmica por un objeto receptor. Por otra parte, la intensidad y la longitud
de onda de radiación dependen principalmente de la temperatura y naturaleza del
cuerpo radiante.
La intensidad de energía radiante recibida por un objeto depende de los siguientes
factores:
a) De la distancia de la fuente de energía radiante: la intensidad de radiación
recibida varia inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la
fuente y el receptor (I= l/d2).
b) Del ángulo de incidencia de la radiación, la cantidad de energía radiante
recibida por unidad de área será mayor si la radiación incide
perpendicularmente sobre la superficie.
c) De la temperatura del cuerpo radiante y del receptor.
d) De las propiedades ópticas: absortancia () y emitancia () de las superficies.
Las relaciones geométricas entre un plano y cualquier orientación particular
relativa a la tierra y la radiación solar directa incidente pueden ser descritas en
términos de varios ángulos, estos ángulos y sus relaciones entre ellos son:
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
41
o Ф Latitud: localización angular, norte o sur del ecuador, el norte positivo;
-90°<φ<90°
o δ Declinación: la posición angular del sol en el medio día solar, con
respecto al plano del ecuador, norte positivo; -23.45°<δ<23.45°.
o β Inclinación: el ángulo entre el plano de la superficie en cuestión y la
horizontal; 0°<β<180°.
o θ Ángulo de incidencia: ángulo entre la radiación directa sobre una
superficie y la normal a la superficie θ.
o θz Ángulo Cenital: ángulo entre la vertical y la línea al sol; es el ángulo de
incidencia de la radiación directa sobre una superficie horizontal
o γ Ángulo acimutal de la superficie: es la desviación de la proyección sobre
un plano horizontal de la normal a la superficie desde el meridiano local,
cero al sur, este negativo, oeste positivo; -180°<δ<180°.
o γs Ángulo acimutal solar: es el ángulo entre la proyección de la radiación
directa del sol sobre el plano horizontal y el sur de la superficie.
o ω Ángulo horario: es el desplazamiento angular
En superficies horizontales el ángulo de incidencia es igual al ángulo cenital
(θ=θz.), y para superficies verticales β=90°, en la figura 2.2 se muestran el ángulo
zenital, la inclinación, y el ángulo acimutal. La declinación , puede ser calculada
con la siguiente ecuación [Duffie, 1991].
365
284360 *45.23
nSen …………..………………..2.1
donde n es el día del año.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
42
Figura 2.2.- Ángulo zenital, altura solar y ángulo acimutal solar.
La radiación solar global se divide en radiación directa y radiación difusa, los
datos de radiación solar son usados de varias formas y para varios propósitos. La
información más común disponible es de datos de radiación global en promedios
horarios sobre superficies horizontales. En este estudio se utilizó un piranómetro
QMS101, el cual, tiene un sensor que utiliza un detector de fotodiodo para crear
una salida de voltaje proporcional a la radiación recibida. Debido al diseño único
del difusor, su sensibilidad es proporcional al coseno del ángulo de incidencia de
la radiación (figura 2.3).
Figura 2.3.- Piranómetro.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
43
2.2.3 Humedad.
La humedad es el contenido de agua en el aire. Esta cantidad varia con el
tiempo y ubicación, sin embargo difícilmente llega al 5% con respecto a un
volumen dado de aire. Existen diversas escalas para medirla, pudiéndose
expresar como humedad relativa o humedad absoluta. La humedad relativa es la
relación (expresada en porcentaje) de la densidad de vapor de agua en el aire con
la densidad de saturación a la temperatura correspondiente (Hernández, 2003). Se
le llama relativa porque el aire tiene la característica de incrementar el contenido
de humedad a mayor temperatura. La humedad relativa es una manifestación de
energía del aire (calor latente) relacionada de manera directa con la temperatura y
puede afectar nuestra percepción de confort. Para este trabajo la humedad relativa
fue medida con los multisensores WXT510.
2.2.4 Velocidad y dirección del viento.
El viento es aire en movimiento generado por las diferencias de temperatura
y presión atmosférica que son causadas por un calentamiento no uniforme de la
superficie terrestre, ya que mientras el sol calienta el aire, agua y tierra de un lado
de la tierra, el otro lado es enfriado por la radiación nocturna hacia el espacio. El
viento tiene diversos atributos que lo caracterizan, como son dirección, frecuencia
y velocidad. La dirección es la orientación de la que proviene el viento y se mide
con una veleta. La frecuencia es el porcentaje en que se presentó el viento de
cada una de las orientaciones. La velocidad del viento es la distancia recorrida por
el flujo de viento en una unidad de tiempo. El viento es otro parámetro de gran
importancia para el diseño. En algunos climas como los cálidos y húmedos es la
principal forma de climatización. Su uso adecuado puede provocar sensaciones
agradables en espacios que de otro modo serían inhabitables (Rodríguez, 2001).
En este estudio la velocidad del viento se mide con un anemómetro ultrasónico,
contenido en el multisensor WXT510 de Vaisala (figura 2.4).
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
44
Figura 2.4.- Multisensor WXT510.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
45
2.3 CLIMA DEL ESTADO DE MORELOS.
El Estado de Morelos se ubica en la región centro del país y se conforma por
33 municipios, representa el 0.25% de la superficie de la república mexicana
(4,958Km2); colinda al norte con el Estado de México y el Distrito Federal, al este
con México y Puebla, al sur con Puebla y Guerrero, y al oeste con Guerrero y
México. Las coordenadas geográficas extremas son al norte 19º 08’, al sur 18º 20’
de latitud norte, al este 98º 38’, al oeste 99º 30’ de longitud oeste, al Sur del
Trópico de Cáncer, a una altitud promedio de 1,480 m sobre el nivel del mar y con
una temperatura promedio al año de 22.2 °C, en la figura 2.5 se muestra la
división municipal del Estado de Morelos [INEGI, 2006].
Figura 2.5.- División municipal del estado de Morelos.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
46
De acuerdo a datos del INEGI el clima que predomina en el Estado de
Morelos es cálido, sobre todo en las zonas bajas de los ríos Amacuzac y Nexapa.
En menor grado se presenta el clima de tipo semicálido, en una franja que va de
este a oeste situada en la región norte, en la zona de transición entre la sierra y
los valles. El templado o mesotérmico se distribuye en la zona norte, y se localiza
en las partes altas de los valles de Cuernavaca y de Cuautla principalmente. Los
climas semifríos se reducen a pequeñas áreas en el extremo norte,
concentrándose en las partes más altas de la sierra, como son la Cordillera
Neovolcánica y la Sierra Nevada o Transversal.
Clima Cálido: este clima se caracteriza por tener una temperatura media
anual mayor de 22 °C; se encuentra asociado a comunidades vegetativas como
son la selva baja y los pastizales. Por su influencia y extensión es el clima más
importante de la entidad. Rige en el centro y sur, en los límites con el Estado de
México y con Guerrero, cubre aproximadamente un 75% de la superficie de la
entidad. Presenta dos variantes, aunque la más importante es el clima cálido
subhúmedo, que presenta lluvias en verano y un pequeño porcentaje de lluvia en
invierno.
Clima semicálido: este clima tiene una temperatura media anual que fluctúa
entre 18 y 22 °C; está asociado a comunidades vegetativas del tipo del chaparral,
matorral subtropical y pastizal. Se ubica en una región enclavada en el norte de la
entidad, así como en una pequeña zona al sur; abarca aproximadamente un 13%
de su superficie.
Clima templado: este tipo de clima se establece en cuanto a temperatura, por
eso se le considera mesotérmico; se caracteriza por tener una temperatura media
anual entre 12 y 18 °C. Se encuentra asociado a comunidades vegetativas tales
como los bosques mixtos de pino, encino y pastizales. Se localiza en la zona norte
y ocupa aproximadamente un 10% de la superficie de la entidad.
Climas semifrío: se caracteriza por tener una temperatura media anual menor
de 16 °C; está asociado a comunidades vegetativas como bosques y praderas de
alta montaña, se localiza en pequeñas zonas del norte en los límites con el Distrito
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
47
Federal y el Estado de México; cubre aproximadamente un 2% de la superficie de
la entidad.
En el Estado de Morelos, durante el primer periodo de calentamiento anual
(primavera), la insolación es abundante lo que propicia incrementos notables en la
temperatura, llegando a su máxima intensidad en el mes de abril. Durante el
siguiente periodo de calentamiento (verano), las temperaturas tienden a atenuarse
debido a la presencia de nubosidad y precipitación [INEGI, 2006], en la figura 2.6
se muestra la clasificación de climas en el Estado de Morelos.
Figura 2.6.- Diferentes tipos de clima en el Estado de Morelos (INEGI, 2006).
Debido a que se requiere una información de datos del clima en periodos
horarios y registrada con equipo meteorológico, se recopiló información contando
para ello con Estaciones Meteorológicas Automáticas (5 instaladas por el cenidet,
23 de INIFAP y 5 del SMN), las estaciones son de la marca Vaisala, modelo Maws
110, las cuales están conformadas por un conjunto de sensores que registran
información meteorológica de forma automática, generan archivos promedio de
Cálido
Templado
Semicálido
Semifrío
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
48
cada 10 minutos (con registro de datos cada 10 segundos), cada hora y diarios.
Los sistemas Vaisala MAWS 110 integrados con el Datalogger QML201 (figura
2.7), son de nueva generación, sistemas completamente integrados,
especialmente diseñados para aplicaciones climatológicas donde no se cuenta
con suministro de energía eléctrica, se autoabastecen con un panel solar de 10W.
Las estaciones cuentan con un multisensor, y realizan mediciones de las
cinco variables más comunes en meteorología: temperatura, radiación solar,
humedad relativa, presión atmosférica, viento (dirección y velocidad) y
precipitación pluvial, en la figura 2.8 se muestra una Estación Meteorológica
Automática.
Figura 2.7.-Maws con Datalogger. Figura 2.8.- Estación Meteorológica Automática.
Para nuestro estudio se recopiló y procesó la información durante el año
2007, en la tabla 2.1 se describe la ubicación de las estaciones meteorológicas
utilizadas para registrar las variables climáticas.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
49
Tabla 2.1.- Ubicación de las Estaciones Meteorológicas Automáticas en el Estado de Morelos.
MUNICIPIO LATITUD LOGITUD
1 AXOCHIAPAN 18º32' 98º44'
2 AYALA 18º45' 98º52'
3 HUITZILAC 19º02' 99º14'
4 MIACATLAN 18º43' 99º17'
5 MAZATEPEC 18º43' 99º22'
6 CUAUTLA 18º49' 98º59'
7 EMILIANO ZAPATA 18º52' 99º13'
8 TEMOAC 18º45' 98º48'
9 ZACATEPEC 18º39' 99º12'
10 JONACATEPEC 18º41' 98º49'
11 OCUITUCO 18º52' 98º49'
12 PUENTE DE IXTLA 18º27' 99º11'
13 JOJUTLA 18º32' 99º15'
14 TEPALCINGO 18º38' 98º53'
15 TEPOZTLAN 18º56' 99º05'
16 CUERNAVACA 18º58' 99º08'
17 TETELA DEL VOLCAN 18º52' 98º42'
18 TLALNEPANTLA 19º00' 98º59'
19 TLALTIZAPAN 18º41' 99º08'
20 TLAQUILTENANGO 18º31' 99º05'
21 TLAYACAPAN 18º57' 98º59'
22 AYALA 18º46' 98º54'
23 TLAYACAPAN 18º57’ 98º59’
24 TEMOAC 18º46’ 98º47’
25 TEPALCINGO 18º37’ 98º54'
26 TLAQUILTENANGO 18º37’ 99º09’
27 TILZAPOTLA 18º43’ 99º22’
28 JIUTEPEC 18°52' 99°09'
29 TEPOZTLAN 18°57' 99°04'
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
50
En la figura 2.9 se muestra la ubicación de las Estaciones Meteorológicas
Automáticas, la información recabada fue procesada, y se generaron las bases de
datos del clima para alimentar al programa.
Figura 2.9.- Ubicación de las Estaciones Meteorológicas Automáticas en el Estado de Morelos.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
51
2.4 DEMOGRAFÍA DEL ESTADO DE MORELOS.
2.4.1 Distribución de la población.
La población del Estado, de acuerdo a los resultados del Conteo de
Población y Vivienda en 2005 [INEGI, 2006], fue de un millón 612 mil 899
habitantes, y en el 2010 [INEGI, 2011] aumentó 9.3%, para presentar un total de
un millón 777 mil 317 habitantes, estos datos se presentan en la tabla 2.2.
Tabla 2.2.- Población total del Estado de Morelos por municipio.
Municipio 2005 2010 Crecimiento (%)
Amacuzac 15,359 17,021 9.8 Atlatlahucan 13,863 18,895 26.6 Axochiapan 30,576 33,695 9.3 Ayala 70,023 78,866 11.2 Coatlán del Rio 8,181 9,471 13.6 Cuautla 160,285 175,207 8.5 Cuernavaca 349,102 365,168 4.4 Emiliano Zapata 69,064 83,485 17.3 Huitzilac 14,815 17,340 14.6 Jantetelco 13,811 15,646 11.7 Jiutepec 181,317 196,953 7.9 Jojutla 51,604 55,115 6.4 Jonacatepec 13,598 14,604 6.9 Mazatepec 8,766 9,546 8.2 Miacatlán 22,691 24,990 9.2 Ocuituco 15,357 16,858 8.9 Puente de Ixtla 56,410 61,585 8.4 Temixco 98,560 108,126 8.8 Temoac 12,438 14,641 15.0 Tepalcingo 23,209 25,346 8.4 Tepoztlán 36,145 41,629 13.2 Tetecala 6,473 7,441 13.0 Tetela del Volcan 17,255 19,138 9.8 Tlalnepantla 5,884 6,636 11.3 Tlaltizapán 44,773 48,881 8.4 Tlaquiltenango 29,637 31,534 6.0 Tlayacapan 14,467 16,543 12.5 Totolapan 10,012 10,789 7.2 Xochitepec 53,368 63,382 15.8 Yautepec 84,513 97,827 13.6 Yecapixtla 39,859 46,809 14.8 Zacatepec 33,527 35,063 4.4 Zacualpan 7,957 9,087 12.4 Total 1,612,899 1,777,317 9.3
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
52
Morelos está en los primeros lugares a nivel nacional en densidad de
población por kilómetro cuadrado, antecedido básicamente por el Distrito Federal y
el Estado de México. En cuanto a la distribución de la población en el estado la
población concentrada en las zonas urbanas corresponde al 86% y la población en
zonas rurales sólo es el 14%. Del total de la población, el 21.1% reside en el
municipio de Cuernavaca; le sigue en orden de importancia los municipios de
Jiutepec, con 11.6%; Cuautla, 9.8%; Temixco, 5.9%; Yautepec, 5.5%, Ayala, 4.5%
y Emiliano Zapata 4.0%. La participación del resto de los municipios es menor al 4%
cada uno, siendo Tlalnepantla, el municipio menos poblado, con una participación
de 0.4% respecto al total de los habitantes de la Entidad. El Estado presenta un
alto porcentaje de población urbana en comparación con la media nacional (85.4%
vs. 74.6% nac.). Poco más del 45% de la población total del Estado se localiza en
la zona conurbada de Cuernavaca conformada por los municipios de Cuernavaca,
Jiutepec, Temixco, Emiliano Zapata y Xochitepec, la cual se denomina por INEGI
Zona Metropolitana de Cuernavaca. En la gráfica 2.1 se muestra la tendencia
sobre el crecimiento poblacional en el Estado de Morelos.
Gráfica 2.1.- Incremento poblacional en el Estado de Morelos.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
53
La población propensa a formar nuevos hogares es la que se encuentra
entre los 20 y 40 años. De 2005 a 2020 esta cifra pasará, según proyecciones
[CONAPO 2010] de 566,175 a 617,406 habitantes, lo que llevará a un crecimiento
en la formación de nuevos hogares a lo largo de los próximos años, de tal manera
que la demanda de vivienda estará en constante aumento (gráfica 2.2).
Gráfica 2.2.- Población en edad de formar nuevos hogares.
2.4.2 Perspectiva socioeconómica de la población.
En la tabla 2.3 se observa la distribución de la población de acuerdo al nivel
socioeconómico y al tipo de vivienda que en relación con su ingreso tienen la
capacidad de adquirir. El segmento con mayor concentración es el que percibe
menos de 2 salarios mínimos diarios (60%), mientras que el que percibe por
encima de los 10 salarios mínimos diarios representa un porcentaje del 3%.
Tabla 2.3 Distribución de la población de acuerdo al Nivel Socioeconómico Ingreso por persona.
S.M.D. Rango de Ingreso Mensual
(Ingresos personales) Tipo de Vivienda Distribución (%)
Mayor a 10 Mayor de $16341 > $1, 000,000 3
De 5 a 10 De $8171 a $16341 < $1,000,000 7
De 2 a 5 De $3268 a $8171 < $550,000 30
Menos de 2 Menos de $3268 < $225,000 60
500,000
520,000
540,000
560,000
580,000
600,000
620,000
2005 2020
566,175
617,406
POBLACIÓN EN EDAD DE FORMAR NUEVOS HOGARES
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
54
Mientras que la proporción de la población económicamente activa (PEA)
promedio en el país es del orden del 30%, en Morelos es del 35%. La zona con la
PEA más alta es la Zona Metropolitana de Cuernavaca con el 38%, le sigue Jojutla
con el 36%. La revisión de los datos de Población económicamente Activa y la
distribución del ingreso en el estado de Morelos, así como su comparación
respecto al perfil nacional, remarcan la creciente demanda de vivienda. En lo
referente a la distribución del ingreso y en correspondencia con la relevancia de la
actividad económica, la PEA que califica para un crédito hipotecario (mínimo 2
Veces el Salario Mínimo para una vivienda económica), en la ZM de Cuernavaca
presenta porcentajes superiores a los registrados a nivel estatal y nacional (48%),
seguido por Jojutla y Cuautla, ambas con el 37% de la población con ingresos
superiores a los 2 salarios mínimos, estos datos se muestran en la gráfica 2.3.
Gráfica 2.3.- Porcentajes de población según ingresos personales.
Con los datos anteriores aumentando al ingreso individual, el ingreso por el
número promedio de personas económicamente activas por familia (1.51 en el
Estado de Morelos) y considerando una subdivisión uniforme de los diferentes
rangos de ingreso, se estima la siguiente distribución de ingreso por hogar (tabla
2.4 y gráfica 2.4).
0% 20% 40% 60% 80% 100%
NACIONAL
TOTAL ESTATAL
Tlaltizapán
Jojutla
Puente de Ixtla
ZM Cuautla
ZM Cuernavaca
56%
60%
69%
63%
66%
63%
52%
32%
30%
26%
29%
29%
29%
35%
8%
7%
4%
6%
4%
6%
8%
4%
3%
1%
2%
1%
2%
5%
DISTRIBUCIÓN DE LA POBLACIÓN SEGÚN INGRESOS
<2 vs m <5 vs m <10 vs m >10 vs m
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
55
Tabla 2.4 Distribución de la población de acuerdo al Nivel Socioeconómico Ingreso por hogar.
S.M.D. Rango de Ingreso Mensual
(Ingreso por hogar) Costo de la
vivienda Tipo de vivienda (%)
Mayor a 10 Mayor de $16341 > $1, 000,000 Residencial 7
De 5 a 10 De $8171 a $16341 < $1,000,000 Media 23
De 2 a 5 De $3268 a $8171 < $550,000 Social e
interés medio 25
Menos de 2 Menos de $3268 < $225,000 Económica 45
Gráfica 2.4.- Porcentajes de población según ingresos por hogar.
FUENTE: Secretaría del Trabajo y Previsión Social. Comisión Nacional de los Salarios Mínimos, 2011. FUENTE: Censo de Población 2010. INEGI 2011.
2.4.3 Análisis de la demanda de vivienda.
La demanda de vivienda denota una creciente necesidad en el Estado de
Morelos, ya que en el periodo de 2005 a 2010 la población aumentó en 150,000
habitantes, lo que representa un incremento del 9.3%, las necesidades de vivienda
se proyectan en la tabla 2.5, considerando que se requiere una vivienda por cada
cuatro nuevos habitantes.
La conjunción de la distribución de hogares según ingreso y las
necesidades anuales de vivienda señaladas anteriormente, permite determinar la
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
NACIONAL
TOTAL ESTATAL
Resto del Estado
Tlaltizapán
Jojutla
Puente de Ixtla
ZM Cuautla
ZM Cuernavaca
42%
45%
56%
52%
47%
50%
47%
39%
25%
25%
25%
26%
25%
26%
25%
24%
24%
23%
15%
19%
22%
21%
22%
27%
9%
7%
4%
3%
6%
3%
6%
10%
DISTRIBUCIÓN SEGÚN INGRESO EN EL HOGAR
<2 vs m <5 vs m <12 vs m >12 vs m
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
56
segmentación de la demanda según ingreso por hogar. Sin embargo, debe
tomarse en cuenta el rezago habitacional* que existe en el país según datos de la
Comisión Nacional de Fomento a la Vivienda (CONAFOVI), el cual al año 2010 era
de 1,810,930 viviendas, de este total, el Estado de Morelos presenta un rezago de
29,540 viviendas nuevas equivalente al 1.6% del total nacional.
*Se entiende por rezago habitacional al número de viviendas que por sus características de ocupación (hacinamiento) y componentes materiales en la edificación (deterioro), no satisfacen un mínimo de bienestar para sus ocupantes
Tabla 2.5.- Necesidades de Vivienda en el estado de Morelos.
Municipio Número de Habitantes
2005
Tasa anual de crecimiento 2000-2010
Demanda anual de Vivienda (4 personas)
Cuernavaca 349,102 4.4% 3,840
Jiutepec 181,317 7.9% 3,581
Cuautla 160,285 8.5% 3,406
Temixco 98,560 8.8% 2,168
Yautepec 84,513 13.6% 2,873
Ayala 70,023 11.2% 1,961
Emiliano Zapata 69,054 17.3% 2,987
Puente de ixtla 56,410 8.4% 1,185
Xochitepec 53,368 15.8% 2,108
Jojutla 51,604 6.4% 826
Tlaltizapan 44,773 8.4% 940
Yecapixtla 39,859 14.8% 1,475
Tepoztlan 36,145 13.2% 1,193
Atlatlahucan 13,863 26.6% 922
Total estatal 1,612,899 9.3% 37,500
Con base en la información analizada se concluye que la demanda anual de
viviendas en el Estado de Morelos es de 67,040 viviendas nuevas, de las cuales el
45% deben ser adquiridas por familias con ingresos menores a dos salarios
mínimos, con este poder adquisitivo se puede tener acceso a viviendas de un
precio menor a $225,000.00, el resto de la población (55%) puede adquirir
vivienda con un valor de $550,000.00 o un precio mayor.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
57
2.5 SELECCIÓN DE LAS VIVIENDAS.
Tomando como base la información socioeconómica se seleccionaron las
viviendas sobre las cuales se realizarán los estudios relativos al comportamiento
térmico, una vivienda de dos plantas y otra de una planta. Para el desarrollo de
este trabajo no se consideran edificios con viviendas en un arreglo vertical, pues la
mayoría de las viviendas residenciales en México se construyen con arreglos
horizontales en fraccionamientos con propuestas de interés social, como se
mencionó en el apartado anterior, ejemplos se muestran en la figura 2.10.
Figura 2.10.- Fraccionamientos residenciales.
La vivienda tipo de dos plantas fue elegida del conjunto residencial “Las
Garzas” del Grupo “GEO”, llamada: Prototipo Colibrí, ubicada en el municipio de
Emiliano Zapata, con un precio base de $293, 000.00. En lo que respecta a la
vivienda de una planta se considera una vivienda particular ubicada en el
municipio de Tlaltizapan, con un precio de $500,000.00. De acuerdo a su precio
(vivienda social y de interés medio $300 a $550 mil pesos) ambas se encuentran
en el rango de mayor demanda y accesibilidad para la población.
2.5.1 Vivienda de dos plantas.
La vivienda del conjunto residencial “Las Garzas” del Grupo “GEO”, llamada:
Prototipo Colibrí, la vista frontal se muestra en la figura 2.11, una vista
tridimensional se presenta en la figura 2.12.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
58
Descripción de la Vivienda
Planta Baja: sala-comedor, cocina, patio de servicio y estacionamiento
Planta Alta: dos recamaras con área de guardado y un baño completo
Muros: en block hueco con recubrimiento final de tirol planchado en sala, comedor, cocina y recamaras; azulejo en parte del baño.
Piso: loseta de cerámica con zoclo de madera.
Techo: concreto armado con acabado interno en tirol y externo en impermeabilizante y una parte con teja.
Marcos de las ventanas: aluminio blanco.
Muebles de Baño y Servicio: baño color blanco, lavadero de granito y boiler.
Construcción:
Levantada: 49.29 m2 ---- Terreno: 33.21 m2 --- Precio: Desde $ 293,000.00
Figura 2.11.- Vista frontal de la vivienda de dos plantas.
Figura 2.12.- Vista tridimensional de la vivienda de dos plantas.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
59
2.5.2 Vivienda de una planta
Se tomó como prototipo una vivienda particular, que está construida con
materiales de similares propiedades termofísicas y además se encuentra en los
rangos económicos contemplados, la vista frontal se muestra en la figura 2.13, una
visa tridimensional se presenta en la figura 2.14.
Descripción de la Vivienda
Sala, comedor, cocina, dos recamaras con área de guardado y un baño completo.
Muros: block hueco de cemento con recubrimiento de aplanado de mortero en sala, comedor, cocina y recamaras; azulejo en parte del baño.
Piso: loseta de cerámica.
Techo: concreto armado con acabado interno de mortero y cal, al exterior en impermeabilizante.
Marcos de las ventanas: aluminio natural.
Muebles de Baño y Servicio: baño color obscuro, lavadero de granito y boiler.
Construcción: 96 m2 --- Terreno 96 m2 --- Precio: $ 500,000.00
Figura 2.13.- Vista frontal de la vivienda de una planta.
Figura 2.14.- Vista tridimensional de la vivienda de una planta.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
60
2.5.3 Materiales de construcción de las viviendas.
En la figura 2.15 se indica el tipo de elementos de construcción utilizados en
los muros y techos, así como los materiales que forman la envolvente de las dos
viviendas, y en la tabla 2.6 se presentan los valores para las propiedades
termofísicas.
Figura 2.15.- Techo y muro de las viviendas.
Tabla 2.6.- Propiedades termo físicas de las envolventes de las viviendas.
Fuentes: Librerías de TRNSYS, ASHRAE Handbook, Norma Oficial Mexicana nom-008-2001
y Norma Básica de la edificación NBE-CT-79 (España 1979).
Material L (m) k (W/m^2 K) ρ (kg/m^3) Cp (kJ/kg K)
Mortero 0.02 0.70 1249 1.09
Block 0.11 0.90 1400 0.3
Mortero 0.02 0.87 1249 1.09
Material L (m) k (W/m^2 K) ρ (kg/m^3) Cp (kJ/kg K)
Mortero 0.02 0.70 1249 1.09
Concreto ligero 0.1 0.58 1250 0.84
Mortero 0.02 0.87 1249 1.09
Impermeabilizante 0.005 0.17 1200 1
Material L (m) AIRE L (m) U(W/m^2 K)
Vidrio 0.004 5.8
Vidrio 0.0025 0.0127 0.0025 2.7
MUROS (ABSORTANCIA 0.6)
TECHO (ABSORTANCIA 0.75)
VENTANA
VENTANA DOBLE PANEL
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
61
Para todas las simulaciones sólo se considera evaluar las cargas térmicas en
función de las ganancias externas, no se consideran cargas por aparatos,
alumbrado ni personas.
2.6 CONSIDERACIONES PARTICULARES SOBRE LA GEOGRAFÍA Y EL CLIMA DEL ESTADO DE MORELOS.
Para realizar este estudio, se consideran las condiciones orográficas,
climáticas, y demográficas del Estado de Morelos. En las siguientes figuras se
muestran características particulares de geografía y clima, en la figura 2.16 se
presentan los valores de la altura sobre el nivel del mar, la mínima es en el sur con
1000 msnm y la máxima es en el noroeste con 2800 msnm, comprendiendo una
distancia de sur a norte de 80 km en línea recta; en la figura 2.7 se observan las
variaciones en la temperatura media anual, al sur se presentan la más elevada
con 24 ºC, al nororiente la mínima con 12 ºC; los valores de radiación solar global
se observan en la figura 2.18, la mayor cantidad de radiación se recibe en el
sureste con un promedio diario anual de 6.4 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 , en el noroeste se reciben 4.7
𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 ; en la figura 2.19 se presentan los contornos marcados por la humedad
relativa promedio anual con valores que van desde el 53% en el sur hasta el 76%
en el noroeste; en lo que respecta a la densidad de población, los principales
polos se encuentran en Cuernavaca y zona conurbada (E. Zapata, Temixco, etc)
en el noroeste; Cuautla al noreste; y zona conurbada de Zacatetec, Jojutla y
Tlaquiltenango al centro sur, figura 2.20.
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
62
Figura 2.16.- Altura sobre el nivel del mar (m) en el Estado de Morelos.
Figura 2.17.- Promedio anual de temperaturas (ºC) en el Estado de Morelos.
Promedio anual de temperatura (ºC)
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
63
Figura 2.18.- Promedio anual de radiación solar 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 en el Estado de Morelos.
Figura 2.19.- Promedio anual de humedad relativa (%) en el Estado de Morelos.
Promedio anual de radiación solar (kWh/m^2)
Promedio anual de humedad relativa (%)
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
64
Figura 2.20.- Distribución de población en el Estado (Miles de habitantes).
Con base en las variaciones climáticas y orográficas extremas que se
presentan en el Estado de Morelos, así como considerando la información sobre
las zonas con mayor crecimiento urbano, inicialmente se propuso recopilar datos
climáticos para cinco localidades representativas (figura 2.21).
Figura 2.21.- Localidades seleccionadas.
100
Axochiapan
Tlaquiltenango
ZapataCuautla
Huitzilac
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
65
En un estudio comparativo más detallado de los datos del clima de estas
localidades observamos que las variaciones promedio anual entre Axochiapan y
Tlaquiltenango, son mínimas. Para radiación solar las diferencias son de 5.08%,
en humedad relativa 2.18% y para la temperatura ambiente de 2.72%. Por otro
lado, entre los municipios de E. Zapata y Cuautla las diferencias son: en radiación
solar 1.96%, humedad relativa 6.19%, y temperatura de bulbo seco de 2.90%. Por
tanto se realizan los estudios para tres localidades: Tlaquiltenango, Emiliano
Zapata y Huitzilac, asimismo se propone una división del estado en tres regiones
micro climáticas (tabla 2.7).
Tabla 2.7.- Distribución de climas en el Estado de Morelos.
Parámetro Zona 1 Zona 2 Zona 3
asnm (m) Hasta 1200 1201 a 1800 1801 o más.
T (ºC) 25-22 21.9-18 17.9-12
𝐼𝑔 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2 6.4-6.0 5.9-5.5 5.4-4.7
H.R (%) 53-57 58-64 65-75
En el primer caso, para la zona o región 1 tendremos clima cálido, luego
para la región 2 clima semicálido-templado, y finalmente para la región 3 semifrio-
húmedo; consecuentemente el modelado de la casa tipo se implementará
considerando las tres regiones: Tlaquiltenango (clima cálido), Emiliano Zapata
(clima templado) y Hultzilac (clima frio), dos de las comunidades seleccionadas se
encuentran en polos de gran concentración urbana: zona metropolitana de
Cuernavaca, y zona conurbada de Jojutla-Zacatepec-Tlaquiltenango, únicamente
Huitzilac se encuentra en una zona de baja densidad de población (figura 2.22).
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
66
Figura 2.22.- Distribución de climas en el Estado de Morelos.
Una vez que se determinaron los municipios donde se deben ubicar las
viviendas, se elaboraron las bases de datos del clima, con datos de promedios
horarios para el año 2007 (adaptados para el modulo TYPE 9 del TRNSYS).
2.7 CONFORT TÉRMICO Y PSICROMETRÍA.
El principal propósito de las edificaciones es proteger al ser humano de
condiciones climáticas extremas, el confort térmico se entiende como: "La
condición de la mente que expresa satisfacción con el ambiente térmico"
[ASHRAE 55, 2004]. Esta definición deja abierto lo que se entiende por "estado de
la mente" o "satisfacción" pero subraya acertadamente que el juicio de la
comodidad es un proceso cognitivo en que participan muchos componentes, tales
como: la influencia de factores físicos, procesos fisiológicos, psicológicos y otros.
La mente consciente parece llegar a conclusiones sobre la comodidad y la
incomodidad térmica, así como las sensaciones de humedad en la piel y activa los
reflejos necesarios para regular la temperatura del cuerpo [McIntire, 1980; Fanger,
1982; Hensen, 1990]. En general, la comodidad se produce cuando la temperatura
del cuerpo se mantiene dentro de rangos estrechos, la hidratación de la piel es
baja, y el esfuerzo fisiológico de regulación se reduce al mínimo.
ZONA 1
ZONA 2
ZONA 3
4
AXOCHIAPAN
TLAQUILTENANGO
ZAPATACUAUTLA
HUITZILAC
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
67
Sorprendentemente, a pesar de los diferentes climas, condiciones de vida y
culturas diferentes en todo el mundo, la temperatura que la gente elige para la
comodidad en condiciones similares de vestimenta, actividad, humedad y
movimiento del aire se presenta en rangos similares [Berglund, 1978; Fanger
1988]. La Norma ISO 7730-1993 propone una clasificación de climas señalando
ciertas zonas de la carta psicométrica, también es importante contemplar las
estrategias que se pueden implementar para lograr las condiciones de confort de
acuerdo a la temperatura y humedad del aire. En las siguientes figuras se señala
la clasificación de climas y estrategias para enfriamiento y calentamiento (figuras
2.23 y 2.24).
Figura 2.23.- Carta psicrométrica, clasificación de climas.
Cálido
Húmedo
Caluroso
Húmedo
Frio
Moderado
Cálido
Seco
Caluroso
Seco
Capítulo 2
Clima y demografía del Estado de Morelos
68
Figura 2.24.- Carta psicrométrica, estrategias para enfriamiento y calentamiento.
En referencia a la Norma ASHRAE 55-2004 “Condiciones Térmicas
Medioambientales para Ocupación Humana”, esta señala que para fines de
confort térmico, la temperatura puede variar entre aproximadamente 19.4 ºC y
27.7 ºC (67 ºF y 82 °F). Un rango más específico puede determinarse a partir de la
norma, pero depende de la humedad relativa, la estación, tipo de vestimenta,
niveles de actividad y otros factores.
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
69
CAPÍTULO 3
METODOLOGÍA Y PROGRAMA DE
SIMULACIÓN
Las decisiones más importantes en la construcción de edificios, considerando una
envolvente que tome ventaja del medio ambiente para mantener las condiciones
de confort, deben tomarse en las etapas iníciales de diseño, el comportamiento
térmico de la edificación puede evaluarse con el apoyo de programas de
simulación. En este capítulo se presenta la metodología utilizada y se describe de
manera resumida el programa TRNSYS con los módulos componentes utilizados
para el cálculo de cargas térmicas.
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
70
3.1 METODOLOGÍA
La metodología utilizada para el desarrollo de este trabajo se muestra en la
figura 3.1. Los datos sobre la geografía y el clima, características de la edificación,
psicrometría y requerimientos para el confort térmico, son información base para
realizar las simulaciones aplicando el programa TRNSYS®, dicha información se
detalló en el capítulo 2. Esta metodología es similar a la presentada en el capítulo
4 (figura 4.1), difiere en los dos módulos finales, ya que, en este estudio se
realizaron cambios en la envolvente, proponiéndose valores para la calificación
energética y térmica de las viviendas.
Figura 3.1.- Diagrama esquemático de la metodología implementada.
3.2 DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA TRNSYS
Para desarrollar este trabajo de investigación se ha seleccionado el
programa TRNSYS [TRNSYS, 2007], por su fiabilidad entre los programas de
simulación [Fiskel, 1995; Bansal, 1996]. TRNSYS, simula sistemas solares en
estado transitorio y tiene una estructura modular que le da flexibilidad, la diferencia
con otros programas, es básicamente en el desarrollo de sus ecuaciones, ya que
Edificación Y usuarios.
Confort térmico Y psicrometría
Geografía Y clima
Info
rmac
ión
Gen
eral
Evaluación térmica Demanda energética
(Simulación con TRNSYS)
Estrategias Variación de parámetros
Calidad de vivienda Calificación energética
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
71
los muros, piso, y techo son modelados con el método de función de transferencia
[Stephenson, 1971; Mitalas, 1982]. TRNSYS ha sido usado frecuentemente para
predecir el comportamiento térmico de edificios [Wang, 2009].
TRNSYS es un programa para simular sistemas transitorios, está
estructurado en lenguaje FORTRAN y se integra de forma modular, fue
desarrollado por el Laboratorio de Energía Solar de la Universidad de Wisconsin,
Madison, es considerado como uno de los programas más avanzados para la
simulación de sistemas solares activos. La naturaleza modular de TRNSYS brinda
al programa una gran flexibilidad y facilita la incorporación de modelos
matemáticos no incluidos en la librería estándar. El programa se utiliza para
análisis detallados de sistemas que presentan un comportamiento dependiente del
tiempo [Beckman, 2000]. Cada componente del programa se describe por medio
de una subrutina escrita en FORTRAN llamada comúnmente TYPE. La técnica
modular del programa permite analizar un sistema completo como la suma de
componentes individuales. El ejecutable de TRNSYS resuelve los componentes
del sistema de ecuaciones y realiza iteraciones en el tiempo, hasta que el sistema
converge. Los componentes de TRNSYS incluyen sistemas termoenergéticos
como equipos de aire acondicionado, evaluación térmica de edificios, y sistemas
solares, entre otros. Debido a su estructura modular, el uso de TRNSYS facilita la
solución de sistemas energéticos complejos.
Este programa cuenta con varios módulos, con los que se pueden realizar
simulaciones en varios sistemas solares activos y pasivos, en este caso aplicamos
los módulos apropiados para la evaluación de cargas térmicas en casas y
edificios; un sistema para calcular las cargas térmicas en una edificación aplicando
el método de función de transferencia, se compone de los siguientes módulos:
Un módulo lector de datos (TYPE 9) o un generador de datos del clima
(TYPE 54), un procesador de radiación solar (TYPE 16), una zona en detalle
(TYPE 19) si sólo se requiere una evaluación de la envolvente o el (TYPE 56) si se
precisa un análisis por zonas en el interior de la edificación, y un resumen de la
simulación (TYPE 28).
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
72
La ejecución de los comandos componentes depende normalmente de
parámetros establecidos, el desarrollo de otros componentes y funciones
dependientes del tiempo; algunos de los factores que están involucrados con el
sistema son: radiación solar, temperatura ambiente (convección), calor generado
por accesorios y ocupantes de la casa o edificio. También deben tomarse en
cuenta características propias de la construcción como: latitud, orientación, áreas,
materiales, espesores de muros techos y ventanas. Asimismo, se requieren los
parámetros de control para las condiciones de confort en el interior del recinto:
temperaturas mínima y máxima deseadas (arranque y paro del equipo de aire
acondicionado) y relación de humedad deseada (activación del equipo de
humidificación o deshumidificación), todos estos datos son necesarios para
modelar un sistema y efectuar el cálculo de cargas térmicas en cualquier
edificación.
3.2.1 Ecuaciones para el modelado de transferencia de calor en recintos,
utilizadas en TRNSYS.
Si el tiempo es una variable en el modelo de alguno de los componentes del
sistema, la simulación es definida como una simulación transitoria. En general una
simulación transitoria es requerida si se presenta una de las siguientes
condiciones:
1. Una componente del sistema tiene una salida variable, la cual es una
función del tiempo.
2. La descripción matemática de un componente del sistema involucra una o
más ecuaciones diferenciales dependientes del tiempo (su derivada no es
cero)
3. Una cantidad física calculada por la simulación debe ser integrada en el
tiempo por el componente integrador.
TRNSYS puede ser usado para simulaciones en todos los casos (Beckman, 2000).
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
73
Descripción matemática:
Para resolver un sistema utilizando el método de la función de transferencia, el
planteamiento del problema se reduce a la siguiente ecuación matricial:
Z T Xi j s i i, ,
(3.1)
donde 𝑇𝑠,𝑖 representa la temperatura de la superficie interior del elemento 𝑖 , a
menos que 𝑖 sea igual al número de superficies mas una (𝑛 + 1), en ese caso
representa la temperatura del aire de la zona. El factor 𝑋𝑖 incluye las entradas
que varían con el tiempo que afectan a 𝑇𝑠,𝑖 , y 𝑍𝐼,𝐽 es un coeficiente que
relaciona la transferencia de calor entre los elementos 𝑖 𝑦 𝑗 . El objetivo es formular
el problema en términos de la ecuación, realizando suposiciones simplificadas que
conduzcan a una matriz 𝑍𝐼,𝐽 independiente del tiempo. De esta manera, la matriz
𝑍𝐼,𝐽 es invertida al principio de la simulación y es almacenada para usarla más
tarde. La solución del conjunto de ecuaciones es reducida a la multiplicación de la
matriz invertida y el vector 𝑋𝑖 dependiente del tiempo dado por la ecuación
formulada por Madsen en 1982.
T Z Xs i i j i, ,
1
(3.2)
A continuación se describen las ecuaciones básicas de modelado de la
transferencia de calor a través y entre todos los elementos en la zona:
Pared exterior.
El flujo de calor instantáneo que entra o sale de la zona para una pared
exterior puede ser modelado de acuerdo a la siguiente relación de función de
transferencia:
𝑞 𝑖 = 𝑏 ,𝑖=0 𝑇𝑠𝑎 ,𝑖 , − 𝑐 ,𝑖=0 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 , − 𝑑 ,𝑖=1 𝑞 𝑖 , (3.3)
los coeficientes 𝑏 , 𝑐 y 𝑑 son los coeficientes de la función de transferencia para
los valores actuales y previos de la temperatura sol-aire 𝑇𝑠𝑎 ,𝑖 , temperatura
equivalente de la zona 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 , y el flujo de calor 𝑞 𝑖 . La temperatura sol-aire, 𝑇𝑠𝑎 ,𝑖 , es
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
74
la temperatura del aire exterior en el cual, en ausencia de todos intercambios
radiativos, daría la misma transferencia de calor por la superficie exterior como
ocurre realmente, un valor de igual a cero representa el intervalo de tiempo
actual, igual a uno representa la hora previa y así sucesivamente. Para una
pared vertical, generalmente se expresa por:
𝑇𝑠𝑎 ,𝑖 = 𝑇𝑎 +(𝛼𝐼𝑇)𝑖
𝑐 ,𝑜 (3.4)
la temperatura de zona equivalente 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 , es análoga a la temperatura sol-aire para
la superficie interior. 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 es la temperatura del aire interior, la cual en ausencia de
intercambio radiativo de la superficie interior, da la misma transferencia de calor tal
y como ocurre realmente, esta es expresada como:
𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 = 𝑇𝑍 +𝑆𝑖+ 𝑟 ,𝑖𝑗 (𝑇𝑠,𝑗−𝑇𝑠,𝑖)
𝑁𝑗=1
𝑐 ,𝑖 (3.5)
la cantidad 𝑆𝑖 es la suma de las ganancias radiativas absorbidas por la superficie
debido al sol, lámparas, equipo y personas. La radiación de onda-larga entre
superficies de la zona es considerada a través del uso de un coeficiente de
transferencia de calor radiativo linealizado 𝑟 ,𝑖𝑗 , todas las superficies se suponen
negras para longitudes de onda-larga, tal que:
𝑟 ,𝑖𝑗 = 4𝜎𝐹𝑖 ,𝑗𝑇3 (3.6)
el coeficiente radiativo se supone constante a través de la simulación y es
evaluado a la temperatura inicial de la zona especificada por el usuario. Los
factores de vista entre todas las superficies de la zona son calculados para un
paralelepípedo rectangular por la subrutina ENCL. El usuario especifica la
dimensión de la zona, junto con la localización de cualquier ventana o puerta. La
ecuación 3.3 expresa la transferencia de calor por la superficie interior en términos
de la relación de la función de transferencia. Sin embargo, esta puede ser dada de
acuerdo con la siguiente ecuación de transferencia de calor:
𝑞𝑖 = 𝑐 ,𝑖(𝑇𝑠,𝑖 − 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖) (3.7)
si la ecuación anterior es substituida dentro de la ecuación 3.3, el resultado puede
ser arreglado en la forma de la ecuación siguiente como:
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
75
𝑇𝑠,𝑖 1 −𝑐𝑜 ,𝑖∗
𝑐 ,𝑖 𝑟 ,𝑖𝑗
𝑁𝑗=1 +
𝑐𝑜 ,𝑖∗
𝑐 ,𝑖 𝑟 ,𝑖𝑗
𝑁𝑗=1 𝑇𝑠𝑗 + 𝑐𝑜 ,𝑖
∗ 𝑇𝑍 =
𝑏 ,𝑖∗
=0 𝑇𝑠,𝑖, − 𝑐 ,𝑖∗
=1 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖, − 𝑑 ,𝑖
=1 𝑇𝑠,𝑖 , −𝑐𝑜 ,𝑖∗ 𝑆𝑖
𝑐 ,𝑖 (3.8)
donde:
𝑐𝑜 ,𝑖∗ =
𝑐𝑜 ,𝑖
𝑐 ,𝑖− 1 (3.9)
𝑐 ,𝑖∗ =
𝑐 ,𝑖
𝑐 ,𝑖− 𝑑 (3.10)
𝑏 ,𝑖∗ =
𝑏 ,𝑖
𝑐 ,𝑖 (3.11)
En términos de la nomenclatura de las funciones de transferencia:
𝑍𝑖 ,𝑗 =𝑐𝑜 ,𝑖∗
𝑐 ,𝑖𝑟 ,𝑖𝑗 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑖 ≠ 𝑗 (3.12)
𝑍𝑖 ,𝑖 = 1 −𝑐𝑜 ,𝑖∗
𝑐 ,𝑖 𝑟 ,𝑖𝑗
𝑁𝑗=1
(3.13)
𝑍𝑖 ,𝑁+1 = 𝑐𝑜 ,𝑖∗ (3.14)
𝑋𝑖 = 𝑏 ,𝑖∗
=0 𝑇𝑠𝑎 ,𝑖 , − 𝑐 ,𝑖∗
=1 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 , − 𝑑 ,𝑖
=1 𝑇𝑠,𝑖 , −𝑐𝑜 ,𝑖∗ 𝑆𝑖
𝑐 ,𝑖 (3.15)
Partición interior.
Una partición interior se supone que es una pared que está expuesta a
condiciones idénticas por ambas superficies. Con este criterio, la pared es
adiabática en la línea central y la transferencia de calor en la superficie está dada
como:
𝑞𝑖 = (=0 𝑏 ,𝑖 − 𝑐 ,𝑖)𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 , − 𝑑 ,𝑖𝑞𝑖, =1 (3.16)
sustituyendo la ecuación 3.7 dentro de la ecuación 3.16, el resultado puede ser
arreglado en la forma de la siguiente ecuación, tal que:
𝑍𝑖 ,𝑗 =(𝑐𝑜 ,𝑖
∗ −𝑏𝑜 ,𝑖∗ )𝑟 ,𝑖𝑗
𝑐 ,𝑖 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑖 ≠ 𝑗 (3.17)
𝑍𝑖 ,𝑖 = 1 −(𝑐𝑜 ,𝑖
∗ −𝑏𝑜 ,𝑖∗ ) 𝑟 ,𝑖𝑗
𝑐 ,𝑖 (3.18)
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
76
𝑍𝑖 ,𝑁+1 = 𝑐𝑜 ,𝑖∗ − 𝑏𝑜 ,𝑖
∗ (3.19)
𝑋𝑖 = − 𝑐 ,𝑖∗
=1 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 , − 𝑑 ,𝑖
=1 𝑇𝑠,𝑖 , −(𝑐𝑜 ,𝑖
∗ −𝑏𝑜 ,𝑖∗ )𝑆𝑖
𝑐 ,𝑖 (3.20)
si ambos lados de la pared están expuestos al interior de la zona, entonces el
usuario deberá especificar el área de la superficie para incluir las dos caras.
Pared entre zonas.
Una pared interior separando dos zonas adyacentes a diferentes
temperaturas es remplazada por una temperatura equivalente de zona. La
temperatura equivalente de zona 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 es la temperatura de la zona adyacente, la
cual, en ausencia de todos los intercambios radiativos, da la misma transferencia
de calor por el interior de la superficie de la zona adyacente tal y como ocurre en
realidad. Las ecuaciones 3.12 a la 3.15, se aplican para paredes interiores entre
las zonas si 𝑇𝑠𝑎 ,𝑖 es remplazada por 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 . La temperatura de zona equivalente para
cualquier pared está dada como una salida opcional del programa.
Ventana.
Hay dos modos de ventana. En el primer modo, la transmisión solar y las
ganancias térmicas de calor se determinan internamente. La energía solar que
pasa a través de la ventana es el producto de la radiación solar incidente y la
transmitancia suministrada como datos de entrada. La conducción térmica a
través de la ventana desde el ambiente es:
𝑄𝑖 = 𝐴𝑖𝑈𝑔 ,𝑜 ,𝑖(𝑇𝑎 − 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖) (3.21)
el coeficiente de pérdidas desde la superficie interior a la exterior de la ventana es
un dato de entrada. El coeficiente global de pérdidas, 𝑈𝑔,𝑜 es el reciproco de la
suma de resistencias de la ventana (1
𝑈𝑔), el aire exterior (
1
𝑐 ,𝑜) y el aire interior (
1
𝑐 ,𝑖).
La transferencia de energía es evaluada con la ecuación anterior usando el último
estimado de la temperatura interior equivalente 𝑇𝑒𝑞 ,𝑖 . Con esta suposición, las
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
77
ecuaciones desde la 3.17 a la 3.20 son aplicables. Este procedimiento permite un
coeficiente de pérdidas global mientras se retiene la independencia de tiempo de
la matriz 𝑍𝑖𝑗 . En el segundo modo de ventana, la energía solar transmitida a través
de la pared y las ganancias térmicas de calor son datos de entrada. Estos pueden
ser calculados usando un modelo de ventana más detallado tal como los que
utiliza el Type 35.
Ganancias debidas a radiación.
Las ganancias por radiación de cada una de las superficies del cuarto se
pueden originar por lámparas, personas, y radiación solar que entra por las
ventanas. La radiación solar que pasa a través de las ventanas se supone que es
reflejada difusamente. Considere un rayo radiativo que pega a una superficie 𝑘. La
radiación difusa que sale de la superficie 𝑘 pega en la superficie 𝑖 y se determina
usando factores de intercambio totales de Beckman. Este factor 𝐹 𝑘𝑖 , es definido
como la fracción de energía que pega en la superficie 𝑖 la cual es difusamente
originada en la superficie 𝑘. Para una cavidad con N superficies difusas reflejantes,
Fki se expresa como:
𝐹𝑖𝑗 = 𝐹𝑖𝑗 + 𝐹𝑖𝑙𝜌1 𝐹 𝑖𝑗 + . . . + 𝐹𝑖𝑖𝜌𝑖 𝐹 𝑖𝑗 + . . . + 𝐹𝑖𝑗 𝜌𝑖 𝐹 𝑗𝑗 + . . . + 𝐹𝑖𝑁𝜌𝑁 𝐹 𝑁𝑗 (3.22)
la solución de la ecuación anterior puede ser escrita en notación matricial como:
𝐹 𝑖𝑗 = 𝛿𝑖𝑗 − 𝐹𝑖𝑗 𝜌𝑖 𝐹𝑖𝑗 (3.23)
donde: 𝛿𝑖𝑗 = 1 para 𝑖 = 𝑗, 𝛿𝑖𝑗 = 0 para otros casos
La radiación difusa que entra a través de las ventanas se supone que es
isotrópica, con esta suposición, la fracción de radiación difusa transmitida a través
de una ventana 𝑘 que incide en la superficie es 𝐹𝑘𝑖 . Todas las superficies se
suponen negras, consideradas absorbedores perfectos, para radiación de
lámparas y personas. La radiación de estas fuentes también se considera
isotrópica. Las ganancias radiativas de las personas se suponen que son el 70%
de su energía sensible total externa.
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
78
Espacio interno.
Realizando un balance de energía sobre la zona de aire y considerando
cualquier mobiliario como un sistema global, denominado lumped, se tiene:
𝐶𝑎𝑝
𝑇𝑍𝐹 − 𝑇𝑍𝐼
∆𝑡= 𝑐 ,𝑗𝐴𝑗 𝑇𝑠,𝑗 − 𝑇𝑍 + 𝑄 𝑣
𝑁
𝑗=1
+𝑄 𝑖𝑛𝑓𝑙 + 0.3𝑄 𝑠𝑝𝑒𝑝𝑙 + 𝑄 𝑖𝑛𝑡 + 𝑄 𝑍 (3.24)
para cambiar esta expresión a la forma de la ecuación 3.1 mientras mantenemos
la independencia de tiempo de Zij, es necesario realizar dos suposiciones
simplificadas. Primero, la variación de temperatura de zona es considerada lineal
en cada paso de tiempo de la simulación. Segundo, las ganancias de energía por
ventilación e infiltración son evaluadas usando el último estimado de la
temperatura de zona. Con estas suposiciones, la ecuación 3.24 puede ser
arreglada de tal manera que:
𝑍𝑁+1,𝑗 = 𝑐 ,𝑗𝐴𝑗 (3.25)
𝑍𝑁+1,𝑁+1 = 𝑐 ,𝑗𝐴𝑗 −2𝐶𝑎𝑝
∆𝑡
𝑁𝑗=1 (3.26)
𝑋𝑁+1 = −𝑄 𝑍 − 𝑄 𝑣 − 𝑄 𝑖𝑛𝑓𝑙 − 0.3𝑄 𝑠𝑝𝑒𝑝𝑙 − 𝑄 𝑖𝑛𝑡 −2𝐶𝑎𝑝
∆𝑡𝑇𝑍𝐼 (3.27)
las ganancias por ventilación e infiltración son expresadas como
𝑄 𝑣 = 𝑚 𝑣𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑣 − 𝑇𝑧 (3.28)
𝑄 𝑖𝑛𝑓𝑙 = 𝑚 𝑖𝑛𝑓𝑙 𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎 − 𝑇𝑧 (3.29)
el flujo de ventilación es un dato de entrada, mientras que la razón de infiltración
se determina de:
𝑚 𝑖𝑛𝑓𝑙 = 𝜌𝑎𝑉𝑎 𝐾1 + 𝐾2 𝑇𝑎 − 𝑇𝑧 + 𝐾3𝑊 (3.30)
K1, K2 y K3 son constantes empíricas, los valores típicos para diferentes calidades
de construcción, se toman del Handbook of Fundamentals ASHRAE, están dados
en la tabla 3.1 (Unidades del Sistema Internacional).
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
79
Tabla 3.1.- Coeficientes de regresión lineal múltiple de infiltración.
La energía convectiva generada por las personas en el espacio se supone
que es el 30% de la ganancia sensible total de personas. El adicional 70% es en
forma de radiación hacia las superficies interiores. El número de personas en la
zona en cualquier tiempo se especifica como un dato de entrada. Ambos, la
ganancia sensible y latente de personas depende de su nivel de actividad.
La tabla 3.2 proporciona los posibles niveles de actividad que pueden ser
especificados. Esta tabla se encuentra en el Capítulo 26 del Handbook of
Fundamentals de ASHRAE 1981.
Nota:
aLos valores están basados sobre 25.5 C (78 F) temperatura de bulbo
seco de la habitación. Para 26.6 C (80 F), el total del calor remanente es el
mismo, pero el valor del calor sensible puede disminuir aproximadamente 8% y
por lo tanto los valores de calor latente se incrementan.
bEl ajuste total de las ganancias de calor está basado en un porcentaje
normal de hombres, mujeres, y niños para las aplicaciones listadas, con la
indicación de que las ganancias de un adulto de sexo femenino son un 85%, y las
ganancias de un niño son 75%; comparadas con un adulto de sexo masculino.
cEl valor del calor total ajustado para comer en un restaurante, incluye
17.6W (60 Btu/h) de comida por persona 8.8W (30 Btu/h) de calor sensible y 8.8W
(30 Btu/h) de calor latente.
Tipo de construcción
K1 K2 K3 Descripción
Fuerte 0.10 0.011 0.034 Nuevo edificio donde han sido tomadas
precauciones especiales para prevenir la infiltración.
Mediana 0.10 0.017 0.049 Edificación construida usando procedimientos
convencionales de construcción.
Ligera 0.10 0.023 0.07 Evidencia de construcción pobre sobre
edificaciones viejas donde las uniones han sido separadas.
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
80
dSe considera a la persona que está jugando boliche, y todas las demás
que estén sentadas 117W (400 Btu/h) o caminando despacio 231W (790 Btu/h).
Todos los valores fueron redondeados a 5 Watts o 10 Btu/h.
Tabla 3.2.- Coeficientes de ganancias de calor debido a los ocupantes en espacios acondicionados
a.
No Grado de actividad Aplicación
típica
Calor totalb Calor
sensible
Calor
latente
Watts Btu/h Watts Btu/h Watts Btu/h
1 Sentado, descansando Teatro, cine 100 350 60 210 40 140
2 Sentado, escribiendo
poco.
Oficinas,
hoteles,
Departamentos.
120 420 65 230 55 190
3 Sentado, comiendo
Restaurantec,
Oficinas,
hoteles,
Departamentos.
170 580c 75 255 95 325
4 Sentado, trabajo ligero,
escribiendo a maquina
Oficinas, hoteles
departamentos. 150 510 75 255 75 255
5 De pie, trabajo ligero o
caminando despacio
Tiendas,
bancos. 185 640 90 315 95 325
6 Trabajo ligero Fábrica 230 780 100 345 130 435
7
Caminando, 1.3 m/s
(3mph), trabajo ligero
en maquinas
Fábrica 305 1040 100 345 205 695
8 Boliched Boliche 280 960 100 345 180 615
9 Bailando
moderadamente Salón de baile 375 1280 120 405 255 875
10 Trabajo pesado,
Cargando Fábrica 470 1600 165 565 300 1035
11 Trabajo pesado,
atletismo Gimnasio 525 1800 185 635 340 1165
Las ecuaciones 3.25 a la 3.27 se aplican para un cuarto con temperatura
variable. Estas son unas características del nivel del control de temperatura, o
cuando la temperatura del cuarto está en la zona de confort, es decir, sin carga,
utilizando el modo del control de razón de energía. Sin embargo, si la temperatura
de zona estuviese arriba del límite máximo o abajo del límite mínimo requeridos
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
81
por el usuario, entonces la temperatura de zona es fijada igual al límite y son
usadas las siguientes expresiones.
𝑍𝑁+1,𝑗 = 0 (3.31)
𝑍𝑁+1,𝑁+1 = 1 (3.32)
𝑋𝑁+1 = 𝑇𝑍 (3.33)
La energía sensible requerida para mantener la temperatura fijada en el
modo 1 es:
𝑄 𝑠𝑒𝑛𝑠 = 𝑄 𝑍 + 𝑄 𝑉 + 𝑄 𝑖𝑛𝑡 + 0.3𝑄 𝑠𝑝𝑒𝑝𝑙 + 𝑄 𝑖𝑛𝑓
+ 𝑐 ,𝑗𝐴𝑗 𝑇𝑠,𝑗 − 𝑇𝑍 −𝐶𝑎𝑝 (𝑇𝑍𝐹 −𝑇𝑍𝐼 )
∆𝑡
𝑁𝑗=1 (3.34)
Como se describe anteriormente, ventilación, infiltración y ganancias de
energía a través de las ventanas son calculadas usando el estimado más reciente
de la temperatura de zona. Si la temperatura de zona está cambiando
rápidamente y esas cantidades de energía representan una porción significativa
de la ganancia de energía al espacio, esta puede no ser la adecuada. Como un
resultado, el TYPE 19 usa una iteración interna si el balance de energía sobre la
zona no está dentro del 2%.
Cargas Latentes.
Un balance de humedad en el aire del cuarto en cualquier instante produce
la siguiente ecuación diferencial.
𝜌𝑎𝑉𝑎𝑑𝑤𝑧
𝑑𝑡= 𝑚 𝑖𝑛𝑓𝑙 𝑤𝑎 − 𝑤𝑧 + 𝑚 𝑣 𝑤𝑣 − 𝑤𝑧 + 𝑤 𝐼 (3.35)
La ecuación anterior es resuelta para cada paso de tiempo en la simulación
para el cálculo de la relación de humedad de la zona. En el control del nivel de
temperatura, la corriente de ventilación o la generación de humedad deberán
incluir la adición o remoción de humedad debido al equipo de calentamiento o
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
82
enfriamiento. Para este caso, la carga latente deberá calcularse externamente al
TYPE 19, posiblemente con el TYPE 32.
En el control de razón de energía, la carga latente es la energía requerida
para mantener la relación de humedad de la zona dentro de la zona de confort de
humedad (entre min y max). Si la razón de humedad de la zona cayese fuera de
los límites impuestos por el usuario, entonces la razón de humedad de la zona se
ajusta al límite y la carga latente se calcula como:
𝑄 𝑙𝑎𝑡 = ∆𝑣𝑎𝑝 𝑚 𝑖𝑛𝑓𝑙 𝑤𝑎 − 𝑤𝑧 + 𝑚 𝑣 𝑤𝑣 − 𝑤𝑧 + 𝑤 𝐼 (3.36)
de otra manera la carga latente es cero. Note que Va (parámetro 3 en los datos de
alimentación al programa para describir la zona) puede ser artificialmente
aumentado para tomar en cuenta la capacitancia de humedad de mobiliario, etc.,
esto no afecta cualquier otro cálculo.
3.2.2 Descripción de los módulos para el cálculo de cargas térmicas.
El programa es alimentado con entradas de datos meteorológicos,
dimensiones del edificio, materiales de construcción, latitud, orientación del edificio,
número de ocupantes y actividad que realizan, etc. Estas entradas son las fuentes
de alimentación del código de cómputo, que a su vez dará salidas dependientes
del tiempo como:
o QCOOL: Cargas de enfriamiento
o QHEAT: Cargas de calentamiento
o QDEHUM: Cargas de deshumidificación
o QHUM: Cargas de humidificación
o QCMAX y QHMAX: Cargas máximas de calentamiento y enfriamiento
o QCONV: Ganancias por convección
o QINF: Ganancias por infiltración
o RAD: Radiación solar incidente sobre la envolvente
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
83
A continuación se describe brevemente cada uno de los módulos utilizados
en las simulaciones.
TYPE 9: Data Reader.
Este componente tiene el propósito de leer los datos de una unidad lógica
en intervalos de tiempo regulares, los datos de pueden convertir a otro sistema de
unidades y permite que estos datos estén disponibles para alimentar otros
módulos. Este componente es de uso común cuando se alimentan datos
meteorológicos, pero también puede ser usado para generar alguna otra función
dependiente del tiempo. El TYPE 9 puede leerse en modo libre o en modo de
formato, cada valor debe ser separado del valor previo por un espacio en blanco o
por una coma.
TYPE 16: Solar Radiation Processor.
Los datos de insolación generalmente se toman a intervalos de una hora y
sobre superficies horizontales. En algunas simulaciones de TRNSYS se requiere
la estimación de la radiación solar a otros intervalos de tiempo. Este componente
interpola los datos de radiación solar, calcula varias cantidades relacionadas a la
posición del sol y estima la insolación de hasta ocho superficies de orientación fija
o variable. Generalmente los datos de clima que alimentan al programa presentan
la radiación global y las correlaciones proporcionan una estimación de la radiación
solar difusa o directa sobre una superficie horizontal. El Type 16 tiene cuatro
métodos para obtener la radiación directa y difusa sobre una superficie horizontal
a partir de la radiación total sobre una superficie horizontal.
TYPE 33: Psychrometrics.
Se aplica cuando se requiere un manejo de las propiedades psicrométricas,
para utilizar este modulo se requieren como datos de entrada al menos dos
parámetros de clima y entrega como salida cualquiera de las propiedades
psicrométricas del aire: humedad especifica, temperatura de bulbo seco,
temperatura de bulbo húmedo, densidad de la mezcla agua-aire, densidad del aire
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
84
seco, humedad relativa, y punto de rocío, para cualquier número de datos y
periodos de tiempo.
TYPE 56 Multi-Zone Building
Este componente modela el comportamiento térmico de una edificación
dividida en diferentes zonas térmicas. Para ser utilizado, primero debe ser
ejecutado un programa de pre-procesamiento llamado Prebid, el cual lee y
procesa el archivo que contiene la descripción del edificio, a su vez genera dos
archivos que serán usados por el Type 56 durante una simulación en TRNSYS. El
archivo que contiene la información del edificio tiene extensión (*.BLD) y el que
contiene la información de las funciones de transferencia tiene extensión (*.TRN).
Todos los datos introducidos se almacenan en un archivo llamado building (*.BUI),
que es un archivo de texto ASCII, en donde se pueden verificar los datos
introducidos en Prebid. Es importante señalar que solo un Type 56 puede ser
utilizado para cada simulación.
TYPE 28: Simulation Summary.
El módulo simulación sumaria TYPE 28, es un componente de
procedimientos de salidas, puede usarse para generar datos de información
calculada en la simulación por día, semana, mes o por estaciones. Es
especialmente útil para obtener cantidades “derivadas” aritméticamente reducidas
desde la salida de TRNSYS. El TYPE 28 integra sus entradas sobre un intervalo
de tiempo seleccionado, ejecuta operaciones aritméticas específicas sobre las
integrales, e imprime los resultados.
TYPE 65: Online Graphics.
Este programa es útil para mostrar en la pantalla variables de salidas
seleccionadas en diferentes periodos de tiempo, se pueden utilizar un máximo de
10 TYPES y cada uno puede manejar un máximo de 10 entradas.
Es conveniente hacer notar que las funciones de salida de algún comando
componente en especial, pueden ser entradas de información para otro comando
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
85
componente. Las salidas en general se pueden establecer en lapsos de minutos,
horas, días o meses y para simular periodos de un día, una semana, un mes o un
año. La simulación modular, técnicamente disminuye la complejidad de un sistema,
porque reduce un problema muy largo a varios problemas pequeños, que pueden
resolverse fácilmente por separado. Sin embargo, para implementar el programa
se requiere cierto grado de experiencia del usuario, debido a que no es un
programa muy amigable, puesto que se maneja una gran cantidad de datos de
entrada y además se debe saber interconectar los módulos, puesto que unos son
salidas de información para alimentar a otros subsecuentes, también debemos
considerar que sus formatos tienen una estructura muy rígida, es decir, el orden
de los bancos de datos, especialmente los climáticos debe hacerse siguiendo
rigurosamente las reglas del manual.
La información que fluye hacia un componente puede ser de tres tipos:
1) Aquella información que contiene variables de salida (OUTPUT) de otro
componente en el sistema y que constituye lo que se define como un conjunto
de variables de entrada (INPUT) para el componente, estas variables pueden
cambiar durante la simulación.
2) Aquellas piezas de información que son constantes a lo largo de la simulación
siendo de interés para el componente son los parámetros (PARAMETERS).
3) Finalmente, se debe distinguir la variable tiempo (TIME), esta se contabiliza
internamente por TRNSYS y normalmente no es manejada por el usuario.
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
86
En la figura 3.2 se presenta un esquema con los compontes del programa
usados en el modelado de las viviendas.
Figura 3.2.- Módulos compontes del programa.
3.2.3 Interfaces de TRNSYS utilizadas en las simulaciones.
En este caso se pretende realizar las simulaciones para obtener
información correspondiente a: radiación solar incidente sobre las superficies,
cargas térmicas debidas a enfriamiento o calentamiento, flujo de energía debida a
convección y radiación, y temperatura de cada zona, para realizar estos cálculos
es necesario implementar la interfaces Prebid, la cual provee los archivos
necesarios para el TYPE 56. El programa Prebid es una interfaz que define las
características físicas del edificio, así como las condiciones de confort
predeterminadas, actividad desarrollada por los ocupantes, condiciones de
calentamiento o enfriamiento, orientación, etc. Muchos de los datos que definen
esos componentes pueden variar con el tiempo. En las siguientes figuras se
muestran las ventanas principales del programa Prebid, en la figura 3.3 aparecen
los datos referentes a la orientación de las superficies exteriores de de la vivienda;
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
87
en la figura 3.4 se muestra la imagen con los datos para definir una zona, con las
dimensiones de muros y ventanas; en la figura 3.5 se observa la información
referente a las propiedades termofisicas de los materiales de construcción de los
muros, toda esta información se maneja enlazada al TYPE 56 para realizar la
simulación y así obtener los resultados del comportamiento térmico de la
edificación.
Figura 3.3.- Orientación de superficies de la envolvente.
Capítulo 3
Metodología y Programa de Simulación
88
Figura 3.5.- Propiedades termofisicas de los materiales que componen los muros.
Figura 3.4.- Dimensiones de muros y ventanas.
Capítulo 4
Validación de la simulación
89
CAPÍTULO 4
VALIDACIÓN DE LA SIMULACIÓN
En este capítulo se describe el caso de estudio para la validación de la simulación,
se describe la metodología utilizada, se proporciona la información geográfica, y
datos meteorológicos del sitio donde se ubica la edificación, así como sus
características (propiedades termofisicas y ópticas, orientación, geometría, tamaño,
área de ventanas, etc.). Finalmente, se comparan los resultados de la simulación
con los datos experimentales.
Capítulo 4
Validación de la simulación
90
4.1 CASO DE ESTUDIO.
Para la realización de este trabajo se contó con la valiosa colaboración del
CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y
Tecnológicas), el cual ha construido un edificio ubicado en la Plataforma Solar de
Almería en el desierto de Tabernas en España. El edificio está instrumentado con
sistemas de adquisición de datos y se está monitorizando de forma continua, es
una instalación experimental de gran valor en el campo de la investigación en
Eficiencia Energética en la Edificación. Las medidas registradas en esta
monitorización son de alta calidad y permiten llevar a cabo diversos trabajos de
investigación sobre confort térmico, evaluación energética de edificios y de los
sistemas tanto activos como pasivos integrados en estos edificios. Además el
edificio instrumentado permite desarrollar y mejorar metodologías de evaluación
energética experimental de edificios, en condiciones reales de uso. Estas
instalaciones son prototipos singulares de gran utilidad en estudios experimentales,
que se utilizan de forma complementaria a estudios teóricos [Palero, 2006],
[Jiménez, 2011]. El recinto analizado corresponde a una sala de reuniones, se
seleccionó este espacio porque la mayor parte de su envolvente son muros
exteriores, la simulación corresponde al comportamiento en evolución libre,
finalmente los resultados fueron comparados con datos medidos in situ.
Como información general para evaluar el comportamiento térmico del
edificio deben tenerse: la ubicación geográfica, datos meteorológicos y
características del edificio (orientación, geometría, tamaño, muros, techos,
ventanas, etc.), la información de las variables climáticas debe ser como mínimo el
periodo de un año, para evaluar un ciclo solar completo, en este caso se realizó el
análisis con datos del año 2009.
La ubicación, condiciones del clima, y características de la edificación, son
datos de entrada para el programa TRNSYS, posteriormente se realiza la
simulación y los resultados son comparados con los datos medidos. Un esquema
de la metodología aplicada se presenta en la figura 4.1
Capítulo 4
Validación de la simulación
91
Figura 4.1.- Diagrama esquemático de la metodología utilizada para la validación.
4.1.1 Información de la geografía y clima.
El edificio se localiza en el desierto de Tabernas en España, 37º05’ latitud
Norte y 2º21’ longitud Oeste, a 555 sobre el nivel del mar, el tipo de clima es
desértico subtropical, con lluvias escasas e irregulares, altos índices de
irradiación, con grandes variaciones de temperatura. En el periodo anual la
temperatura mínima fue de -1.4 ºC en Enero y la máxima de 42.7 ºC se registró en
Julio, la temperatura promedio fue de 16.9 ºC. En la tabla 4.1 se presentan los
valores promedios horarios mensuales de las variables climáticas del desierto de
tabernas.
Tabla 4.1.- Promedios mensuales y anuales de las variables meteorológicas.
DATOS METEOROLÓGICOS
MES T(ºC) TM(ºC) Tm(ºC) HR% lg(W/m2) vv(m/s)
ENE 8.7 13.9 3.8 64.0 2550 2.5
FEB 9.2 15.0 4.2 66.2 3720 3.0
MAR 12.3 18.5 6.5 59.2 4724 2.8
ABR 16.1 22.5 9.0 50.7 6362 2.2
MAY 19.7 26.7 12.7 47.4 7068 2.8
JUN 25.2 32.6 18.0 40.1 7661 2.5
JUL 27.6 35.2 20.3 45.0 7633 2.4
AGO 26.0 32.9 19.9 52.8 6772 2.8
SEP 21.8 28.0 16.8 63.3 4695 2.6
OCT 17.1 22.3 12.7 71.2 3412 3.1
NOV 10.8 16.7 5.7 64.3 3062 2.4
DIC 8.5 14.1 3.6 66.6 2382 2.3
ANUAL 16.9 23.2 11.1 57.6 5003 2.6
Características del Edificio
Información General
Clima y Geografía
Evaluación Térmica
Resultados de la Simulación
Comparación de resultados teóricos y
experimentales.
Capítulo 4
Validación de la simulación
92
4.1.2 Características del edificio.
El edificio consta de una planta, su área es de 1,114.96 m2, tiene una
envolvente de gran masa térmica de forma rectangular con el eje alargado en
dirección Este-Oeste, por lo tanto la mayor área de los muros esta en las
superficies Sur y Norte, contiene varias oficinas para uso de los investigadores de
la PSA. En este caso de estudio, se analizará el comportamiento térmico de la
sala de reuniones, la cual se encuentra ubicada en el extremo Este del edificio,
como se muestra en la figura 4.2.
Figura 4.2.- Sala de reuniones (izquierda fachada al Sur, derecha vista al Este).
La figura 4.3 muestra un esquema con las dimensiones de la sala de
reuniones; para la simulación con TRNSYS, el recinto fue dividido en dos zonas,
Zona A y Zona B, la Zona A es un pasillo a la entrada y la Zona B es la sala de
reuniones.
Figura 4.3. Vista de planta y frente.
6.89 m 2.91 m
7.5
m3.4
m
Zone AZone B
Zone AZone B
W
E
NS
Temperaturesensor
Temperaturesensor
Capítulo 4
Validación de la simulación
93
Los componentes de los muros y el techo, así como sus propiedades
termofisicas se muestran en las tablas 4.2 y 4.3.
Tabla 4.2.- Materiales de construcción de los muros.
MATERIAL l 𝑚 R 𝑚2𝐾
𝑊 k
𝑊
𝑚𝑘 ρ
𝑘𝑔
𝑚3 Cp
𝑘𝐽
𝑘𝑔𝐾
Yeso 0.02 0.30 900 1.00
Ladrillo hueco 0.11 0.49 1200 0.90
Aire 0.14 0.180
Poliuretano 0.04 0.04 12 1.80
Ladrillo hueco 0.11 0.49 1200 0.90
Mortero 0.02 1.40 2000 1.10
Tabla 4.3.- Materiales de construcción del techo.
MATERIAL l 𝑚 k 𝑊
𝑚𝑘 ρ
𝑘𝑔
𝑚3 Cp 𝑘𝐽
𝑘𝑔𝐾
Concreto 0.240 1.04 1500 1.00
Mortero 0.140 1.40 2000 1.10
Bitumen 0.005 0.23 1100 1.00
Polyestyreno 0.040 0.04 25 1.50
Polypropyleno 0.003 0.22 910 1.80
Grava 0.060 0.81 1700 0.90
La resistencia térmica fue calculada considerando los coeficientes
convectivos interior y exterior definidos en el modulo TRNBuild de TRNSYS, en el
cual se proponen los siguientes valores: ℎ𝑖 = 7.7𝑊
𝑚2𝐾 ; ℎ𝑜 = 25
𝑊
𝑚2𝐾 .
Desarrollando las ecuaciones apropiadas tenemos:
𝑅 =1
ℎ𝑖𝐴+
𝑙1
𝑘1𝐴+
𝑙2
𝑘2𝐴+
𝑅𝑎𝑖𝑟𝑒
𝐴+
𝑙3
𝑘3𝐴+
𝑙4
𝑘4𝐴+
𝑙5
𝑘5𝐴+
1
ℎ𝑜𝐴
𝑅𝐴 = 1
7.7+
0.02
0.3+
0.11
0.49+ 0.18 +
0.04
0.04+
0.11
0.49+
0.02
1.4+
1
25
𝑚2𝐾
𝑊
𝑅𝐴 = 0.1298 + 0.0666 + 0.2244 + 0.18 + 1 + 0.2244 + 0.0142 + 0.04 𝑚2𝐾
𝑊
𝑅𝐴 = 1.8798 𝑚2𝐾
𝑊 y 𝑈 =
1
𝑅𝐴=
1
1.8798= 0.5319
𝑊
𝑚2𝐾
Capítulo 4
Validación de la simulación
94
Como se muestra en la tabla 4.2, el espesor del muro compuesto es de 44
cm., incluyendo el espacio de aire, y el coeficiente global de transferencia de calor
es: 𝑈 = 0.5319 𝑊
𝑚2𝐾 ; para el techo es: 𝑈 = 0.621
𝑊
𝑚2𝐾 .
La edificación además de estar formada por muros y techo masivos,
también está formada con ventanas de doble panel con vidrio de 6mm, el marco
es de aluminio con rotura de puente térmico, tiene una orientación apropiada y el
color óptimo [Suehrcke, 2008] para minimizar (en verano), o tomar ventaja del
efecto solar (en invierno), en estas condiciones se esperan valores para un bajo
factor de decremento y un alto tiempo de retraso, por lo que las variaciones de
temperatura en el interior serán muy pequeñas.
4.2 Metodología para la simulación.
La información de las variables meteorológicas, localización, orientación,
dimensiones del recinto, datos de los materiales de construcción etc., se utilizan
para formar bases de datos que alimentan el código de cómputo. Una vez que ya
se cuenta con toda la información, se configura el programa acoplando los
módulos apropiados, en este caso se ha utilizado el Type 9 (Data Reader), que
maneja la información del clima en periodos horarios, las salidas de la información
procesada por este módulo son entradas para el Type 16 (Radiation Processor), el
cual toma como base la radiación solar global, para obtener los porcentajes de las
componentes directa y difusa [Ayuso 2002], utilizando el método de cloudiness;
también calcula los valores de radiación solar incidente sobre los muros del
edificio en sus diferentes orientaciones, para lo cual se pueden aplicar varias
correlaciones, tales como: Hay and Davies, Perez, Reindl, etc., en este caso el
algoritmo utilizado corresponde al Mode 2 (Total Horizontal Radiation,
Temperature and Humidity Known, Full Reindl Correlation) [Duffie, 1991]. Para la
evaluación térmica se utiliza el Type 56 (Multi-Zone Building), que a su vez se
acopla con la interfaz TRNBuild, en la cual se describe la estructura completa del
edificio, y se seleccionan las salidas del programa. Consideramos pertinente
mencionar que la temperatura del suelo es un dato muy importante para obtener
Capítulo 4
Validación de la simulación
95
una mayor exactitud de los resultados [Neymark, 2008], en el programa se ofrecen
tres opciones: a) temperatura constante (valor predeterminado), b) temperatura
igual a la del aire en la zona (suelo adiabático), y la utilizada para este caso,
opción c) temperatura del suelo como una entrada del banco de datos horarios; en
cuanto a la infiltración se consideraron 0.25 cambios de aire por hora
[ANSI/ASHRAE, 2001], [Sherman, 2006].
4.3 EVALUACIÓN TÉRMICA.
El comportamiento térmico de la sala de reuniones del edificio se ha
simulado utilizando el programa TRNSYS .
Como salidas del Type 16 (Solar Radiation Processor) se obtienen valores de
la radiación solar incidente sobre las superficies en las orientaciones Norte, Sur,
Este y Oeste, los cuales se presentan en la gráfica 4.1. La radiación solar es
mayor sobre la superficie horizontal (techo) en el periodo comprendido desde
Marzo hasta Octubre, y acorde a la dinámica solar, de Noviembre a Febrero es
dominante la radiación que incide por el Sur, la radiación sobre los muros Este y
Oeste tiene sus valores mínimos en Diciembre y Enero, así como sus máximos en
Junio y Julio. Para esta latitud, en verano se llega a tener hasta 14 horas de sol,
mientras que en invierno se tiene días con solo 9 horas de radiación solar.
Gráfica 4.1.- Radiación solar global diaria mensual.
1
2
3
4
5
6
7
8
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
[kW
hr/
m2]
RADIACIÓN SOLAR GLOBAL PROMEDIO DIARIO MENSUAL
HORIZONTAL NORTE SUR ESTE OESTE
Meses
Capítulo 4
Validación de la simulación
96
La tabla 4.4 muestra los valores de la temperatura medida en el exterior
(Text), y de la temperatura del aire al interior de la sala de reuniones (TzonaB)
calculada con el programa TRNSYS, para un día de invierno (17 de Enero) y otro
de verano (26 de Julio). Para el 17 de Enero la diferencia entre la temperatura
exterior máxima y mínima fue de 9.71 ºC, mientras que para la temperatura del
aire al interior fue calculada una temperatura mínima de 11.7 ºC a las 8:00 horas y
una máxima de 13.6 ºC a las 15:00 horas, cuya diferencia es de 1.85 ºC; para el
día 26 de Julio la diferencia entre la temperatura exterior máxima y mínima fue de
13.09 ºC, mientras que para la temperatura del aire al interior fue calculada una
temperatura mínima de 28.8 ºC a las 7:00 horas y una máxima de 29.7 ºC a las
15:00 horas, siendo su diferencia de 0.83 ºC.
Tabla 4.4.- Temperatura exterior, y temperatura del aire al interior.
INVIERNO VERANO
Hora Text TZona
B Text TZona
B 1 3.5 12.1 21.7 29.1 2 3.6 12.1 21.3 29.1 3 4.8 12.0 20.9 29.0 4 3.6 12.0 21.2 29.0 5 3.5 11.9 21.2 28.9 6 3.4 11.9 21.0 28.9 7 3.1 11.8 21.7 28.9 8 3.2 11.8 22.5 28.9 9 5.3 11.9 24.8 28.9
10 8.7 12.3 27.6 29.1 11 10.7 12.7 29.8 29.2 12 11.3 13.0 31.4 29.4 13 11.9 13.2 32.5 29.5 14 12.7 13.5 33.5 29.6 15 12.8 13.6 34.0 29.7 16 11.9 13.4 33.8 29.7 17 10.5 13.1 34.0 29.7 18 9.3 12.8 31.8 29.6 19 8.5 12.7 29.4 29.5 20 7.9 12.6 26.9 29.4 21 6.0 12.6 24.7 29.3 22 4.6 12.5 24.6 29.2 23 4.8 12.4 24.6 29.2 24 5.6 12.4 24.0 29.2
MIN 3.1 11.8 20.9 28.9 MAX 12.8 13.6 34.0 29.7 DIF 9.7 1.9 13.1 0.8
Capítulo 4
Validación de la simulación
97
4.4 COMPARACIÓN DE RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Y DATOS
EXPERIMENTALES.
En Las gráficas 4.2 y 4.3 se muestra la variación de las temperaturas
registradas en el exterior, y al interior de la sala de reuniones, comparadas con los
resultados de la simulación para los días seleccionados en invierno y verano, se
puede apreciar como la curva de la temperatura registrada, y la curva de los
valores obtenidos con TRNSYS presentan la misma tendencia; las tablas 4.5 y
4.6, presentan los valores de estas variables y sus diferencias cuantitativas. En el
día de invierno, la máxima diferencia fue al anochecer con 4.51% (0.60 ºC), la
fluctuación de la temperatura exterior fue de 9.71 ºC, mientras que en la
temperatura registrada en el interior solo cambió 1.88 ºC, la simulación indica una
variación de 1.85 ºC (tabla 4.5). Para el día de verano, la máxima diferencia
también se registró por la noche con 1.37% (0.41 ºC), la fluctuación de la
temperatura exterior fue de 13.09 ºC, la temperatura registrada en el interior
cambió 1.39 ºC y la simulada indica una variación de 0.83 ºC (tabla 4.6); las
comparaciones dan un coeficiente de correlación de 0.930 para invierno y de
0.939 para verano. La temperaturas obtenidas de la simulación son muy parecidas
a las registradas en la sala de reuniones, las diferencias pueden ser ocasionadas
por imprecisiones en los datos de entrada al programa, por ejemplo: fluctuaciones
en la infiltración, un espesor no uniforme de las capas que componen el techo y
muros, pequeñas diferencias en las propiedades termofisicas de los materiales,
etc. Con la simulación se calculó la temperatura al interior del recinto con muy
buena aproximación respecto a los datos medidos; la máxima diferencia fue de
4.51%. La temperatura del suelo es un parámetro de entrada muy importante para
lograr resultados precisos.
Capítulo 4
Validación de la simulación
98
Gráfica 4.2.- Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para invierno día 17 de Enero 2009.
Gráfica 4.3.- Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para verano día 26 de Julio 2009.
0
5
10
15
20
25
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tem
pe
ratu
ra [
ºC]
TEMPERATURA AMBIENTE TEMPERATURA DEL SUELO
DATOS EXPERIMENTALES TRNSYS
Horas
10
15
20
25
30
35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tem
pe
ratu
ra [
ºC]
TEMPERATURA AMBIENTE TEMPERATURA DEL SUELO
DATOS EXPERIMENTALES TRNSYS
Horas
Capítulo 4
Validación de la simulación
99
Tabla 4.5. Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para invierno día 17 de Enero 2009.
Hora Text Medidas Simulación % DIF
1 3.5 12.5 12.1 2.8 2 3.6 12.4 12.1 2.6 3 4.8 12.3 12.0 2.1 4 3.6 12.2 12.0 1.9 5 3.5 12.1 11.9 1.8 6 3.4 12.1 11.9 1.5 7 3.1 12.0 11.8 1.2 8 3.2 11.9 11.8 0.8 9 5.3 11.9 11.9 0.2
10 8.7 12.1 12.3 1.1 11 10.7 12.6 12.7 0.7 12 11.3 12.9 13.0 0.5 13 11.9 13.2 13.2 0.0 14 12.7 13.5 13.5 0.6 15 12.8 13.7 13.6 0.9 16 11.9 13.7 13.4 2.1 17 10.5 13.5 13.1 3.5 18 9.3 13.4 12.8 4.4 19 8.5 13.3 12.7 4.5 20 7.9 13.2 12.6 4.2 21 6.0 13.1 12.6 4.0 22 4.6 13.0 12.5 3.9 23 4.8 12.9 12.4 3.5 24 5.6 12.8 12.4 3.1
MIN 3.1 11.9 11.8 0.0 MAX 12.8 13.7 13.6 4.5
DIF 9.7 1.9 1.9
Capítulo 4
Validación de la simulación
100
Tabla 4.6.- Temperatura ambiente exterior, comparación entre datos medidos y simulación para verano día 26 de Julio 2009.
Hora Text Medidas Simulación % DIFF
1 21.7 29.1 29.1 0.0 2 21.3 29.0 29.1 0.2 3 20.9 28.9 29.0 0.4 4 21.2 28.8 29.0 0.5 5 21.2 28.7 28.9 0.7 6 21.0 28.7 28.9 0.8 7 21.7 28.6 28.9 0.8 8 22.5 28.6 28.9 0.8 9 24.8 28.7 28.9 0.7
10 27.6 28.9 29.1 0.6 11 29.8 29.1 29.2 0.4 12 31.4 29.3 29.4 0.2 13 32.5 29.5 29.5 0.0 14 33.5 29.7 29.6 0.3 15 34.0 29.9 29.7 0.6 16 33.8 30.0 29.7 0.9 17 34.0 30.0 29.7 1.2 18 31.8 30.0 29.6 1.3 19 29.4 29.9 29.5 1.3 20 26.9 29.8 29.4 1.4 21 24.7 29.7 29.3 1.3 22 24.6 29.6 29.2 1.2 23 24.6 29.5 29.2 1.0 24 24.0 29.4 29.2 0.9
MIN 20.9 28.6 28.9 0.0 MAX 34.0 30.0 29.7 1.4 DIF 13.1 1.4 0.8
Capítulo 5
Resultados
101
CAPÍTULO 5
RESULTADOS
En este apartado se presentan los resultados de las simulaciones, contemplando
varias combinaciones de parámetros que influyen en el comportamiento térmico
de las viviendas (orientación, geometría, materiales de construcción, propiedades
ópticas, ventanas doble panel, y viviendas de una o dos plantas.), que
considerando el uso de equipos de aire acondicionado impactan en la demanda
energética. También se presenta un análisis de la calidad térmica de las viviendas
en función de las características de la envolvente (en evolución libre). Con los
resultados obtenidos se propone una escala de valores para otorgar una
calificación a las edificaciones en función de un bajo o alto consumo energético,
finalmente se define una relación para evaluar la calidad térmica de las viviendas.
Capítulo 5
Resultados
102
5.1 RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE SOBRE LAS SUPERFICIES DE LA
VIVIENDAS.
El factor que tiene mayor impacto en las ganancias externas de calor es la
radiación solar, por lo que es imprescindible tener la información adecuada. Para
la realización de este proyecto se cuenta con datos de radiación solar global
obtenidos en las Estaciones Meteorológicas Automáticas. Con la utilización del
programa TRNSYS® (Type 16), se determina la cantidad de radiación solar
incidente sobre cada una de las superficies de las viviendas ubicadas en las
localidades de Tlaquiltenango, Emiliano Zapata y Huitzilac, para los climas: cálido,
templado y frio; en cuatro orientaciones básicas (fachada al Norte, Sur, Este y
Oeste), los resultados de la simulación se muestran en las gráficas 5.1 a 5.3.
En la gráfica 5.1 se muestra la variación de la radiación solar que incide
sobre cada una de las superficies de la envolvente para una vivienda ubicada en
la localidad de Tlaquiltenango (clima cálido), los datos de radiación solar son
sumarizados diarios en promedios mensuales.
Gráfica 5.1.- Radiación solar incidente sobre el municipio de Tlaquiltenango.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
kWd
ía/m
^2
RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE PROMEDIO TLAQUILTENANGO 2007HORIZONTAL NORTE SUR ESTE OESTE
Capítulo 5
Resultados
103
Como se observa en la gráfica anterior, la superficie que recibe mayor
cantidad de radiación solar promedio diaria mensual es la horizontal, sobre todo,
para el periodo más caluroso del año (Abril a Junio), rebasando los 7 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2 , le
sigue la radiación que incide sobre la superficie hacia el Oeste con 5 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2 , la
radiación sobre la envolvente en el Este se mantiene entre 3 y 4 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2 , la
radiación solar incidente sobre la superficie al sur se incrementa en el solsticio de
invierno, decreciendo durante el resto del año, la radiación al Norte se mantiene
baja en todo el año tomando su valor máximo en el solsticio de verano.
En la gráfica 5.2, se muestra la evaluación de la radiación solar que incide
sobre cada una de las superficies de la envolvente para una vivienda ubicada en
la localidad de Emiliano Zapata.
Gráfica 5.2.- Radiación solar incidente sobre el municipio de Emiliano Zapata.
La gráfica 5.2 corresponde a la localidad de Emiliano Zapata, clasificada
como clima templado, se aprecia una dinámica similar al clima cálido, sólo que
disminuyen los valores de radiación, el periodo más caluroso del año es de Abril a
Junio, la superficie que recibe mayor cantidad de radiación solar promedio diaria
mensual es la horizontal, estando entre 6 y 7 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2, le sigue la radiación que
0
1
2
3
4
5
6
7
8
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
kWd
ía/m
^2
RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE PROMEDIO ZAPATA 2007HORIZONTAL NORTE SUR ESTE OESTE
Capítulo 5
Resultados
104
incide sobre la superficie hacia el Oeste con valores entre 3 y 4 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2, la radiación
sobre la envolvente en el Este se mantiene entre 2 y 3 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2 , la radiación solar
incidente sobre la superficie al sur se incrementa en el solsticio de invierno,
decreciendo el resto del año, la radiación al Norte se mantiene baja en todo el año
tomando su valor máximo en el solsticio de verano.
En la gráfica 5.3, se muestra la evaluación de la radiación solar que incide
sobre cada una de las superficies de la envolvente para una vivienda ubicada en
la localidad de Huitzilac, clasificada como clima frio.
Grafica 5.3.- Radiación solar incidente sobre el municipio de Huitzilac.
En la gráfica anterior se muestra la variación de la radiación solar al igual
que las figuras 5.1 y 5.2, sin embargo, se observan diferencias significativas, hay
una disminución en la radiación solar incidente sobre todas las superficies,
especialmente en la época de lluvias, la superficie que recibe mayor cantidad de
radiación solar promedio diaria mensual es la horizontal, apenas superando los 6
𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2 en el mes de abril, le sigue la radiación que incide sobre la superficie al Sur
en Enero y Febrero con picos arriba de 4 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2 , en el Oeste con máximas apenas
sobre 3 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2 , la radiación sobre la envolvente en el Este no alcanza los 3 𝑘𝑊−𝑑í𝑎
𝑚2 ,
0
1
2
3
4
5
6
7
8
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
kWd
ía/m
^2
RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE PROMEDIO HUITZILAC 2007HORIZONTAL NORTE SUR ESTE OESTE
Capítulo 5
Resultados
105
en el Este y Oeste los valores máximos son en Marzo y Abril, la radiación al Norte
se mantiene baja en todo el año tomando su valor máximo en el solsticio de
verano.
Con base en la información anterior, se concluye que para todos los climas
la radiación solar incidente es mayor sobre la superficie horizontal (techo); en
cuanto a los muros, para climas cálido y templado, la radiación incidente sobre la
superficie al Oeste es la dominante, por lo que se espera que tanto los techos, y
los muros con orientación al Oeste tengan las mayores ganancias térmicas
debidas a radiación solar, en clima frio la radiación incidente se ve disminuida
sobre todo en la época de lluvias, en invierno se recibe mayor cantidad de
radiación al sur y al oeste, y es casi uniforme para las otras orientaciones.
5.2 CARGAS TÉRMICAS.
Para la evaluación de las cargas térmicas, en la implementación del
programa TRNSY® se aplicó el modo de coeficiente de control de energía,
estableciendo los límites de temperatura en 𝑇𝑚𝑖𝑛 = 19 ºC para calentamiento y
𝑇𝑚𝑎𝑥 = 27 ºC para enfriamiento*, suelo adiabático**, y una infiltración de 0.6
cambios de aire por hora [ANSI/ASHRAE, 2001], [Sherman, 2003]; la absortancia
de los muros es de 0.6 (anaranjado) y la del techo es 0.75 (rojo terracota).
* Referencia en el capítulo 2.
**La condición de frontera para el suelo que se puede seleccionar dentro del programa son las siguientes:
1.- Alimentar datos horarios de la temperatura real.
2.- Fijar una temperatura constante.
3.- Condición de suelo adiabático.
La mejor opción es alimentar datos medidos, pero en nuestro caso no los tenemos, considerar una
temperatura fija resultaría en mayores diferencias con la realidad, ya que la temperatura del suelo oscila
paralela con la temperatura de la zona, por lo que la mejor aproximación es considerar que no hay
intercambios energéticos con el suelo.
Capítulo 5
Resultados
106
5.2.1 Vivienda dos plantas.
En este caso, la vivienda pertenece a un conjunto habitacional, donde las
viviendas se encuentran en diversas orientaciones, por lo que se tomaron en
cuenta cuatro posiciones, considerando la fachada frente a cada punto cardinal. A
continuación se presentan los resultados obtenidos de la evaluación térmica para
las localidades de Tlaquiltenango, Emiliano Zapata, y Huitzilac.
En la gráfica 5.4 se muestra la evaluación de la cantidad de energía
requerida para confort en la vivienda situada virtualmente en el municipio de
Tlaquiltenango, en la cual se observa que las cargas térmicas para lograr
condiciones de confort son mayores con la fachada orientada hacia el Este (6,613
kWhr) y Oeste (6,555 kWhr). La carga térmica anual se reduce en un 16.5% con la
fachada orientada al Norte (5,524 kWhr).
Gráfica 5.4.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
En la gráfica 5.5 se muestra la evaluación de la cantidad de energía térmica
a remover para lograr condiciones de confort durante el año para diferentes
orientaciones de la vivienda, en la localidad de Emiliano Zapata.
0
200
400
600
800
1000
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
[kW
hr]
CARGAS DE ENFRIAMIENTO TLAQUILTENANGO
FACHADA ORIENTADA AL ESTE FACHADA ORIENTADA AL OESTE
FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL NORTE
FACHADA AL ESTE
FACHADA AL OESTE
FACHADA AL SUR
FACHADA AL NORTE
6613 6555 6506
5524
Carga térmica anual en kWhr
Capítulo 5
Resultados
107
Gráfica 5.5.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
En la figura anterior se observa que las curvas tienen un comportamiento
similar a la gráfica de clima cálido, pero en menor magnitud, las cargas térmicas
para lograr condiciones de confort, son mayores con la fachada orientada al Oeste
(3,528 kWhr). La carga térmica anual se reducen en un 18.6 % con la fachada
orientada al Norte (2,871 kWhr).
La variación de la cantidad de energía requerida para confort, en función de
la orientación, de la vivienda situada virtualmente en la localidad de Huitzilac, se
muestra en la gráfica 5.6.
Gráfica 5.6.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac.
0
200
400
600
800
1000
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
[kW
hr]
CARGAS DE ENFRIAMIENTO ZAPATA
FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL ESTE
FACHADA ORIENTADA AL OESTE FACHADA ORIENTADA AL NORTE
FACHADA AL SUR
FACHADA AL ESTE
FACHADA AL OESTE
FACHADA AL NORTE
3528 3489 3405
2871
Carga térmica anual en kWhr
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
[kW
hr]
CARGAS DE CALENTAMIENTO HUITZILAC
FACHADA ORIENTADA AL NORTE FACHADA ORIENTADA AL OESTE
FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL ESTE
FACHADA AL NORTE
FACHADA AL OESTE
FACHADA AL SUR
FACHADA AL ESTE
17160
16950
16790
16580
Carga térmica anual en kWhr
Capítulo 5
Resultados
108
En la gráfica anterior se observan las curvas que corresponden a la
evaluación de cargas térmicas para calentamiento, presentan un comportamiento
diferente a las de clima cálido y templado, son mayores en invierno, y disminuyen
en verano. Las cargas térmicas se reducen en un 3.4% con la fachada orientada al
Este (16,589 kWhr), con respecto a las máximas con la fachada al Norte (17,160
kWhr).
5.2.2 Vivienda de una planta.
Para este caso también se realizó una evaluación de las cargas térmicas,
considerando los efectos debidos al cambio de orientación. A continuación se
muestran los resultados obtenidos para la vivienda situada virtualmente en la
localidad de Tlaquiltenango (gráfica 5.7).
Gráfica 5.7.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango.
En la gráfica anterior, se observa que las cargas térmicas para lograr
condiciones de confort son mayores con la fachada orientada hacia el Oeste
(16,910 kWhr) y Este (16,310 kWhr), con la fachada orientada al Norte (14,650
kWhr), la carga térmica anual se reduce en un 13.4%
En la gráfica 5.8 se muestra la evaluación de la cantidad de energía
requerida para confort durante el año para las diferentes orientaciones de la
vivienda, y los valores totales correspondientes, para la localidad de Emiliano
Zapata.
0
500
1000
1500
2000
2500
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
[kW
hr]
CARGAS DE ENFRIAMIENTO TLAQUILTENANGO
FACHADA ORIENTADA AL OESTE FACHADA ORIENTADA AL ESTE
FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL NORTE
FACHADA AL OESTE
FACHADA AL ESTE
FACHADA AL SUR
FACHADA AL NORTE
16910
16310
15620
14650
Carga térmica anual en kWhr
Capítulo 5
Resultados
109
Gráfica 5.8.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata.
En la figura anterior se observa que las curvas tienen un comportamiento
similar a la gráfica de clima cálido, pero en menor magnitud, las cargas térmicas
para lograr condiciones de confort, son mayores con la fachada orientada al Oeste
(10,340 kWhr). La carga térmica anual se reducen en un 11.9 % con la fachada
orientada al Norte (9,107 kWhr).
La cantidad de energía requerida para confort, y sus variaciones en función
de la orientación para la vivienda situada virtualmente en la localidad de Huitzilac,
se muestra en la gráfica 5.9.
Gráfica 5.9.- Variación de carga térmica anual en función de la orientación para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac.
En la gráfica anterior se observan las curvas que corresponden a la
evaluación de cargas térmicas para calentamiento, la cuales presentan un
0
500
1000
1500
2000
2500
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
[kW
hr]
CARGAS DE ENFRIAMIENTO ZAPATA
FACHADA ORIENTADA AL OESTE FACHADA ORIENTADA AL ESTE
FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL NORTE
FACHADA AL OESTE
FACHADA AL ESTE
FACHADA AL SUR
FACHADA AL NORTE
10340
99699870
9107
Carga térmica anual en kWhr
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
[kW
hr]
CARGAS DE CALENTAMIENTO HUITZILAC
FACHADA ORIENTADA AL NORTE FACHADA ORIENTADA AL OESTE
FACHADA ORIENTADA AL SUR FACHADA ORIENTADA AL ESTE
FACHADA AL NORTE
FACHADA AL SUR
FACHADA AL OESTE
FACHADA AL ESTE
25260
24920
24800
24670
Carga térmica anual en kWhr
Capítulo 5
Resultados
110
comportamiento diferente a las de clima cálido y templado, son mayores en
invierno, y disminuyen en verano. Las cargas anuales se reducen en un 2.3 % con
la fachada orientada al Este (24,670 kWhr), respecto a una orientación al Norte
(25,260 kWhr).
Con base en los resultados presentados en las gráficas 5.4 a 5.9, se
concluye que, el cambio de orientación influye sobre la carga térmica de manera
muy parecida trátese de la vivienda de una planta, o la de dos plantas. En clima
cálido para la localidad de Tlaquiltenango, la mejor orientación es con la fachada
al Norte. Para clima templado en la localidad de Emiliano Zapata, las curvas son
similares a las de clima cálido, pero disminuye la carga térmica, debido a que la
cantidad de radiación solar para este lugar es menor. En cuanto a la localidad de
Huitzilac, clima frio, el efecto del cambio de orientación sobre la carga térmica es
mínimo, sin embargo, la mejor orientación resulta ser con la fachada al Este,
presentando la vivienda su eje alargado Sur-Norte.
5.3 EVALUACIÓN TÉRMICA.
Para evaluar la influencia del medio ambiente con la temperatura al interior
de las viviendas, las simulaciones se realizaron en evolución libre. Para clima
cálido se consideró el día 19 de Abril, por ser el día del año en que se presentó la
temperatura exterior más elevada, y para clima frio, el día 13 de Febrero, por
presentarse la temperatura más baja del año. Para las localidades de
Tlaquiltenango y Emiliano Zapata se considera la fachada con orientación oeste, y
en el caso de la localidad de Huitzilac, se supone una orientación hacia el norte,
debido a que estas orientaciones de las viviendas son las que requieren una
mayor carga térmica.
5.3.1 Vivienda de dos plantas.
Para la vivienda de dos plantas, la simulación se realizó considerando una
división en cuatro zonas con el fin evaluar las diferencias de temperatura entre
recintos y entre planta baja y alta, como se muestra en el esquema de la figura 5.1.
Capítulo 5
Resultados
111
Figura 5.1.- Vivienda dos plantas, división por zonas.
En la gráfica 5.10 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y
las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de
Tlaquiltenango, para el día seleccionado.
Gráfica 5.10.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
En la gráfica anterior, se observa que en la zona 3 se presenta la
temperatura más elevada con 41 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, la mínima fue
de 24.6 ºC en la zona 4 entre las 7:00 y 8:00 horas; mientras que la temperatura
ambiente máxima llegó a 38.5 ºC, entre las 17:00 y 18:00 horas, y la mínima fue
de 18.7 ºC entre las 6:00 y 7:00 horas; desde las 6:00 hasta las 10:00 horas la
vivienda se encuentra dentro de la zona de confort térmico.
En la gráfica 5.11 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y
las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Emiliano
Zapata, en la zona 3 se presenta la temperatura más elevada con 38.8 ºC entre
Z-1 Z-2 Z-3
Z-4
15
20
25
30
35
40
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
TEM
PER
ATU
RA
[ºC
]
HORAS
TEMPERATURA EXTERIOR E INTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL OESTETLAQUILTENANGO
TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4
Capítulo 5
Resultados
112
las 18:00 y 19:00 horas, la mínima fue de 23 ºC en la zona 4 entre las 7:00 y 8:00
horas; mientras que la temperatura ambiente máxima llegó a 35 ºC, entre las
17:00 y 18:00 horas, y la mínima fue de 18.8 ºC a las 7:00 horas; desde las 3:00
hasta las 11:00 horas la vivienda se encuentra dentro de la zona de confort
térmico.
Gráfica 5.11.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
En la gráfica 5.12 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y
las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Huitzilac, para
el día seleccionado.
Gráfica 5.12.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac.
15
20
25
30
35
40
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
TEM
PER
ATU
RA
[ºC
]
HORAS
TEMPERATURA EXTERIOR E INTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL OESTE EMILIANO ZAPATA
TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
TEM
PER
ATU
RA
[ºC
]
HORAS
TEMPERATURA INTERIOR Y EXTERIOR FACHADA ORIENTADA AL NORTE, HUITZILAC
TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4
Capítulo 5
Resultados
113
En la gráfica anterior, se observa que en la zona 1 (planta baja), se presenta
una temperatura mínima de 5.9 ºC entre las 8:00 y 9:00 horas, la máxima llegó a
25.5 ºC en la zona 4 entre las 18:00 y 19:00 horas; mientras que la temperatura
ambiente mínima fue entre las 7:00 y 8:00 horas registrándose 0.7 ºC, y la máxima
fue de 16.2 ºC a las 17:00 horas; la vivienda se encuentra dentro de la zona de
confort térmico de las 16:00 a las 20:00 horas.
5.3.2 Vivienda de una planta.
Para evaluar el comportamiento térmico en la vivienda de una planta también
se realizó la simulación considerando una división en cuatro zonas, con el fin
evaluar las diferencias de temperatura entre recintos, un esquema de la vivienda
se muestra en la figura 5.2.
Figura 5.2.- Vivienda una planta, división por zonas.
En la gráfica 5.13 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y
las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de
Tlaquiltenango, para el día seleccionado.
Capítulo 5
Resultados
114
Gráfica 5.13.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango.
En la gráfica anterior, se observa que en la zona 2 se presenta la
temperatura más elevada con 45 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, la mínima fue
de 25 ºC en la zona 2 entre las 7:00 y 8:00 horas; mientras que la temperatura
ambiente máxima llegó a 38.5 ºC, entre las 17:00 y 18:00 horas, y la mínima fue
de 18.7 ºC entre las 6:00 y 7:00 horas; desde las 6:00 hasta las 10:00 horas la
vivienda se encuentra dentro de la zona de confort térmico.
En la gráfica 5.14 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las
temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Emiliano Zapata,
para el día seleccionado.
Gráfica 5.14.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata.
15
20
25
30
35
40
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
TEM
PER
ATU
RA
[ºC
]
HORAS
TEMPERATURA EXTERIOR E INTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL OESTE TLAQUILTENANGO
TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4
15
20
25
30
35
40
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
TEM
PER
ATU
RA
[ºC
]
HORAS
TEMPERATURA EXTERIOR E INTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL OESTEEMILIANO ZAPATA
TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4
Capítulo 5
Resultados
115
En la gráfica anterior, se muestra que en la zona 2 se presenta la
temperatura más elevada con 42.3 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, la mínima fue
de 23.7 ºC en la zona 2 entre las 7:00 y 8:00 horas; mientras que la temperatura
ambiente máxima llegó a 35 ºC, entre las 17:00 y 18:00 horas, y la mínima fue de
18.8 ºC a las 7:00 horas; desde las 4:00 hasta las 10:00 horas la vivienda se
encuentra dentro de la zona de confort térmico.
En la gráfica 5.15 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y
las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Hitzilac, para
el día seleccionado.
Gráfica 5.15.- Temperatura ambiente y temperaturas calculadas al interior de la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac.
En la gráfica anterior, se observa que en la zona 2, se presenta la
temperatura mínima de 5.0 ºC entre las 8:00 y 9:00 horas, la máxima llegó a 27.0
ºC en la zona 4 entre las 18:00 y 19:00 horas; mientras que la temperatura
ambiente mínima fue entre las 7:00 y 8:00 horas registrándose 0.7 ºC, y la máxima
fue de 16.2 ºC a las 17:00 horas; la vivienda se encuentra dentro de la zona de
confort térmico de las 15:00 a las 21:00 horas.
Con base en los resultados presentados en las gráficas 5.10 a 5.15, se
concluye que, las temperaturas interiores en la vivienda de una o dos plantas
muestran un comportamiento diferente bajo las mismas condiciones de clima. En
clima cálido para la localidad de Tlaquiltenango, los resultados indican que la
condición más favorable para el confort se da en la vivienda de dos plantas, pues
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
TEM
PER
ATU
RA
[ºC
]
HORAS
TEMPERATURA INTERIOR Y EXTERIOR, FACHADA ORIENTADA AL NORTE, HUITZILAC.
TEXT TZ1 TZ2 TZ3 TZ4
Capítulo 5
Resultados
116
mantiene una temperatura más cercana a la temperatura de confort; para clima
templado en la localidad de Emiliano Zapata, el comportamiento es similar,
aunque la temperatura pico es más baja que en clima cálido; en cuanto a la
localidad de Huitzilac, clima frio, la vivienda de dos plantas, durante la noche
mantiene una diferencia aproximada de 1 ºC sobre la temperatura de la vivienda
de una planta, pero durante el día la vivienda de un planta mantiene una diferencia
aproximada de 2 ºC sobre la temperatura de la vivienda de dos plantas.
5.4 VARIACIÓN DE PARÁMETROS EN LA ENVOLVENTE CONSIDERANDO
SISTEMAS DE HVAC.
Con la finalidad de disminuir o aprovechar los efectos de la radiación solar
sobre la envolvente de las viviendas, y alcanzar las condiciones de confort con un
menor consumo de energía térmica, se evalúa el impacto del cambio de
parámetros tales como: orientación, geometría, propiedades ópticas y propiedades
termo físicas de los materiales de la envolvente de la vivienda. Considerando
abarcar esta gama de posibilidades, se realizó una serie de simulaciones variando
los parámetros mencionados anteriormente, suponiendo la utilización de equipo
para aire acondicionado, estableciendo los límites de temperatura en 𝑇𝑚𝑖𝑛 = 19 ºC
para calentamiento y 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 27 ºC para enfriamiento.
Parámetros:
1.- Cambio de orientación de la fachada.
2.- Variar el aislante de 1” hasta 4” en el techo.
3.- Variar de 1” hasta 4” de aislante en techo y muros.
4.- Cambiar propiedades ópticas en el techo y muros.
5.- Colocar dispositivos de sombreado.
6.- Colocar ventanas de doble panel.
Con la finalidad de poder identificar fácilmente los cambios realizados se
propone una matriz de parámetros como se describe en la tabla 5.1.
Capítulo 5
Resultados
117
Tabla 5.1.- Descripción de los parámetros a cambiar en la envolvente.
Y1 Orientación de la fachada*
Y2 Espesor de aislante en el techo (pulgadas)
Y3 Espesor de aislante en los muros (pulgadas)
Y4 Absortancia del techo
Y5 absortancia de los muros
Y6 Dispositivos de sombreado
Y7 Ventanas doble panel
Y8 Una o dos plantas
*Orientación de la fachada
Fachada al Norte (N) Fachada al Sur (S)
Fachada al Este (E) Fachada al Oeste (O)
Por ejemplo si se presenta una matriz: (N,2,1,0.75,0.6,S,2,1), Y1=N
(fachada orientada al Norte), Y2=2 (2” de aislante en el techo, Y3=1 (1” de aislante
en los muros, Y4=0.75 (absortancia del techo), Y5=0.6 (absortancia de los muros),
Y6=2 (ventanas de doble vidrio), Y7=S (dispositivo de sombreado) y Y8=1
(vivienda de una planta).
En las tablas 5.2 y 5.3 se muestra la variación del coeficiente global de
transferencia de calor 𝑈 en función del aislante agregado en muros y techos, la
resistencia térmica fue calculada considerando los coeficientes convectivos interior
y exterior definidos en el modulo TRNBuild de TRNSYS, en el cual se proponen
los siguientes valores: ℎ𝑖 = 7.7𝑊
𝑚2𝐾 ; ℎ𝑜 = 25
𝑊
𝑚2𝐾 .
.
Tabla 5.2.- Variación de propiedades térmicas en muros.
Condiciones Espesor 𝑙 , en metros. U 𝑊
𝑚2𝐾
Vivienda real. 0.15 2.908
+1” de aislante 0.175 0.829
+2” de aislante 0.201 0.476
+3” de aislante 0.226 0.337
+4” de aislante 0.252 0.259
Capítulo 5
Resultados
118
Tabla 5.3.- Variación de propiedades térmicas en techos.
Condiciones Espesor 𝑙 , en metros. U 𝑊
𝑚2𝐾
Vivienda real. 0.145 2.367
+1” de aislante 0.17 0.778
+2” de aislante 0.196 0.458
+3” de aislante 0.221 0.329
+4” de aislante 0.247 0.254
Nota: El aislante considerado para adicionar en muros y techos es: Owens Corning FOAMULAR 250 extruded polystyrene.
Los valores tomados como referencia para la vivienda en condiciones
reales corresponden a la descripción mostrada en el capítulo 2, tabla 2.6. En las
tablas 5.2 y 5.3 se muestran los valores del coeficiente global de transferencia de
calor, que disminuyen conforme se incrementa el espesor del muro debido a la
adición del material aislante.
En el caso de que se quiera construir una vivienda con materiales usados
tradicionalmente como el adobe, podemos establecer un punto de referencia entre
este y el aislante térmico, para lo cual se presenta un análisis comparativo de los
valores de la resistencia térmica equivalente (Tabla 5.4).
Tabla 5.4.- Resistencia térmica en aislante y adobe, en función del espesor del muro.
𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑙 , 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠.
𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑘 , 𝑒𝑛 𝑊
𝑚𝐾
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅 , 𝑒𝑛 𝑚2𝐾
𝑊
Aislante Adobe Aislante Adobe Aislante Adobe
0.025 0.250 0.029 0.25 0.9 1
0.050 0.500 0.029 0.25 1.7 2
0.075 0.750 0.029 0.25 2.6 3
0.100 1.000 0.029 0.25 3.4 4
Con los datos de la tabla 5.4 se infiere que un muro construido con adobe
necesita tener un espesor 10 veces mayor que el aislante, para lograr una
resistencia de 1.16 veces.
Capítulo 5
Resultados
119
5.4.1 Vivienda de dos plantas.
Introduciendo todos los parámetros, y realizando la simulación, se obtuvieron
los valores de las cargas térmicas, en función de las características de la
envolvente, para el periodo de un año (gráficas 5.16 a 5.18). En la gráfica 5.16 se
muestra la evaluación de las cargas térmicas para lograr condiciones de confort
bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en la localidad de
Tlaquiltenango, para el periodo de un año.
Gráfica 5.16.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
En la gráfica anterior, se observa que la configuración menos favorable es en
condiciones reales con la fachada orientada al Este, la carga térmica
correspondiente es de 132 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 , la configuración más favorable es la vivienda con
la fachada orientada al Norte, con una pulgada de aislante en el techo y muros,
con color claro en la envolvente (absortancia de 0.3), dispositivos de sombreado, y
ventana de doble panel, la carga térmica correspondiente fue de 27 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 ,
representando un 79.5 % de diferencia.
0 20 40 60 80 100 120 140
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,2)
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,2)
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
27
29
31
43
45
45
45
48
50
78
79
80
83
110
130
131
132
kWhr/m^2/año
CO
NFI
GU
RA
CIÓ
N
CARGAS TÉRMICAS
Capítulo 5
Resultados
120
En la gráfica 5.17 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para
lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en
la localidad de Emiliano Zapata, para el periodo de un año. Se observa que la
configuración menos favorable es en condiciones reales con la fachada orientada
al Este, la carga térmica correspondiente es de 71 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 , mientras que, la
configuración más favorable se presenta con fachada de la vivienda orientada al
Norte, con una pulgada de aislante en el techo y muros, con color claro en la
envolvente (absortancia de 0.3), dispositivo de sombreado, y ventanas de doble
panel, la carga térmica correspondiente fue de 7.9 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2, representando un 88.9%
de diferencia.
Gráfica 5.17.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
En la gráfica 5.18 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para
lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en
la localidad de Huitzilac, para el periodo de un año.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,2)
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,2)
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
7.9
8.3
8.9
14
17
17
17
18
18
34
34
35
37
57
68
70
71
kWhr/m^2/año
CO
NFI
GU
RA
CIÓ
N
CARGAS TÉRMICAS
Capítulo 5
Resultados
121
Gráfica 5.18.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac.
En la gráfica anterior, se observa que la configuración menos favorable es en
condiciones reales con la fachada orientada al Norte, la carga térmica
correspondiente es de 343 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 , la configuración más favorable es la vivienda con
la fachada orientada al Este, con cuatro pulgadas de aislante en el techo y muros,
y ventana de doble panel, la carga térmica correspondiente es de 30 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 ,
representando un 91.3 % de diferencia.
5.4.2 Vivienda de una planta.
Alimentando todos los parámetros, y realizando la simulación, se obtuvieron
los valores de las cargas térmicas, en función de las características de la
envolvente, para el periodo de un año (gráficas 5.19 a 5.22).
En la gráfica 5.19 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para
lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en
la localidad de Tlaquiltenango, para el periodo de un año.
0 50 100 150 200 250 300 350
(E,4,4,0.75,0.6,0,2,2)
(E,1,4,0.75,0.6,0,2,2)
(E,1,2,0.75,0.6,0,2,2)
(E,4,4,0.75,0.6,0,1,2)
(E,3,3,0.75,0.6,0,1,2)
(E,2,2,0.75,0.6,0,1,2)
(E,1,1,0.75,0.6,0,2,2)
(E,1,1,0.75,0.6,0,1,2)
(E,4,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,3,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,2,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,1,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
30
38
59
61
70
86
95
125
307
308
309
312
332
336
339
343
kWhr/m^2/año
CO
NFI
GU
RA
CIÓ
N
CARGAS TÉRMICAS
Capítulo 5
Resultados
122
Gráfica 5.19.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango.
En la gráfica anterior, se observa que la configuración menos favorable es en
condiciones reales con la fachada orientada al Oeste, la carga térmica
correspondiente es de 176 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 , la configuración más favorable es la vivienda con
la fachada orientada al Norte, con una pulgada de aislante en el techo y muros,
con color claro en la envolvente (absortancia de 0.3), dispositivo de sombreado, y
ventana de doble panel, la carga térmica correspondiente es de 31 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 ,
representando un 82.4 % de diferencia.
En la gráfica 5.20 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para
lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en
la localidad de Emiliano Zapata, para el periodo de un año. Se observa que la
configuración menos favorable es en condiciones reales con la fachada orientada
al Oeste, la carga térmica correspondiente es de 108 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 , la configuración más
favorable se presenta con la fachada orientada al Norte, con una pulgada de
aislante en el techo, con color claro en la envolvente, dispositivo de sombreado y
ventana de doble panel, la carga térmica correspondiente es de 11 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 ,
representando un 89.8 % de diferencia.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,1)
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,1)
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,1)
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,1)
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,1)
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,1)
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,1)
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,1)
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,1)
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
31
34
40
45
52
54
57
66
70
70
72
75
84
153
163
170
176
kWhr/m^2/año
CO
NFI
GU
RA
CIÓ
N
CARGAS TÉRMICAS
Capítulo 5
Resultados
123
Gráfica 5.20.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata.
En la gráfica 5.21 se muestra la evaluación de las cargas térmicas para
lograr condiciones de confort bajo diferentes configuraciones de la envolvente, en
la localidad de Huitzilac, para el periodo de un año. Se observa que la
configuración menos favorable es en condiciones reales con la fachada orientada
al Norte, la carga térmica correspondiente es de 263 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 , la configuración más
favorable es la vivienda con la fachada orientada al Este, con cuatro pulgadas de
aislante en el techo y muros, y ventana de doble panel, la carga térmica
correspondiente es de 23 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 , representando un 91.3 % de diferencia.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,2)
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,2)
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
7.9
8.3
8.9
14
17
17
17
18
18
34
34
35
37
57
68
70
71
kWhr/m^2/año
CO
NFI
GU
RA
CIÓ
N
CARGAS TÉRMICAS
Capítulo 5
Resultados
124
Gráfica 5.21.- Cargas térmicas anuales para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac.
5.4.3 Comparación de cargas térmicas por localidad.
A continuación se realiza una comparación de la variación de las cargas
térmicas en las viviendas, se analiza cada localidad, considerando las viviendas
de una y dos plantas (gráficas 5.22 a 5.25).
En la gráfica 5.22 se presenta la variación de cargas térmicas para
viviendas de una y dos plantas para la localidad de Tlaquiltenango (clima cálido).
Se observa que dependiendo del tipo de envolvente se requiere un máximo de
176 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 , y un mínimo de 27 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 de energía térmica al año para mantener
condiciones de confort. Los factores que tienen mayor influencia son: el color (baja
absortancia), adición de aislante en el techo y muros (con mayor impacto en el
techo), orientación (fachada al Norte con el eje alargado en dirección Este-oeste),
y agregar dispositivos de sombreado. Adicionar ventanas de doble panel no tiene
un efecto significativo. Aplicando todos los cambios en la envolvente sería posible
reducir en un 84.7% el consumo de energía.
0 50 100 150 200 250 300 350
(E,4,4,0.75,0.6,0,2,1)
(E,1,4,0.75,0.6,0,2,1)
(E,1,2,0.75,0.6,0,2,1)
(E,1,1,0.75,0.6,0,2,1)
(E,4,4,0.75,0.6,0,1,1)
(E,3,3,0.75,0.6,0,1,1)
(E,2,2,0.75,0.6,0,1,1)
(E,1,1,0.75,0.6,0,1,1)
(E,4,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,3,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,2,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,1,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
23
35
46
66
66
72
82
108
212
213
214
219
257
258
260
263
kWhr/m^2/año
CO
NFI
GU
RA
CIÓ
N
CARGAS TÉRMICAS
Capítulo 5
Resultados
125
Gráfica 5.22.- Cargas térmicas anuales para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
En la gráfica 5.23 se presenta la variación de cargas térmicas para viviendas
de una y dos plantas para la localidad de Emiliano Zapata (clima templado).
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,1)
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,1)
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,1)
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,1)
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,2)
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,1)
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,1)
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,1)
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,1)
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,1)
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
2729313134
4043454545454850525457
66707072757879808384
110130131132
153163
170176
kWhr/m^2/año
CO
NFI
GU
RA
CIÓ
N
CARGAS TÉRMICAS
Capítulo 5
Resultados
126
Gráfica 5.23.- Cargas térmicas anuales para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
Al igual que en el caso anterior, en la gráfica 5.23 se observan los valores
de las cargas térmicas anuales para la localidad de Emiliano Zapata (clima
templado), para una y dos plantas. Los parámetros con mayor influencia son los
0 20 40 60 80 100 120
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,2)
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,1)
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,1)
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,1)
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,1)
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,2)
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,2)
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,1)
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,1)
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,1)
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,1)
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,1)
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
7.98.38.911131414161717171818
242526
313131323434343537
4057
687071
95103104
108
kWhr/m^2/año
CO
NFI
GU
RA
CIÓ
N
CARGAS TÉRMICAS
Capítulo 5
Resultados
127
mismos, sólo que en diferente magnitud. Se requiere un máximo de 108 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 , y
un mínimo de 7.9 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 , de carga térmica al año para mantener condiciones de
confort (considerando el rango marcado al inicio de este apartado). La reducción
del consumo en energía sería del 92.3% si se consideran todos los cambios en la
envolvente.
En la gráfica 5.24 se presenta la variación de cargas térmicas para
viviendas de una y dos plantas para la localidad de Huitzilac (clima frio). Debido a
las condiciones de clima en Huitzilac (clima frio), los valores de cargas térmicas,
son para calentamiento. Se requiere un máximo de 343 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 , y un mínimo de 23
𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 de carga térmica al año para mantener condiciones de confort. Para este
caso, el color no tiene mucha influencia en el comportamiento térmico (aunque se
obtiene más ventaja con colores obscuros), lo que impacta más es la adición de
aislante en los muros. Se observa una disminución de la carga térmica con la
adicción de ventana doble panel, la orientación también influye aunque en menor
magnitud que para clima cálido y templado. Con la fachada al este y el eje
alargado Norte-Sur, se puede lograr una reducción hasta del 93.4% con medidas
adecuadas.
Capítulo 5
Resultados
128
Gráfica 5.24.- Cargas térmicas anuales para viviendas de una y dos plantas en la localidad de Huitzilac.
En la gráfica 5.25 se muestra la variación de las cargas térmicas anuales en
función de los cambios de la envolvente para las viviendas de una y dos plantas,
en las tres localidades consideradas.
0 50 100 150 200 250 300 350
(E,4,4,0.75,0.6,0,2,1)
(E,4,4,0.75,0.6,0,2,2)
(E,1,4,0.75,0.6,0,2,1)
(E,1,4,0.75,0.6,0,2,2)
(E,1,2,0.75,0.6,0,2,1)
(E,1,2,0.75,0.6,0,2,2)
(E,4,4,0.75,0.6,0,1,2)
(E,1,1,0.75,0.6,0,2,1)
(E,4,4,0.75,0.6,0,1,1)
(E,3,3,0.75,0.6,0,1,2)
(E,3,3,0.75,0.6,0,1,1)
(E,2,2,0.75,0.6,0,1,1)
(E,2,2,0.75,0.6,0,1,2)
(E,1,1,0.75,0.6,0,2,2)
(E,1,1,0.75,0.6,0,1,1)
(E,1,1,0.75,0.6,0,1,2)
(E,4,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,3,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,2,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,1,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,1)
(E,4,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,3,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,2,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,1,0,0.75,0.6,0,1,2)
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2)
23
30
35
38
46
59
61
66
66
70
72
82
86
95
108
125
212
213
214
219
257
258
260
263
307
308
309
312
332
336
339
343
kWhr/m^2/año
CO
NFI
GU
RA
CIÓ
N
CARGAS TÉRMICAS
Capítulo 5
Resultados
129
Gráfica 5.25.- Carga térmica anual de acuerdo a la configuración de la envolvente, para viviendas de una y dos plantas, en las localidades de Tlaquiltenango, Emiliano Zapata, y Huitzilac.
0
50
100
150
200
250
300
350
CONFIGURACIÓN
VIVIENDA 1 PLANTA VIVIENDA 2 PLANTAS
kW
hr/
m2
/añ
o
Huitzilac
Tlaquiltenango
Emiliano Zapata
Capítulo 5
Resultados
130
En la gráfica anterior se observa que, para Huitzilac, la vivienda de dos
plantas requiere mayores cargas de calentamiento si no se coloca aislante en los
muros. Si se agrega aislante con un espesor de 25mm en toda la envolvente las
cargas son casi iguales para una planta y dos plantas, la configuración más
favorable se encuentra cubriendo la envolvente con aislante de cuatro pulgadas y
colocando ventanas de doble panel, no se presentan mayores cambios con el
color de la superficie.
Para la localidad de Tlaquiltenango, la vivienda de una planta requiere
mayores cargas de enfriamiento. Cubriendo el techo con aislante de una pulgada
las cargas serán iguales para viviendas de una y dos plantas, la configuración más
favorable se encuentra agregando aislante con un espesor de 25mm en toda la
envolvente, pintura de color blanco (absortancia 0.3) y colocando ventanas de
doble panel.
Para la localidad de Emiliazo Zapata, se presenta el mismo comportamiento
que para clima cálido, pero las cargas térmicas son de menor magnitud.
5.4.4 Análisis costo-beneficio.
A continuación se realiza un análisis de costo beneficio, con el fin de
evaluar si las propuestas para modificar la envolvente son viables
económicamente, los resultados se muestran en las tablas 5.5, 5.6 y 5.7, nótese
que todas las cantidades calculadas anteriormente, tanto para enfriamiento o
calentamiento, son cargas térmicas, se aplica un valor de 2.5 para el coeficiente
de rendimiento (COP), posteriormente se evalúa con la tarifa correspondiente
(2.465$
𝑘𝑊−ℎ𝑟) , y finalmente se multiplica por el área de la vivienda, de tal manera
que se obtiene el gasto de energía eléctrica anual.
Capítulo 5
Resultados
131
Tabla 5.5.- Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Tlaquiltenango.
TLAQUILTENANGO
𝑄𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 Costo anual de la energía Diferencia
CONFIGURACION
𝑘𝑊 − ℎ𝑟
𝑚2
(Térmicos)
𝑘𝑊 − ℎ𝑟
𝑚2
(Eléctricos)
$
𝑚2
50 𝑚2
100 𝑚2
%
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 27 10.8 26.62 1,331.10 2,662.20 85
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,2) 29 11.4 28.18 1,408.99 2,817.99 84
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,1) 31 12.4 30.49 1,524.36 3,048.71 82
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,2) 31 12.4 30.49 1,524.36 3,048.71 82
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,1) 34 13.6 33.51 1,675.69 3,351.37 81
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,1) 40 15.8 39.00 1,949.92 3,899.84 78
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,2) 43 17.1 42.24 2,112.01 4,224.02 76
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) 45 17.9 44.00 2,200.01 4,400.03 75
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,2) 45 17.9 44.23 2,211.60 4,423.20 75
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,2) 45 18.0 44.33 2,216.53 4,433.06 74
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,2) 45 18.2 44.82 2,241.18 4,482.36 74
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,2) 48 19.2 47.27 2,363.44 4,726.88 73
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,2) 50 20.2 49.75 2,487.68 4,975.36 71
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,1) 52 21.0 51.71 2,585.68 5,171.36 70
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,1) 54 21.7 53.44 2,671.96 5,343.91 69
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,1) 57 22.9 56.56 2,828.07 5,656.15 67
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,1) 66 26.5 65.25 3,262.53 6,525.06 62
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,1) 70 27.9 68.78 3,439.19 6,878.38 60
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,1) 70 27.9 68.82 3,441.24 6,882.49 60
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,1) 72 28.7 70.67 3,533.68 7,067.36 59
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,1) 75 30.0 73.93 3,696.47 7,392.95 57
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,2) 78 31.2 76.83 3,841.46 7,682.91 56
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,2) 79 31.5 77.54 3,876.95 7,753.90 55
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,2) 80 32.0 78.78 3,939.07 7,878.14 55
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,2) 83 33.3 82.04 4,101.76 8,203.52 53
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,1) 84 33.5 82.47 4,123.74 8,247.48 52
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 110 44.2 108.93 5,446.66 10,893.33 37
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 130 52.0 128.30 6,414.92 12,829.83 26
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 131 52.4 129.26 6,463.23 12,926.46 26
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 132 52.9 130.41 6,520.42 13,040.84 25
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 153 61.0 150.47 7,523.39 15,046.77 13
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 163 65.1 160.43 8,021.52 16,043.04 8
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 170 68.0 167.52 8,375.86 16,751.73 3
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 176 70.5 173.68 8,683.99 17,367.98 0
Capítulo 5
Resultados
132
Tabla 5.6.- Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Emiliano Zapata.
EMILIANO ZAPATA
𝑄𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 Costo anual de la energía Diferencia
CONFIGURACION
𝑘𝑊 − ℎ𝑟
𝑚2
(Térmicos)
𝑘𝑊 − ℎ𝑟
𝑚2
(Eléctricos)
$
𝑚2
50 𝑚2
100 𝑚2
%
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,2) 7.9 3 7.79 389.47 778.94 93
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,2) 8.3 3 8.18 409.19 818.38 92
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,2) 9 4 8.78 438.77 877.54 92
(N,1,1,0.3,0.3,S,2,1) 11 4 10.85 542.30 1,084.60 90
(N,1,1,0.3,0.3,0,2,1) 13 5 13.16 657.85 1,315.69 88
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,2) 14 6 13.93 696.61 1,393.22 87
(N,1,1,0.3,0.3,0,1,1) 14 6 14.00 699.96 1,399.91 87
(N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) 16 6 15.78 788.80 1,577.60 85
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,2) 17 7 16.57 828.44 1,656.87 84
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,2) 17 7 16.82 840.96 1,681.92 84
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,2) 17 7 16.92 845.99 1,691.98 84
(N,4,4,0.3,0.3,0,1,2) 18 7 17.26 862.85 1,725.70 84
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,2) 18 7 17.78 889.08 1,778.15 83
(N,4,4,0.75,0.6,0,1,1) 24 10 23.63 1,181.66 2,363.32 78
(N,3,3,0.75,0.6,0,1,1) 25 10 24.35 1,217.61 2,435.21 77
(N,2,2,0.75,0.6,0,1,1) 26 10 25.73 1,286.42 2,572.84 76
(N,1,1,0.75,0.6,0,1,1) 31 12 30.10 1,505.19 3,010.38 72
(N,0,0,0.3,0.3,0,1,1) 31 12 30.61 1,530.35 3,060.71 71
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,1) 31 12 30.72 1,536.00 3,072.01 71
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,1) 32 13 31.87 1,593.52 3,187.04 70
(N,4,0,0.75,0.6,0,1,2) 34 14 33.35 1,667.33 3,334.65 69
(N,3,0,0.75,0.6,0,1,2) 34 14 33.76 1,688.03 3,376.06 68
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,1) 34 14 33.90 1,695.20 3,390.40 68
(N,2,0,0.75,0.6,0,1,2) 35 14 34.49 1,724.51 3,449.03 68
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,2) 37 15 36.48 1,824.10 3,648.20 66
(N,1,0,0.75,0.6,0,1,1) 40 16 39.45 1,972.51 3,945.03 63
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 57 23 56.62 2,830.81 5,661.61 47
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 68 27 67.15 3,357.33 6,714.66 37
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 70 28 68.80 3,440.15 6,880.31 35
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 71 28 69.57 3,478.61 6,957.22 34
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 95 38 93.54 4,676.82 9,353.65 12
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 103 41 101.37 5,068.66 10,137.31 5
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 104 42 102.39 5,119.50 10,238.99 4
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 108 43 106.20 5,310.02 10,620.04 0
Capítulo 5
Resultados
133
Tabla 5.7.- Análisis de costos de la energía eléctrica para diferentes condiciones de las viviendas en la localidad de Huitzilac.
HUITZILAC
𝑄𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
Costo anual de la energía Diferencia
CONFIGURACION
𝑘𝑊 − ℎ𝑟
𝑚2
(Térmicos)
𝑘𝑊 − ℎ𝑟
𝑚2
(Eléctricos)
$
𝑚2
50 𝑚2
100 𝑚2
%
(E,4,4,0.75,0.6,0,2,1) 23 9 22.25 1,112.33 2,224.66 93
(E,4,4,0.75,0.6,0,2,2) 30 12 29.28 1,464.21 2,928.42 91
(E,1,4,0.75,0.6,0,2,1) 35 14 34.29 1,714.72 3,429.43 90
(E,1,4,0.75,0.6,0,2,2) 38 15 37.09 1,854.67 3,709.33 89
(E,1,2,0.75,0.6,0,2,1) 46 18 45.59 2,279.61 4,559.22 87
(E,1,2,0.75,0.6,0,2,2) 59 24 58.39 2,919.55 5,839.09 83
(E,4,4,0.75,0.6,0,1,2) 61 24 60.03 3,001.38 6,002.77 82
(E,1,1,0.75,0.6,0,2,1) 66 26 64.60 3,230.18 6,460.35 81
(E,4,4,0.75,0.6,0,1,1) 66 26 65.26 3,263.04 6,526.09 81
(E,3,3,0.75,0.6,0,1,2) 70 28 68.88 3,444.10 6,888.20 80
(E,3,3,0.75,0.6,0,1,1) 72 29 71.05 3,552.68 7,105.36 79
(E,2,2,0.75,0.6,0,1,1) 82 33 81.11 4,055.44 8,110.88 76
(E,2,2,0.75,0.6,0,1,2) 86 34 84.40 4,220.08 8,440.16 75
(E,1,1,0.75,0.6,0,2,2) 95 38 93.47 4,673.64 9,347.28 72
(E,1,1,0.75,0.6,0,1,1) 108 43 106.20 5,310.02 10,620.04 69
(E,1,1,0.75,0.6,0,1,2) 125 50 123.07 6,153.63 12,307.25 64
(E,4,0,0.75,0.6,0,1,1) 212 85 208.60 10,430.03 20,860.06 38
(E,3,0,0.75,0.6,0,1,1) 213 85 209.53 10,476.25 20,952.50 38
(E,2,0,0.75,0.6,0,1,1) 214 86 211.27 10,563.55 21,127.10 38
(E,1,0,0.75,0.6,0,1,1) 219 88 215.79 10,789.51 21,579.02 36
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 257 103 253.38 12,669.07 25,338.15 25
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 258 103 254.72 12,735.83 25,471.67 25
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 260 104 255.95 12,797.46 25,594.92 24
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) 263 105 259.44 12,972.06 25,944.13 23
(E,4,0,0.75,0.6,0,1,2) 307 123 303.10 15,154.82 30,309.64 10
(E,3,0,0.75,0.6,0,1,2) 308 123 303.89 15,194.26 30,388.52 10
(E,2,0,0.75,0.6,0,1,2) 309 124 304.87 15,243.56 30,487.12 10
(E,1,0,0.75,0.6,0,1,2) 312 125 307.83 15,391.46 30,782.92 9
(E,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 332 133 326.96 16,347.88 32,695.76 3
(S,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 336 134 331.10 16,554.94 33,109.88 2
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 339 136 334.25 16,712.70 33,425.40 1
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) 343 137 338.40 16,919.76 33,839.52 0
Capítulo 5
Resultados
134
Con base en los resultados mostrados en la tabla 5.5 se observa que para
la comunidad de Tlaquiltenango la configuración que ofrece mayor ventaja costo-
beneficio para una vivienda de 100𝑚2 es (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1), con una
disminución en el consumo energético del 76% con respecto a la menos eficiente,
que es (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2), representa un ahorro de $13,144.00 anuales, y el
gasto para colocar aislante en el techo es de $32,500.00 aproximadamente, por lo
que la inversión se recuperaría en 2 años y medio.
Para la comunidad de Emiliano Zapata, los resultados mostrados en la tabla
5.6 indican que las configuraciones características son las mismas que para la
comunidad de Tlaquiltenango, se logra un ahorro de $9,227.00 anuales, el gasto
para colocar aislante en el techo es de $32,500.00 aproximadamente, por lo que la
inversión se recuperaría en 3 años y medio.
Analizando los datos de la tabla 5.7 se observa que para la comunidad de
Huitzilac la configuración que ofrece mayor ventaja costo-beneficio para una
vivienda de 100𝑚2 es (E,1,1,0.75,0.6,0,2,1), la cual ofrece una disminución en el
consumo energético del 81% con respecto a la menos eficiente, que es
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2), representa un ahorro de $27,380.00 anuales, el gasto para
colocar aislante en el techo es de $32,500.00, para los muros $37,375.00, mas
$25,000.00 para ventanas de doble panel, lo que da un total de aproximadamente
$94,875.00, por lo que la inversión se recuperaría en 3 años y medio.
Considerando que el aislante y las ventanas de doble panel tienen una
duración de 20 años o más, dando el tratamiento adecuado, las medidas de uso
eficiente de energía propuestas son viables y favorables.
5.5 VIVIENDAS EN EVOLUCIÓN LIBRE.
Para conocer la evolución de la temperatura al interior de las viviendas se
considera el comportamiento de las viviendas en evolución libre. Para esto se
consideraron los cambios de parámetros mencionados en el apartado anterior.
Para clima cálido y templado (municipios de Tlaquiltenango y Emiliano Zapata) se
considera el día 19 de abril, por ser el más cálido del año 2007, en el caso de
Capítulo 5
Resultados
135
clima frio (municipio de Huitzilac) se eligió el día 13 de Febrero, por ser el más frío
del año.
5.5.1 Vivienda de dos plantas.
En las gráficas 5.26 a 5.28 se puede observar el efecto del cambio de
parámetros de la envolvente sobre la temperatura interior en las viviendas de dos
plantas, comparando los efectos del cambio de orientación, adición de aislante, y
cambio de absortancia.
En la gráfica 5.26 se muestran la evaluación de la temperatura ambiente y
las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de
Tlaquiltenango, para el día seleccionado.
Gráfica 5.26.- Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Tlaquiltenango.
En la gráfica anterior, se observa que para la configuración más desfavorable
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) se presenta la temperatura promedio máxima de la vivienda
en 38.5 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, desplazada 2 horas de la temperatura
ambiente máxima que fue de 38.5 ºC entre las 16:00 y 17:00 horas. Pero si se
considera rotar la casa para cambiar la fachada al Norte, se agrega aislante con
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TEM
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RA
[ºC
]
HORAS
TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES , TLAQUILTENANGO
TEXT (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2)
ZONA DE CONFORT
Capítulo 5
Resultados
136
espesor de 25mm (una pulgada) en el techo y muros, se considera color claro en
el techo y muros (absortancia de 0.3), dispositivo de sombreado y ventanas de
doble panel, la temperatura promedio máxima al interior de la vivienda sería de
32.7 ºC.
En la gráfica 5.27 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las
temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Emiliano Zapata,
para el día seleccionado.
Gráfica 5.27.- Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Emiliano Zapata.
En la gráfica anterior, se observa que para la configuración más desfavorable
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) se presenta la temperatura promedio máxima de la vivienda
en 37.2 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, desplazada dos horas de la temperatura
ambiente máxima que fue de 34.8 ºC entre las 16:00 y 17:00 horas. Pero si se
toman las mismas consideraciones que para el clima cálido, la temperatura
promedio máxima al interior de la vivienda disminuye a 31.0 ºC.
En la gráfica 5.28 se muestran la evaluación de la temperatura ambiente y
las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Huitzilac, para
el día seleccionado.
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TEM
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[ºC
]
HORAS
TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES , EMILIANO ZAPATA
TEXT (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2)
ZONA DE CONFORT
Capítulo 5
Resultados
137
Gráfica 5.28.- Variación de temperaturas para la vivienda de dos plantas en la localidad de Huitzilac.
En la gráfica anterior, se observa que para la configuración más desfavorable
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) se presenta la temperatura promedio mínima de la vivienda
en 7.2 ºC entre las 8:00 y 9:00 horas, mientras que la temperatura ambiente
mínima que fue de 0.5 ºC entre las 7:00 y 8:00 horas. Pero si se rota la vivienda
colocando la fachada al Este, se agregan cuatro pulgadas de aislante en techo y
muros, y se colocan ventanas de doble panel, la temperatura promedio mínima al
interior de la vivienda aumenta a 15.8 ºC.
5.5.2 Vivienda de una planta.
En las gráficas 5.29 a 5.31 se puede observar el efecto del cambio de
parámetros de la envolvente sobre la temperatura interior en las viviendas de una
planta, comparando los efectos del cambio de orientación, adición de aislante, y
cambio de absortancia.
En la gráfica 5.29 se muestran la evaluación de la temperatura ambiente y
las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de
Tlaquiltenango, para el día seleccionado.
0
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]
HORAS
TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES HUITZILAC
TEXT (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (E,4,4,0.75,0.6,0,2,2)
ZONA DE CONFORT
Capítulo 5
Resultados
138
Gráfica 5.29.- Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Tlaquiltenango.
En la gráfica anterior, se observa que para la configuración más desfavorable
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) se presenta la temperatura promedio máxima de la vivienda
en 42.5 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, desfasada 1 hora de la temperatura
ambiente máxima que fue de 38.5 ºC entre las 17:00 y 18:00 horas. Pero si se
considera rotar la casa para cambiar la fachada al Norte, se agrega una pulgada
de aislante en el techo y muros, con color claro en el techo y muros (absortancia
de 0.3), colocando dispositivo de sombreado y ventanas de doble panel, la
temperatura promedio máxima al interior de la vivienda disminuye a 33.2 ºC.
En la gráfica 5.30 se muestra la evaluación de la temperatura ambiente y las
temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Emiliano Zapata,
para el día seleccionado, en la cual, se observa que para la configuración más
desfavorable (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) se presenta la temperatura promedio máxima
de la vivienda en 40.1 ºC entre las 18:00 y 19:00 horas, desfasada 2 horas de la
temperatura ambiente máxima que fue de 34.8 ºC entre las 16:00 y 17:00 horas.
Pero si se toman las mismas consideraciones que para el clima cálido, la
temperatura promedio máxima al interior de la vivienda disminuye a 32.1 ºC.
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
TEM
PER
ATU
RA
[ºC
]
HORAS
TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES , TLAQUILTENANGO
TEXT (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,1)
ZONA DE CONFORT
Capítulo 5
Resultados
139
Gráfica 5.30.- Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Emiliano Zapata.
En la gráfica 5.31 se muestran la evaluación de la temperatura ambiente y
las temperaturas al interior de la vivienda ubicada en la localidad de Huitzilac, para
el día seleccionado. Se observa que para la configuración más desfavorable
(N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) se presenta la temperatura promedio mínima de la vivienda
en 5.6 ºC entre las 8:00 y 9:00 horas, desfasada 1hora de temperatura ambiente
mínima que fue de 0.5 ºC entre las 7:00 y 8:00 horas. Pero si se rota la vivienda
colocando la fachada al Este, se agregan cuatro pulgadas de aislante en techo y
muros, y se colocan ventanas de doble panel, la temperatura promedio mínima al
interior de la vivienda aumenta a 15.1 ºC.
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TEM
PER
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[ºC
]
HORAS
TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES , EMILIANO ZAPATA
TEXT (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,1)
ZONA DE CONFORT
Capítulo 5
Resultados
140
Gráfica 5.31.- Variación de temperaturas para la vivienda de una planta en la localidad de Huitzilac.
En las gráficas 5.26 y 5.29 se observan variaciones en la temperatura
interior en función del cambio de características de la envolvente para viviendas
de 1 planta y 2 plantas. Para la localidad de Tlaquiltenango, se observa que para
clima cálido, y para la configuración menos favorable (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1), la
temperatura promedio máxima al interior de la vivienda fue de 42.5 ºC, cambiando
las condiciones de la envolvente a (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2), fue de 32.7 ºC,
disminuyendo 9.8 ºC.
Las gráficas 5.27 y 5.30 muestran el resultado para clima templado en la
comunidad de Emiliano Zapata. Para la envolvente menos favorable
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1), la temperatura promedio máxima al interior es de 40.1 ºC,
para envolvente mejorada de (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2), fue de 31.1 ºC, disminuyendo
9.0 ºC.
En lo que respecta a la localidad de Huitzilac en clima frio, las gráficas 5.28
y 5.31, los resultados muestran que la temperatura promedio mínima al interior de
la vivienda es de 5.6 ºC, con la configuración (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1), cambiando la
configuración de la envolvente a (E,4,4,0.75,0.6,0,2,2), fue de 15.8 ºC,
aumentando 10.2 ºC.
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
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HORAS
TEMPERATURAS EXTERIOR E INTERIORES HUITZILAC
TEXT (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,4,4,0.75,0.6,0,2,1)
ZONA DE CONFORT
Capítulo 5
Resultados
141
Comparando la dinámica del comportamiento en evolución libre, con
respecto al uso de sistemas de HVAC, se observa que las condiciones de
respuesta a los cambios de la envolvente son diferentes, por ejemplo,
considerando cargas térmicas resulta conveniente aislar toda la vivienda para
disminuir las cargas térmicas de enfriamiento. Sin embargo, en evolución libre
resulta contraproducente, ya que se almacenaría el calor ganado de día, y por la
noche, sería mínimo el calor removido por ventilación e infiltración hacia el medio
ambiente, o por radiación de onda larga al espacio y los alrededores por la noche.
Considerando el uso de dispositivos de sombreado, resulta favorable
utilizarlos en clima cálido y templado, su impacto es variable de acuerdo al área de
la envolvente que proteja de la radiación solar. Para las configuraciones óptimas la
vivienda tiene su fachada orientada al Norte, por lo que recibirán radiación solar
directa sólo en una corta temporada del año, así resulta mejor proteger la
superficie con orientación Sur y Oeste, aunque esto depende de las circunstancias
de ubicación de la vivienda y el equilibrio con la estética.
Con el análisis realizado se observa que para evolución libre y las
condiciones de clima extremas (día más caluroso y día más frio), no se alcanzan
temperaturas confortables dentro de las viviendas, por lo que se requerirá el
apoyo de equipos de ventilación, enfriamiento, o calefacción.
5.6 CALIFICACIÓN ENERGÉTICA PARA VIVIENDAS CON SISTEMAS DE
HVAC.
Los resultados obtenidos, en los que se consideran todos los cambios y
variaciones de parámetros de la envolvente, se utilizaron como base para
determinar una escala que califique energéticamente una vivienda que utilice
climatización en el Estado de Morelos.
Para clima cálido, se tiene una carga térmica máxima anual desde 176
𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 , hasta un mínimo de 27 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 . Entre estos valores se propone una escala,
tal como se muestra en la figura 5.3, donde la letra “A” indica la mejor calificación y
Capítulo 5
Resultados
142
“H” la más deficiente, las simulaciones se realizaron considerando cambios en la
orientación (4), agregando aislante en techo y muros (8), realizando
modificaciones a las propiedades ópticas (2), agregando dispositivos de protección
solar (1), cambiando a ventanas de doble panel (2), y realizando modificaciones a
las propiedades ópticas (2), y todos estos cambios para viviendas de una y dos
plantas, de manera que tenemos 34 valores diferentes. Sin embargo, si definimos
una escala de estos valores sería muy larga, por lo que se propone una escala
con 8 rangos.
Figura 5.3.- Calificación energética para la región cálida del Estado de Morelos.
Para clima templado, se encontró que la carga térmica máxima anual es de
108 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 , hasta un mínimo de 7.9 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 . La escala propuesta se muestra en la
figura 5.4, también se considera la letra “A” como una calificación energética
óptima y la letra “H” para una envolvente deficiente.
26-50 B0-25 A
51-75 C76-100 D101-125 E126-150 F151-175 G
>175 H
CALIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LA VIVENDA
Clima cálido
DISEÑO EFICIENTE
DISEÑO CON BAJA EFICIENCIA
Capítulo 5
Resultados
143
Figura 5.4.- Calificación energética para la región templada del Estado de Morelos.
Para clima frio, se tiene una carga térmica máxima anual desde 343 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 ,
hasta un mínimo de 23 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2 , se propone una escala de calificación como se
muestra en la figura 5.5. Al igual que en los casos anteriores, se ha dividido la
escala de valores en ocho rangos, donde “A” corresponde a un consumo mínimo
con condiciones óptimas de la envolvente, hasta “H” que serían condiciones de un
excesivo consumo de energía para confort. En términos de energía la carga
térmica para calentamiento es mayor que la necesaria para enfriamiento,
aproximadamente 1.94 veces la energía requerida para clima cálido, o 3.17 veces
la energía requerida para clima templado.
11-30 B0-10 A
31-45 C46-60 D61-75 E76-90 F91-105 G
>105 H
DISEÑO EFICIENTE
DISEÑO CON BAJA EFICIENCIA
CALIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LA VIVENDA
Clima templado
Capítulo 5
Resultados
144
Figura 5.5.- Calificación energética para la región fría del Estado de Morelos.
En la tabla 5.8 se presenta una evaluación de las viviendas que se
seleccionaron para este trabajo, en su condición real. Tabla 5.8.- Calificación energética para las viviendas en sus condiciones actuales.
Clima Tipo de vivienda Carga térmica
anual 𝑘𝑊−ℎ𝑟
𝑚2
Calificación
Cálido
Una planta 176 H
Dos plantas 131 F
Templado
Una planta 108 H
Dos plantas 68 E
Frio
Una planta 263 F
Dos plantas 343 G
5.7 CALIFICACIÓN TÉRMICA PARA VIVIENDAS EN EVOLUCION LIBRE.
En este apartado se propone un método para evaluar el comportamiento
térmico de las viviendas en evolución libre. Se introduce la definición de un valor
denominado factor de confort térmico (𝑓ct ). A continuación se describen los
criterios para su determinación. Debido a las diferentes características que se
26-100 B0-25 A
101-150 C151-200 D201-250 E251-300 F301-350 G
>350 H
DISEÑO EFICIENTE
DISEÑO CON BAJA EFICIENCIA
CALIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LA VIVENDA
Clima frio
Capítulo 5
Resultados
145
presentan para clima cálido, templado, o frio, se estudia por separado cada uno de
los tipos de climas.
5.7.1 Clima cálido.
Para clima cálido y templado, el factor de confort térmico se define como el
cociente del valor obtenido al restar la temperatura de confort a la temperatura
máxima anual de la vivienda entre la diferencia de la temperatura de confort y la
temperatura ambiente máxima anual.
𝑓ct = ∆𝑇 𝑣𝑐
∆𝑇 𝑎𝑐…………ec. 5.1
donde:
∆𝑇 𝑣𝑐 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎ñ𝑜 − 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑡 … . . 𝑒𝑐. 5.2
∆𝑇 𝑎𝑐 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎ñ𝑜 − 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑡…… . . 𝑒𝑐. 5.3
Suponiendo la temperatura de confort como los límites mínimo y máximo
propuestos por ASHRAE (2004): Temperatura límite para calentamiento en 19 ºC
y temperatura máxima para enfriamiento en 27 ºC. La comparación entre los
valores de ∆𝑇 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎 y ∆𝑇 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 se debe realizar para el día más caluroso del
año, y en función del valor obtenido del 𝑓ct se establecerá una escala de valores
para calificar la calidad térmica de la vivienda.
En la tabla 5.9 se presentan las temperaturas exterior e interior para la
comunidad de Tlaquiltenango (19 de Abril del año 2007) y los factores de confort
térmico, la temperatura ambiente máxima fue de 38.7 °C, la temperatura al interior
de la vivienda con una envolvente de baja calidad térmica se calculó en 42.5 °C,
sin embargo, en condiciones óptimas de la vivienda la temperatura tendría como
máximo 32.7 °C.
Capítulo 5
Resultados
146
Tabla 5.9.- Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para las viviendas en la localidad de Tlaquiltenango en diferentes configuraciones de la envolvente.
HORA TEXT (O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2)
0 28.4 35.3 32.6 31.3 31.3
1 27.6 34.1 31.7 30.7 31.1
2 26.0 32.9 30.8 30.1 30.9
3 24.1 31.6 29.8 29.4 30.6
4 22.2 30.3 28.7 28.6 30.2
5 20.5 28.9 27.6 27.7 29.9
6 18.9 27.5 26.4 26.8 29.5
7 18.9 26.3 25.4 26.0 29.2
8 21.5 26.1 25.7 26.0 29.6
9 25.6 26.8 26.9 26.6 30.2
10 29.2 28.0 28.4 27.4 30.7
11 31.1 29.5 30.0 28.3 31.1
12 33.4 31.1 31.4 29.2 31.3
13 34.6 32.7 32.5 30.1 31.5
14 35.9 34.5 33.6 30.9 31.8
15 36.6 36.7 34.9 31.9 32.1
16 37.4 38.8 36.2 32.7 32.3
17 38.4 40.8 37.4 33.5 32.6
18 38.0 42.2 38.3 34.2 32.7
19 35.1 42.5 38.4 34.3 32.7
20 32.2 41.4 37.6 33.8 32.5
21 30.6 39.9 36.2 33.2 32.3
22 30.0 38.5 35.0 32.6 32.2
23 27.4 36.9 33.6 31.8 31.9
24 28.0 35.5 32.6 31.3 31.7
fct 1.36 1.00 0.64 0.5
Nótese que al evaluar la vivienda con mejor envolvente, disminuye el valor
del factor de confort térmico. Para clima cálido con las condiciones de una
envolvente deficiente de la vivienda, el factor de confort térmico tiene un valor
máximo de 1.36, y para una envolvente mejorada se obtiene un valor mínimo de
0.5. Con base en estas diferencias se establece una escala de calificación de la
calidad térmica de las viviendas para clima cálido para el Estado de Morelos
(figura 5.6), se asigna la letra “A” para las condiciones óptimas de la envolvente y
una buena calidad térmica de la vivienda, la letra “H” para una baja calidad de la
envolvente de la vivienda.
Capítulo 5
Resultados
147
Figura 5.6.- Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para la región cálida del Estado de Morelos.
5.7.2 Clima templado.
Para clima templado, también se utiliza la ecuación 5.1, y los mismos límites
de temperaturas para confort que para clima cálido. En la tabla 5.10 se muestran
los valores de las temperaturas ambiente e interiores para la comunidad de
Emiliano Zapata con los datos del día 19 de Abril del año 2007. La temperatura
ambiente máxima fue de 38.4 °C, y en el interior de la vivienda se calculó una
temperatura de 40.1 ºC para las condiciones de una envolvente deficiente, sin
embargo, implementando mejoras en la envolvente se calculó una temperatura
interior máxima de 31.1 °C.
0.51-0.80 B0-0.50 A
0.81-0.90 C0.91-1.00 D1.01-1.10 E1.11-1.20 F1.21 -1.30 G
>1.30 H
CALIFICACIÓN TÉRMICA DE LA VIVENDAClima cálido
(Factor de confort térmico)
CALIDAD TÉRMICA
BAJA CALIDAD TÉRMICA
Capítulo 5
Resultados
148
Tabla 5.10.- Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para la vivienda en la localidad de Emiliano Zapata en diferentes configuraciones de la envolvente.
HORA
Tamb.
CONFIGURACIÓN
(O,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (O,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,1,0,0.3,0.3,0,1,1) (N,1,1,0.3,0.3,S,2,2)
0 23.1 32.7 30.6 29.1 29.5
1 22.7 31.3 29.4 28.4 29.2
2 21.5 29.9 28.3 27.6 28.9
3 21.9 28.8 27.4 27.0 28.7
4 20.9 27.7 26.5 26.4 28.4
5 20.7 26.6 25.7 25.8 28.2
6 19.8 25.6 25.0 25.3 27.9
7 18.8 24.7 24.2 24.6 27.6
8 20.4 24.2 23.8 24.4 27.5
9 24.9 24.9 24.5 25.1 28.1
10 27.2 26.2 25.9 26.1 28.7
11 28.9 27.7 27.4 27.0 29.2
12 30.6 29.4 29.0 27.9 29.5
13 32.4 31.0 30.3 28.7 29.6
14 33.6 32.8 31.7 29.5 30.0
15 34.1 34.9 33.2 30.4 30.2
16 34.8 37.0 34.8 31.3 30.6
17 34.8 38.9 36.2 32.2 30.9
18 34.5 40.1 37.2 32.8 31.1
19 32.9 39.8 36.9 32.7 31.0
20 29.6 38.7 35.9 32.1 30.8
21 28.5 37.6 34.7 31.6 30.7
22 25.3 36.0 33.4 30.8 30.4
23 22.7 34.3 31.9 29.9 30.1
24 27.7 33.3 31.0 29.6 30.1
fct 1.68 1.31 0.74 0.53
Al igual que en clima cálido, al mejorar las propiedades térmicas de la
envolvente, disminuye el valor del factor de confort térmico. Para clima templado
con las condiciones de una envolvente deficiente de la vivienda, el factor de
confort térmico tiene un valor máximo de 1.68, y un valor mínimo de 0.53 para
una envolvente mejorada. Con base en esas diferencias se establece una escala
de calificación de la calidad térmica de las viviendas para clima templado para el
Estado de Morelos (figura 5.7).
Capítulo 5
Resultados
149
Figura 5.7.- Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para clima templado del Estado de Morelos. 5.7.3 Clima frio.
Dependiendo del clima y las propiedades de la envolvente, la temperatura
en el interior de la vivienda puede ser igual, mayor, o menor que la temperatura al
exterior. Para clima frio, si la temperatura interior es igual o por abajo de la
temperatura ambiente, es debido a una baja calidad térmica de la envolvente, o si
la temperatura al interior es mayor que la temperatura del ambiente, la envolvente
tiene una buena calidad térmica. Para definir una escala de valores, se utilizan las
ecuaciones 5.4 a 5.6, los valores de (∆T)vf y (∆T)af se deben obtener del día más
frio del año.
Para clima frio, el factor de confort térmico se define como el cociente del
valor obtenido al restar la temperatura de confort a la temperatura mínima anual
de la vivienda entre la diferencia de la temperatura de confort y la temperatura
ambiente máxima anual.
𝑓𝑐𝑡 = ∆𝑇 𝑣𝑓
∆𝑇 𝑎𝑓 ………………. ec. 5.4
donde:
0.61-0.80 B0-0.60 A
0.81-0.90 C0.91-1.00 D1.01-1.20 E1.21-1.40 F1.41 -1.60 G
>1.60 H
CALIFICACIÓN TÉRMICA DE LA VIVENDAClima templado
(Factor de confort térmico)
CALIDAD TÉRMICA
BAJA CALIDAD TÉRMICA
Capítulo 5
Resultados
150
∆𝑇 𝑣𝑓 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑡 − 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎 ……𝑒𝑐. 5.5
∆𝑇 𝑎𝑓 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑡 − 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 ……𝑒𝑐. 5.6
En la tabla 5.11 se presentan las temperaturas exterior e interiores para la
comunidad de Huitzilac con los datos del día 13 de Febrero del año 2007. La
temperatura ambiente mínima fue de 0.7 ºC, con una envolvente deficiente la
temperatura al interior de la vivienda se calcula en 7.5 °C, sin embargo, mejorando
la envolvente, se tendrían mejores condiciones de confort térmico, con una
temperatura interior mínima de 15.8 ºC.
Tabla 5.11.- Temperatura ambiente, temperaturas interiores y factor de confort térmico para la vivienda en la localidad de Huitzilac en diferentes configuraciones de la envolvente.
HORA TEXT (N,0,0,0.75,0.6,0,1,2) (N,0,0,0.75,0.6,0,1,1) (E,4,4,0.75,0.6,0,2,1) (E,4,4,0.75,0.6,0,2,2)
0 5.6 14.2 14.6 17.4 17.5
1 4.2 13.1 13.2 17.1 17.3
2 2.6 12.1 11.8 16.8 17.0
3 2.2 11.1 10.5 16.5 16.8
4 2.2 10.2 9.4 16.2 16.6
5 2.5 9.5 8.4 16.0 16.4
6 1.2 8.7 7.4 15.7 16.2
7 0.7 8.0 6.5 15.4 15.9
8 0.7 7.5 5.7 15.2 15.8
9 4.6 7.9 5.8 15.6 16.0
10 11.9 9.5 7.2 16.6 16.7
11 14.1 11.7 9.2 17.5 17.3
12 14.2 13.6 11.2 17.8 17.7
13 14.6 15.3 13.2 18.0 18.1
14 15.3 16.8 15.2 18.3 18.4
15 15.6 18.3 17.2 18.8 18.8
16 15.8 19.7 19.1 19.4 19.1
17 16.2 20.8 20.7 19.8 19.3
18 15.6 21.6 21.8 20.2 19.5
19 13.2 21.1 21.6 19.7 19.2
20 10.3 19.7 20.5 19.1 18.9
21 8.6 18.3 19.2 18.9 18.7
22 8.9 17.0 17.8 18.6 18.5
23 8.3 15.9 16.6 18.4 18.4
24 6.3 14.7 15.2 18.1 18.1
ftc 0.73 0.63 0.21 0.17
Nótese que al mejorar las propiedades térmicas de la envolvente, el factor
de confort térmico disminuye, desde 0.73 hasta 0.17, en función de ese
Capítulo 5
Resultados
151
comportamiento se propone la escala para calificar la calidad térmica de las
viviendas para clima frio en el Estado de Morelos, figura 5.8.
Figura 5.8.- Calificación térmica en condiciones de evolución libre, para clima frio del Estado de Morelos.
En la gráfica 5.32 se muestran algunos valores del factor de confort térmico,
representativos para las localidades con los tres climas considerados.
Gráfica 5.32.- Factores de confort térmico representativos para la calificación térmica de las viviendas en el Estado de Morelos.
0.21-0.25 B0-0.20 A
0.26-0.30 C0.31-0.40 D0.41-0.50 E0.51-0.60 F0.61 -0.70 G
>0.70 H
CALIFICACIÓN TÉRMICA DE LA VIVENDAClima frio
(Factor de confort térmico)
CALIDAD TÉRMICA
BAJA CALIDAD TÉRMICA
1.36
1
0.64
0.5
1.68
1.31
0.74
0.53
0.730.63
0.21 0.17
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Fact
or
de
co
nfo
rt t
érm
ico
TLAQUILTENANGO E. ZAPATA
HUITZILAC
Capítulo 5
Resultados
152
En la tabla 5.11 se presenta una evaluación de las viviendas que se seleccionaron para este trabajo, en su condición real.
Tabla 5.11.- Calificación térmica para las viviendas, sin modificaciones en la envolvente, en
evolución libre.
Clima Tipo de vivienda Factor de confort térmico 𝑓ct
Calificación
Cálido
Una planta 1.36 H
Dos plantas 1.00 D
Templado
Una planta 1.68 H
Dos plantas 1.31 F
Frio
Una planta 0.73 H
Dos plantas 0.63 G
Conclusiones
153
CAPITULO 6
CONCLUSIONES GENERALES
Se realizaron mapeos de clima en el Estado de Morelos, se encontró que
las condiciones del clima tienen cambios significativos. Para el año 2007 la
temperatura promedio anual en la zona Sur fue de 25º C y en el extremo
Noroeste de 12º C; para radiación solar en la zona Sureste se registro un
promedio diario anual de 6.4 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 ; mientras que el Noroeste solo se
tuvieron 4.7 𝑘𝑊ℎ𝑟
𝑚2 ; en cuanto a la humedad, para el sur se registró un
promedio anual de 53%, y para el Noroeste fue de 75%.
Se validaron simulaciones con TRNSYS® de un recinto perteneciente a un
edificio con una envolvente de alta masa térmica, el cual forma parte de la
Plataforma Solar de Almería (PSA), que se encuentra en el desierto de
Tabernas en España. Para validar la simulación los resultados fueron
comparados con datos medidos experimentalmente. Se simuló la
temperatura al interior del recinto, con muy buena aproximación respecto a
las mediciones, la diferencia máxima fue del 4.5%.
Se realizó un análisis sobre la demanda de vivienda en el Estado de
Morelos, por medio del cual se decidió seleccionar dos viviendas, una de
una planta y otra de dos plantas. Se realizaron simulaciones para evaluar
las cargas térmicas, de las dos viviendas, en primer término no se
consideraron modificaciones en la envolvente. Se obtuvieron resultados
sobre las variaciones de las cargas térmicas en función de la orientación, se
concluye que, para clima cálido y templado, la mejor orientación es con la
fachada al Norte (eje alargado Este-Oeste); sin embargo, para clima frio, el
efecto del cambio de orientación sobre la carga térmica es mínimo, la mejor
orientación resulta ser con la fachada al Este. También se encontró que
para clima cálido y templado es mejor tener viviendas de dos plantas, para
Conclusiones
154
clima frio resulta mejor la vivienda de una planta, debido a que la superficie
que recibe mayor cantidad de radiación solar es el techo.
También se realizaron simulaciones en evolución libre, para evaluar las
temperaturas del aire al interior de las viviendas, sin considerar
modificaciones en la envolvente. Las condiciones más favorables para el
confort se presentan para las mismas orientaciones que para el caso de
cargas térmicas.
Considerando cambios en la envolvente de las viviendas, los resultados
muestran que para clima cálido y templado, el factor que tiene mayor
impacto sobre las cargas térmicas es la absortancia de la superficie del
techo, también se tiene un efecto considerable al adicionar una pulgada de
aislante en el techo, la configuración más favorable se encuentra,
combinando estas dos alternativas. Para clima frio, la configuración más
favorable se encuentra cubriendo la envolvente con aislante de cuatro
pulgadas y colocando ventanas de doble panel.
Comparando la dinámica del comportamiento en evolución libre, con
respecto al uso de sistemas de HVAC, se observa que las condiciones de
respuesta a los cambios de la envolvente son diferentes. Por ejemplo,
considerando cargas térmicas para enfriamiento, resulta conveniente aislar
toda la vivienda, sin embargo, en evolución libre resulta contraproducente,
ya que se almacenaría el calor ganado de día, y por la noche, sería mínimo
el calor removido por ventilación e infiltración hacia el medio ambiente, o
por radiación de onda larga al espacio y los alrededores.
Con base en los valores obtenidos de las simulaciones considerando
cambios de parámetros en la envolvente de las viviendas, y la utilización de
sistemas de HVAC, se propone una escala de calificación energética para
la vivienda en los tres climas: cálido, templado y frio del Estado de Morelos.
Conclusiones
155
Finalmente se propone un método para evaluar el comportamiento térmico
de las viviendas en evolución libre, para lo cual se introduce la definición de
un valor denominado factor de confort térmico (𝑓ct ). Por medio del cual se
establece el rango de valores para la calificación térmica de las viviendas
en los tres climas del Estado de Morelos.
Bibliografía
156
BIBLIOGRAFÍA
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