TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS - cenidet.edu.mx Luis Javier... · Fundamentos Básicos. 2.1 Conductividad en un cuerpo homogéneo. 46 2.2 Convección superficial. 48 2.3 Radiación

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Mecánica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Estudio Térmico de un Edificio Vidriado Ubicado en la Ciudad de México y Evaluación de su Habitabilidad para el Confort

presentada por

Luis Javier Vázquez Sánchez Ing. Mecánico por el I. T. de Tuxtla Gutiérrez

como requisito para la obtención del grado de:

Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica

Director de tesis: Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García

Co-Director de tesis:

M. C. Miguel Ángel Chagolla Gaona

Jurado: Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor – Presidente

Dr. Jesús Arce Landa – Secretario Dra. Yvonne Chávez Chena – Vocal

Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García – Vocal Suplente

Cuernavaca, Morelos, México. 17 de Febrero de 2012

DEDICATORIAS

A Dios , quien siempre estuvo conmigo y jamás soltó mi mano.

A Román y Marina , mis padres, quienes son mi orgullo y mi razón de ser.

A quienes les debo todo en esta vida, y por quienes lucho día a día.

A Karolina , mi hermana, mi orgullo, mi ejemplo de que todo esfuerzo es bien recompensado.

Mi confidente y mi gran amiga.

A mi Familia , nombrar solo a algunos sería un acto egoísta, mi ser se compone de cada

aprendizaje, de cada ejemplo, de cada detalle que me han brindado.

A los que permitieron alguna vez que mi luz iluminará su vida.

A todos aquellos que ven en mí a un amigo.

A mis amigos.

AGRADECIMIENTOS

A Dios , quien sin Él nada de esto hubiera sido posible, nada sería tangible, nada de esto se

hubiera logrado, nada sería.

A Mi familia por siempre confiar en mí, por todo el esfuerzo que han hecho en la vida, por sus

consejos, por sus ejemplos, pero sobre todo por ese Amor que solo ellos pueden darme.

A la Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García , por la asesoría en este trabajo de tesis, por el

tiempo, dedicación y apoyo para la realización de este proyecto, por ser parte fundamental para mi

formación profesional y principalmente para mi formación personal. Mi admiración y cariño.

Al M. C. Miguel Ángel Chagolla Gaona , por ser el co-asesor de este trabajo de tesis y por tanto

tiempo convivido, sus enseñanzas, sus consejos y sobre todo por esa magnífica amistad. Gracias

Maestro.

Al Arq. Valente Souza Saldivar , por el apoyo otorgado en la realización del estudio en las

instalaciones del edificio Ámsterdam-270, por sus consejos y por su amistad.

Al comité revisor: Dra. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor , Dr. Jesús Arce Landa y Dra. Yvonne

Chávez Chena por sus comentarios e importantes sugerencias durante la revisión del trabajo de

tesis.

A los Catedráticos del Departamento de Ingeniería Mecánic a del CENIDET, por colaborar con

mi formación profesional.

Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), por darme la oportunidad

de pertenecer al grupo y formarme en ésta institución.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) a la Dirección General de Educación

Superior Tecnológica (DGEST) por brindarme el apoyo económico para sostenerme durante el

estudio de ésta maestría.

“El hombre nunca puede saber qué debe querer, porque vive sólo una vida

y no tiene modo de compararla con sus vidas precedentes ni de enmendarla en

sus vidas posteriores.”

No existe posibilidad alguna de comprobar cuál de las decisiones es la

mejor, porque no existe comparación alguna. El hombre lo vive todo a la primera y

sin preparación. Como si un actor representase su obra sin ningún tipo de ensayo.

Pero ¿qué valor puede tener la vida si el primer ensayo para vivir es ya la vida

misma? Por eso la vida parece un boceto. Pero ni siquiera boceto es la palabra

precisa, porque un boceto es siempre un borrador de algo, la preparación para un

cuadro, mientras que el boceto que es nuestra vida es un boceto para nada, un

borrador sin cuadro.

«Einmal ist keinmal», dice el proverbio alemán. Lo que sólo ocurre una vez

es como si no ocurriera nunca. Si el hombre sólo puede vivir una vida es como si

no viviera en absoluto.

La Insoportable Levedad del Ser.

Milan Kundera.

Índice

i

ÍNDICE

Pág.

Lista de Figuras vi

Lista de Tablas xiii

Nomenclatura xv

Resumen xx

Abstract xxiii

Capítulo I.- Introducción. 1 1.1.- Antecedentes. 2 1.1.1.- La energía en la historia de la humanidad. 2

1.1.2.- Panorama internacional del sector energético. 4 1.1.2.1.- Políticas internacionales sobre eficiencia energética. 5 1.1.2.2.- Estadísticas internacionales sobre el sector energético. 6 1.1.3.- Panorama nacional del sector energético. 9 1.1.3.1.- Políticas nacionales sobre eficiencia energética. 10 1.1.3.2.- Estadísticas nacionales sobre el sector energético. 12 1.1.4.- Consumo energético en edificaciones. 16 1.1.5.- Diseño bioclimático de edificaciones. 19 1.2.- Revisión bibliográfica. 21 1.2.1.- Programas de simulación energética en edificaciones. 21 1.2.2.- Características de envolventes en edificaciones. 29 1.2.3.- Estudios de simulación energética en edificaciones. 34 1.3.- Justificación. 40 1.4.- Objetivos. 41 1.4.1.- Objetivo general. 41 1.4.2.- Objetivos particulares. 42 1.5.- Alcance. 42

Índice

ii

Pág. Capítulo II.- Fundamentos Teóricos. 43 2.1.- Transferencia de calor. 44 2.1.1.- Mecanismos de transferencia de calor. 44 2.1.1.1.- Conducción. 44 2.1.1.2.- Convección. 46 2.1.1.3.- Radiación. 48 2.1.1.4.- Transmisión aire a aire. 52 2.1.1.5.- Balance térmico. 54 2.2.- Geometría solar. 55 2.2.1.- El sol. 55 2.2.2.- Energía solar. 56 2.2.3.- Generalidades de la geometría solar. 57 2.2.4.- Bóveda celeste. 59 2.2.5.- Métodos de análisis del comportamiento solar. 63 2.2.5.1.- Métodos gráficos. 63 2.2.5.2.- Métodos matemáticos de posición solar. 69 2.2.5.3.- Métodos físicos de simulación. 71 2.3.- El clima y la edificación. 75 2.3.1.- Radiación solar. 76 2.3.2.- Temperatura. 79 2.3.3.- Humedad. 80 2.3.4.- Viento. 82 2.4.- Confort térmico y estrategias de climatización. 83 2.4.1.- Confort térmico. 83 2.4.2.- Estrategias de climatización. 87 2.5.- Sistemas pasivos y activos en la edificación. 90 2.5.1.- Diseño pasivo. 90 2.5.2.- Diseño activo. 91

Índice

iii

Pág. Capítulo III.- TRNSYS. 93 3.1.- Descripción general. 94 3.1.1.- TRNSYS. 94

3.1.2.- Simulación térmica transitoria y en estado permanente. 95 3.1.3.- Funciones de transferencia. 96 3.1.4.- Salidas del programa. 99

3.2.- Componentes del programa. 99

3.2.1.- Numeración de componentes. 100 3.2.2.- Numeración de las unidades del sistema. 100 3.2.3.- Tipos de información. 100 3.2.4.- Subrutinas de utilerías. 101 3.2.5.- Módulos componentes para el cálculo de cargas

térmicas. 101 3.2.5.1.- Lector de datos Type9. 101 3.2.5.2.- Procesador de radiación solar Type16. 102 3.2.5.3.- Procesador psicrométrico Type33. 103 3.2.5.4.- Edificio multi-zonas Type56. 103 3.2.6.- Módulos componentes para salida de resultados. 104 3.2.6.1.- Impresora Type25. 104 3.2.6.2.- Graficador Type26. 104 3.2.6.3.- Resumen de simulación Type28. 104 3.3.- Referencias matemáticas. 105 3.3.1.- Modelos matemáticos para el cálculo de la transferencia de calor. 105 3.3.1.1.- Pared exterior. 105 3.3.1.2.- Partición interior. 108 3.3.1.3.- Pared entre zonas. 109 3.3.1.4.- Ventana. 109 3.3.1.5.- Ganancias radiativas. 110 3.3.1.6.- Espacio interno. 111 3.3.1.7.- Cargas Latentes. 115 3.4.- Interfaces del programa. 116 3.4.1.- IISiBat. 117 3.4.2.- Prebid. 118

Índice

iv

Pág. Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270. 119 4.1.- Descripción edificio Ámsterdam-270. 120 4.1.1.-Ubicación geográfica. 120 4.1.2.-Geometría general. 121 4.1.3.- Áreas. 124 4.1.4.- Orientación. 129 4.1.5.-Materiales. 130 4.1.6.-Cálculo de los coeficientes globales de transferencia de calor Factor-U y los coeficientes de ganancia solar SHGC. 133 4.2.- Condiciones meteorológicas. 135 4.2.1.- Descripción de la estación meteorológica. 137 4.2.2.-Datos meteorológicos. 140 4.2.2.1.- Valores promedios mensuales. 140 4.2.2.2.- Valores mínimos mensuales registrados. 142 4.2.2.3.- Valores máximos mensuales registrados. 144 4.3.- Clasificación climática y estrategias de climatización. 146 4.3.1.- Clasificación climática. 146 4.3.2.- Estrategias de climatización. 148 4.4.- Consideraciones en zonas del edificio Ámsterdam-270. 150 4.4.1.- Zonificación. 150 Capítulo V.- Resultados. 156

5.1.- Energía solar incidente sobre la envolvente. 157

5.2.- Situación actual del edificio. 159

5.2.1.- Evolución libre. 159

5.2.1.1.- Temperaturas promedio, máximas y mínimas

mensuales por zonas. 159

Índice

v

Pág.

5.2.1.2.- Temperatura promedio mensual del edificio. 162

5.2.2.- Cargas térmicas. 163

5.2.2.1.- Cargas térmicas mensuales por zonas. 163

5.2.2.2- Cargas térmicas anuales por zonas. 168

5.3.- Estudio de variación de parámetros. 169

5.3.1.-Definición de Casos. 169

5.3.1.1- Evolución libre. 172

5.3.1.2.- Cargas Térmicas. 184

5.4.- Análisis de Días Característicos. 188

5.4.1.- Análisis en día cálido. 188

5.4.2.- Análisis en día frío. 193

5.5.- Acciones para mejora del confort térmico al interior del edificio. 197

Capítulo VI.- Conclusiones y recomendaciones. 200 6.1.- Conclusiones. 201 6.2.- Recomendaciones. 203

Bibliografía 204

Anexos. 211

Anexo I: Situación Actual 212

Anexo II: Variación de Parámetros: Sombreamiento e Infiltración 216

Anexo III: Variación de Parámetros: Vidriado de Baj a Emisividad 226

Anexo IV: Variación de Parámetros: Vidriado Refleja nte 232

Anexo V: Reconocimientos obtenidos con la presentac ión de este trabajo 238

Lista de Figuras

vi

LISTA DE FIGURAS.

Figura Descripción Pág. Capítulo I.- Antecedentes. 1.1 Crecimiento del consumo mundial de energía entre 1970 y 2020 en Mtep

(Millones de toneladas equivalentes de petróleo). 7 1.2 Generación de electricidad a partir de energías renovables en América Latina entre

1997 y 2025 en TWh (TeraWatts-hora). 8 1.3 Consumo energético mundial en 2010. 9 1.4 Consumo energético en México 1965-2009 (Petajoules). 12 1.5 Incremento en el consumo energético en México por sectores 1965-2008 (Petajoules). 13 1.6 Ciclo de vida de una edificación. 17 Capítulo II.- Fundamentos Básicos. 2.1 Conductividad en un cuerpo homogéneo. 46 2.2 Convección superficial. 48 2.3 Radiación superficial. 50 2.4 Características de un cuerpo opaco y un cuerpo transparente como receptores de

energía radiante. 51 2.5 Transmisión aire a aire. 53 2.6 Movimiento terrestre. 59 2.7 Bóveda celeste. 61 2.8 Ángulos: cenital, de inclinación, de altura y acimutal. 62 2.9 Pirheliómetro de incidencia normal NIP (Directa). 77 2.10 Piranómetro espectral PSP. 78 2.11 Instrumentos para medir la temperatura. 80 2.12 Higrómetro analógico y digital para medir la humedad. 81 2.13 Anemómetro digital para la medir viento. 82 2.14 Diagrama de confort climático humano de Olgyay. 86

Lista de Figuras

vii

Pág. 2.15 Carta bioclimática de Givoni. 86 2.16 Clasificación climática en la carta psicrométrica. 89 Capítulo III.- TRNSYS 3.1 Ventana principal de la interfaz IISiBat para TRNSYS. 117 3.2 Ventana principal del programa Prebid. 118 Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270. 4.1 Orientación Ámsterdam-270. 120 4.2 Vista lateral y frontal del edificio Ámsterdam-270. 121 4.3 Corte longitudinal y transversal del edificio Ámsterdam-270. 122 4.4 Niveles del edificio Ámsterdam-270. 122 4.5 Vista frontal del edificio Ámsterdam-270. 123 4.6 Vista aérea del edificio Ámsterdam-270. 123 4.7 Primer nivel del edificio (medidas en metros). 125 4.8 Segundo nivel del edificio (medidas en metros). 126 4.9 Tercer nivel del edificio (medidas en metros). 127

4.10 Oficina ubicada en la azotea del edificio (medidas en metros). 128

4.11 Orientación del edificio respecto a coordenadas cartesianas. 129 4.12 Orientación de las superficies que conforman la envolvente del edificio. 129 4.13 Superficies que conforman la envolvente del edificio. 130 4.14 Localización edificio Ámsterdam 270 y la estación meteorológica SMN Observatorio. 136 4.15 Estación meteorológica utilizada en el SMN Observatorio. 137 4.16 Variables meteorológicas medidas con la EMA. 138 4.17 Ubicación de la estación meteorológica automática SMN Observatorio. 139 4.18 Valores promedios mensuales del año 2010. 141 4.19 Valores mínimos mensuales del año 2010. 143

Lista de Figuras

viii

Pág. 4.20 Valores máximos mensuales del año 2010. 145 4.21 Clasificación climática. 146 4.22 Clasificación climática para los valores máximos mensuales registrados. 147 4.23 Clasificación climática para valores mínimos mensuales registrados. 148 4.24 Estrategias de climatización para enfriamiento. 148 4.25 Estrategias de climatización para valores máximos mensuales registrados. 149 4.26 Estrategias de climatización para valores mínimos mensuales registrados. 150 4.27 Zonas primer nivel. 151 4.28 Zonas segundo nivel. 152 4.29 Zonas tercer nivel. 153 4.30 Zonas azotea. 154 Capítulo V.- Resultados. 5.1 Superficies de la envolvente del edificio. 157 5.2 Energía solar incidente sobre las superficies de la envolvente del edificio. 158 5.3 Temperaturas promedio (a), máximas (b) y mínimas (c) mensuales por zonas. 160 5.4 Comparación de la temperatura promedio del edificio y la temperatura ambiente. 162 5.5 Cargas térmicas de refrigeración y calefacción para las zonas (a) 1N-Espacio01,

(b) 1N-Espacio02, (c) 2N-Oficina y (d) 2N-Departamento. 165 5.6 Cargas térmicas de refrigeración y calefacción para las zonas (a) 3N-Oficina,

(b) 3N-Pasillo, (c) Azotea-Oficina y (d) Azotea-Poliedro. 166 5.7 Cargas térmicas de refrigeración y calefacción mensuales para el edificio. 167 5.8 Cargas térmicas de refrigeración y calefacción anuales por zonas. 168 5.9 Temperaturas promedio mensuales por zonas para (a) caso 1, (b) caso 2 y

(c) caso 3. 173 5.10 Temperaturas promedio mensuales por zonas para (a) caso 4, (b) caso 5 y

(c) caso 6. 174 5.11 Temperaturas promedio mensuales del interior del edificio para cada caso simulado. 176

Lista de Figuras

ix

Pág. 5.12 Temperaturas promedio mensuales por zonas para los casos con vidriado de baja

emisividad con una infiltración en verano de (a) 1 CVA/Hr, (b) 3 CVA/Hr y (c) 6 CVA/Hr. 177

5.13 Temperaturas promedio mensuales utilizando vidriado de baja emisividad. 179 5.14 Temperaturas promedio mensuales por zonas para los casos con vidriado reflejante

con una infiltración en verano de (a) 1 CVA/Hr, (b) 3 CVA/Hr y (c) 6 CVA/Hr. 180 5.15 Temperaturas promedio mensuales utilizando vidriado reflejante. 182 5.16 Temperaturas promedio mensuales del edificio para cada uno de los casos

simulados. 183 5.17 Cargas térmicas totales anuales necesarias en el edificio para lograr el confort al

interior. 185 5.18 Cargas térmicas totales en función del sombreamiento. 186 5.19 Cargas térmicas anuales por zonas de (a) Calefacción y (b) Refrigeración. 187 5.20 Temperaturas en día cálido. (a) Temperatura horaria por zonas durante el día cálido,

(b) Temperatura promedio del interior del edificio y la temperatura ambiente en el día cálido. 189

5.21 Temperatura promedio del edificio en el día más cálido. (a) Casos aplicando

sombreamiento, (b) Casos con vidriado de baja emisividad. (c) Casos con vidriado reflejante. 191

5.22 Temperaturas en día frío. (a) Temperatura horaria por zonas durante el día frío,

(b) Temperatura promedio del interior del edificio y la temperatura ambiente en el día frío. 193

5.23 Temperatura promedio del edificio en el día más frío. (a) Casos aplicando

sombreamiento, (b) Casos con vidriado de baja emisividad. (c) Casos con vidriado reflejante. 195

5.24 Mallasombra. 197 5.25 Sistema de lamas para sombreamiento en ventanas. 197 5.26 Películas para ventanas con filtros solares. 197 5.27 Vidriado de baja emisividad. 198 5.28 Vidriado reflejante. 198 5.29 Extractores de aire. 199 5.30 Techo con aperturas de ventilación móviles. 199

Lista de Figuras

x

Pág. Capítulo VI.- Conclusiones y Recomendaciones. No se presentan imágenes. Anexos. Anexo I. Situación Actual A1.1. Temperaturas mínimas mensuales registradas. 212 A1.2. Temperaturas máximas mensuales registradas. 212 A1.3 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración anuales por zonas del edificio. 212 A1.4 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 1N-Espacio01. 213 A1.5 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 1N-Espacio02. 213 A1.6 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 2N-Oficina. 213 A1.7 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 2N-Departamento. 214 A1.8 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 3N-Oficina. 214 A1.9 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 3N-Pasillo. 214 A1.11 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona Azotea-Poliedro. 215 A1.10 Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona Azotea-Oficina. 215 Anexo II: Variación de Parámetros. Sombreamiento e Infiltración. A2.1 Temperaturas máximas mensuales registradas. 216 A2.2 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 216 A2.3 Temperaturas máximas mensuales registradas. 217 A2.4 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 217 A2.5 Temperaturas máximas mensuales registradas. 217 A2.6 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 218 A2.7 Temperaturas máximas mensuales registradas. 218 A2.8 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 218 A2.9 Temperaturas máximas mensuales registradas. 219 A2.10 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 219

Lista de Figuras

xi

Pág. A2.11 Temperaturas máximas mensuales registradas. 219 A2.12 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 220 A2.13 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 1N-Espacio01. 220 A2.14 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 1N-Espacio02. 220 A2.15 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 2N-Oficina. 221 A2.16 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 2N-Departamento. 221 A2.17 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 3N-Oficina. 221 A2.18 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 3N-Pasillo. 222 A2.19 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona Azotea-Oficina. 222 A2.20 Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona Azotea-Poliedro. 222 A2.21 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 1N-Espacio01. 223 A2.22 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 1N-Espacio02. 223 A2.23 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 2N-Oficina. 223 A2.24 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 2N-Departamento. 224 A2.25 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 3N-Oficina. 224 A2.26 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 3N-Pasillo. 224 A2.27 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona Azotea-Oficina. 225 A2.28 Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona Azotea-Poliedro. 225 Anexo III: Variación de Parámetros. Vidriado de Baja Emisividad. A3.1 Temperaturas máximas mensuales registradas. 226 A3.2 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 226 A3.3 Temperaturas máximas mensuales registradas. 227 A3.4 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 227 A3.5 Temperaturas máximas mensuales registradas. 227 A3.6 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 228 A3.7 Cargas térmicas anuales por zonas. 228

Lista de Figuras

xii

Pág. A3.8 Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio01. 228 A3.9 Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio02. 229 A3.10 Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Oficina. 229 A3.11 Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Departamento. 229 A3.12 Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Oficina. 230 A3.13 Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Pasillo. 230 A3.14 Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Oficina. 230 A3.15 Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Poliedro. 231 Anexo IV: Variación de Parámetros. Vidriado Reflejante. A4.1 Temperaturas máximas mensuales registradas. 232 A4.2 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 232 A4.3 Temperaturas máximas mensuales registradas. 233 A4.4 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 233 A4.5 Temperaturas máximas mensuales registradas. 233 A4.6 Temperaturas mínimas mensuales registradas. 234 A4.7 Cargas térmicas anuales por zonas. 234 A4.8 Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio01. 234 A4.9 Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio02. 235 A4.10 Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Oficina. 235 A4.11 Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Departamento. 235 A4.12 Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Oficina. 236 A4.13 Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Pasillo. 236 A4.14 Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Oficina. 236 A4.15 Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Poliedro. 237 Anexo V: Reconocimientos Obtenidos con la Presentación de este Trabajo. A5.1 3er. Congreso Internacional de Energías Alternativas CINEA 2011 238 A5.2 IX Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico CIINDET 2011 239

Lista de Tablas

xiii

LISTA DE TABLAS.

Tabla Descripción Pág. Capítulo I.- Antecedentes. 1.1 Consumo total energético en México en 2009. 14 1.2 Consumo de energía en los sectores residencial, comercial y público en 2009. 15 Capítulo II.- Fundamentos Básicos. 2.1 Rangos de confort térmico para varias ciudades. 84 Capítulo III.- TRNSYS 3.1 Coeficientes de regresión lineal múltiple de infiltración. 112 3.2 Coeficientes de ganancias de calor debido a los ocupantes en espacios acondicionadosa. 113 Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270. 4.1 Materiales de construcción del edificio Ámsterdam-270. 131 4.2 Materiales de construcción del edificio Ámsterdam-270 (continuación). 132 4.3 Propiedades ópticas de los vidrios utilizados en el edificio Ámsterdam-270. 132

4.4 Coeficientes convectivos según NOM-008-ENER-2001. 133 4.5 Coeficientes globales de transferencia de calor de los materiales (U). 134 4.6 Coeficientes globales de transferencia de calor (U) y coeficientes de ganancia solar (SHGC) de los vidrios utilizados. 135 4.7 Promedios mensuales registrados de las variables meteorológicas. 140 4.8 Valores mínimos mensuales registrados de las variables meteorológicas. 142 4.9 Valores máximos mensuales registrados de las variables meteorológicas. 144

Lista de Tablas

xiv

Pág. Capítulo V.- Resultados. 5.1 Descripción de los casos variando sombreamiento e infiltración. 170 5.2 Descripción de casos utilizando vidrio de baja emisividad. 171 5.3 Descripción de casos utilizando vidrio reflejante. 172 Capítulo VI.- Conclusiones y Recomendaciones. No se presentan tablas. Anexos. Anexo I: Situación Actual No se presentan tablas. Anexo II: Variación de Parámetros. Sombreamiento e Infiltración A2.1 Variación de casos variando sombreamiento e infiltración. 216 Anexo III: Variación de Parámetros. Vidriado de Baja Emisividad A3.1 Descripción de casos utilizando vidriado de baja emisividad. 226 Anexo IV: Variación de Parámetros. Vidriado Reflejante A4.1 Descripción de casos utilizando vidriado reflejante. 232

Nomenclatura

xv

NOMENCLATURA.

Símbolo Descripción

A Área de la superficie de la pared o ventana expuesta al interior de la zona. b Espesor del material. b0 –bNb-1 Coeficiente de la función de transferencia para la temperatura sol-aire, para la hora actual y previa. C Conductancia del material. Cap Capacitancia efectiva del aire del cuarto mas cualquier masa no considerada con las funciones de transferencia. Cpa Calor específico del aire. co-cNc-1 Coeficiente de la función de transferencia para la temperatura equivalente del aire de la zona, para la hora actual y previa. d0-dNd Coeficiente de la función de transferencia del flujo de calor de las horas previas. f Coeficiente de conductancia superficial. G Densidad de energía radiante incidente. h altura solar. hc,i Coeficiente convectivo interior. hc,o Coeficiente convectivo exterior. hr,ij Coeficiente radiativo linealizado entre las superficies i y j. Isc Constante solar. IT Radiación incidente total. K Conductividad del material. K1 Constante del cambio de aire por hora. K2 Constante de proporcionalidad para el cambio de aire debido a la diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior. K3 Constante de proporcionalidad para el cambio de aire debido a los efectos del viento.

Nomenclatura

xvi


l latitud minfl Razón de flujo de masa de la infiltración de aire. mv Razón de flujo de masa de la corriente de ventilación. 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. Q Razón total de transferencia de calor por la superficie interior de una pared o ventana. Qc Flujo de energía calorífica por conducción. Qe Pérdidas por enfriamiento evaporativo. Qi Ganancia interna. Qinfl Razón de ganancia de energía dentro de la zona debido a la infiltración. Qint Razón de energía transferida a la zona debido a ganancias internas diferentes de personas o lámparas. 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. Qm Ganancias o pérdidas por sistemas mecánicos. Qr Flujo de calor por radiación. Qs Ganancia solar. 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. Qspepl Razón de transferencia de energía a la zona debido a ganancias sensibles de personas. Qv Flujo calorífico por convección superficial. Qv Razón de ganancia de energía al espacio debido a ventilación.

Nomenclatura

xvii


Qz Razón de ganancia de energía al espacio debido a la convección de las zonas

adjuntas. R Resistencia térmica del material. Ta Temperatura ambiente. 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. Tmin Temperatura mínima de zona permisible; punto fijo para calentamiento. Tmax Temperatura máxima de zona permisible; punto fijo para enfriamiento. 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. Ts Temperatura de la superficie. Tz Temperatura de la zona. T’z Temperatura de la zona adyacente. Ug Coeficiente de pérdidas de la ventana desde las superficies interiores y exteriores. Ug,o Coeficiente de pérdidas globales de la ventana incluyendo convección por las superficies interiores y exteriores. V Tasa de ventilación. Va Volumen de aire en la zona. W Velocidad de viento. w Ángulo horario. ωmin Razón de humedad mínima permisible en la zona; punto predeterminado para humidificación. ωmax Razón de humedad máxima permisible en la zona; punto predeterminado para deshumidificación. ωa Razón de humedad del aire ambiente. ωI Razón de ganancias de humedad internas a las zonas.

Nomenclatura

xviii


ωv Razón de humedad de la corriente de ventilación entrante. ωz Razón de humedad del aire de la zona. 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 zonas. Zc Zona de confort. ∆hvap Calor de vaporización de agua. α Absortancia de la superficie exterior. β Ángulo de inclinación. δ Declinación. ε Emitancia. γ Ángulo acimutal. λ Latitud.

cθ Ángulo cenital.

ρ Término de reflectancia de la superficie interior. ρa Densidad del aire de la zona. σ Constante de Stefan-Boltzman. τ Transmitancia. Subíndices i,j, o 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 anterior, etc.

Nomenclatura

xix

Abreviaturas ASHRAE Sociedad americana de Ingenieros en calefacción, refrigeración y aire acondicionado CVA/Hr Cambio de Volumen de aire por cada hora EMAs Estaciones meteorológicas automáticas HVAC Calentamiento, ventilación y aire acondicionado IEA Agencia internacional de energía Mtep Millones de toneladas equivalentes de petróleo Mtoe Millones de toneladas de petróleo NOM Norma oficial mexicana OECD Organisation for Economic Co-operation and Development PEMEX Petróleos Mexicanos PIB Producto interno bruto PJ PetaJoules TWh TeraWatts-hora SENER Secretaría de Energía SMN Servicio Meteorológico Nacional TBH Temperatura de bulbo húmedo TBS Temperatura de bulbo seco

Resumen

xx

RESUMEN

Hoy en día es de vital importancia y necesario el uso eficiente y el ahorro de

energía en el entorno en el que vivimos; el sector residencial es un consumidor

importante de energía, esto debido a las necesidades de confort térmico dentro de

las mismas, lo que conlleva a utilizar equipos mecánicos para climatización.

El presente trabajo de investigación realizado se enfoca en estudios

realizados a un edificio de características únicas ubicado en la ciudad de México,

D. F., con materiales ligeros en su envolvente que permiten un comportamiento

térmico del aire al interior de manera similar al comportamiento del aire al exterior.

El edificio presenta problemas de altas temperaturas del aire al interior en

temporada de verano por encima de la temperatura del aire ambiente registradas y

en temporada de invierno las temperaturas son más bajas que la temperatura del

aire ambiente.

Para la realización de este trabajo de investigación se utilizó el software

TRNSYS (Transient System Simulation Program), así como la comprensión de

fundamentos de transferencia de calor y de variables meteorológicas necesarias

para las simulaciones realizadas.

Los resultados obtenidos de las simulaciones muestran que en el periodo

de verano existe una disminución en la temperatura del aire dentro del edificio con

la implementación de sombreado en el techo y las paredes vidriadas, al igual que

el uso de una infiltración variable conforme lo requerido en el año; de igual forma

la utilización de un vidriado especial, como lo son los de baja emisividad y

reflejantes, disminuyen las temperaturas al interior del edificio y, en el caso de la

utilización de equipos para mantener las temperaturas dentro del rango de confort

térmico, se disminuyen las cargas térmicas totales hasta en un 39.2 % con

respecto a las necesarias en la situación actual.

Resumen

xxi

En el caso de la utilización de 30 % de sombreado del área de las paredes y

techos vidriados se obtuvo una disminución máxima en el promedio mensual de la

temperatura del aire del edificio de hasta 3.1 °C, con el 50% de sombreado se

logró una disminución máxima de hasta 4 °C, mientra s que con el 70% de

sombreado se logra disminuir hasta 4.6 °C, esto se logra manteniendo la

infiltración mínima de 1 CVA/Hr en la temporada de invierno y una infiltración para

temporada de verano de 3 y 6 CVA/Hr, los mejores resultados se obtienen con

una infiltración alta para los meses de verano.

Los resultados obtenidos con la utilización de vidrios reflejantes en lugar de los

vidrios utilizados actualmente dieron como resultado una disminución máxima en

la temperatura promedio mensual del aire del interior del edificio de hasta 3.6 °C.

Mientras que los resultados obtenidos con la utilización de vidrios de baja

emisividad dieron como resultado una disminución máxima de hasta 3.5 °C, estos

se obtuvieron con una infiltración de 6 CVA/Hr para la temporada de verano y de 1

CVA/Hr para la temporada de invierno.

En la situación actual las cargas térmicas totales necesarias para mantener la

temperatura del edificio dentro de la zona de confort durante el año simulado son

de 94,880.53 kWh.

Las reducciones en la temperatura del aire al interior del edificio obtenidas con

la utilización de sombreado en los techos y paredes vidriadas se pueden comparar

con la cantidad de cargas térmicas necesarias para lograr el confort térmico al

interior del edificio. Para un sombreado de 30% del área las cargas térmicas

fueron de 71,450.8 kWh, lo que representa una disminución del 24.6%; para el

sombreado de 50% del área, las cargas térmicas fueron de 69,303.3 kWh, lo que

representa una disminución del 36.4%; utilizando un sombreado de 70% la

reducción de las cargas térmicas fue de 39.2% con un total de cargas térmicas

necesarias de 57,630.2 kWh.

Resumen

xxii

En el caso de la utilización de vidrios de baja emisividad las cargas térmicas

necesarias para mantener la temperatura del aire del interior del edificio en

condiciones de confort fueron de 65,893.8 kWh, lo que representa una disminución

de 30.5% de las cargas térmicas en comparación con la situación actual. Por

último, utilizando un vidriado reflejante las cargas térmicas totales fueron de

65,715.9 kWh, lo que representa una disminución de 30.7% en comparación con

las cargas requeridas en la situación actual.

Finalmente, con el estudio realizado se observa que los edificios de baja masa

térmica, en este caso con un alto porcentaje del área vidriada, presentan un

comportamiento térmico del aire al interior muy similar al comportamiento del aire

ambiente, por lo que es necesario el uso de técnicas pasivas para lograr mejorar

las condiciones al interior y disminuir el consumo de energía.

Abstract

xxiii

ABSTRACT

Nowadays the efficient use and energy saving are vital and necessary in the

environment in which we live; the residential sector is a significant consumer of

energy, this is because of the needs of thermal comfort within them, which involves

the use of air conditioning equipment.

This research work focuses on studies of a building of unique characteristics

located in Mexico´s City, D. F. The building envelope is made of lightweight

materials, which allow a similar thermal behavior between the indoor and outdoor

temperatures. The building presents problems of high temperatures of the air in

the summer, above the ambient temperatures recorded, and in the winter

temperatures are lower than the ambient outdoor temperatures.

To simulate the thermal behavior of the building, Software TRNSYS

(Transient System Simulation Program) was used, which it was supplied with

geometry, envelop materials and recorded meteorological variables of a year. The

TRNSYS simulations were done for the actual conditions of the glazed building and

then a study of shading glazing and infiltration were performed.

The results from the TRNSYS simulations show that the actual building

required a thermal load of 94,880.53 kWh to have confort temperatures during a

year. Simulating the building considering the shading of the glazing of walls and

roof with the optical and thermal properties of special glazing such as reflective

glazing or low emissivity glazing and supplying variable infiltration as required or

ventilation for the summer period, it was observed a decrease in the indoor air

temperature in the building, so the thermal loads decreased up to 39.2 % against

the ones required for the actual building

Abstract

xxiv

In case of using 30% of shading in the area of the glazed walls and roofs

the maximum decrease in the monthly average temperature of air in the building

was 3.1° C, with 50% of shading, a maximum temperat ure decrease was 4° C,

while using 70 % of shading, the temperature reduced to 4.6 ° C. These simulation

results were for an infiltration of 3 and 6 CVA/Hr during the summer season and a

minimal infiltration of 1 CVA/Hr in the winter season, the best results were obtained

increasing the nocturnal infiltration in the summer months.

Using reflective glazing instead of the actual glazing, the maximum

decrease of the monthly average indoor air temperature was 3.6 °C, meanwhile,

for low emissivity glazing, the maximum decrease of the monthly average indoor

air temperature was 3.5 °C. Also, these simulation results were for an infiltration of

3 and 6 CVA/Hr during the summer season and a minimal infiltration of 1 CVA/Hr

in the winter season.

In terms of thermal loads, it was found that for shading of 30% of the area,

the thermal loads were 71,450.8 kWh, representing a decrease of 24.6%

compared to the heat load required by the current building, for shading of 50%, the

thermal loads were 69,303.3 kWh, representing a decrease of 36.4% and for of

70%, thermal loads were 57,630.2 kWh, that is, there was a reduction of thermal

loads of 39.2%.

In case of using low-emissivity glass, the required thermal loads to maintain

the indoor air temperature of the building in the range of thermal comfort were

65,893.8 kWh, representing a decrease of 30.5% from the current building thermal

loads required. Considering reflective glazing, the thermal loads were 65,715.9

kWh, representing a decrease of 30.7% compared with the ones of the current

building.

Abstract

xxv

Finally, this study shows that the thermal response of lightweight building

envelope (glass) or low thermal mass buildings follows the oscillations of the

ambient temperature. In summer the indoor air temperature is above the ambient

temperatures and in winter the indoor air temperature is below the ambient

temperature. In any case, it is necessary to use air conditioning to achieve comfort

temperatures and the combination of passive techniques can help to reduce the

energy consumption.

Capítulo I.- Introducción

1

Capítulo I.- Introducción.

En este primer capítulo se establece el contexto sobre el problema a

estudiar en esta investigación, así también la revisión bibliográfica, la justificación,

el objetivo y el alcance. Se hace principal énfasis en los antecedentes respecto a

la energía, el panorama nacional e internacional existente, el consumo energético

en edificaciones, al igual que los criterios de diseño y construcción en las mismas.

La revisión bibliográfica se enfoca en tres temas relacionados con el trabajo a

realizar, estos son: Programas de simulación energética en edificaciones,

Características de envolventes de edificaciones y Estudios de simulación

energética en edificaciones.


2

1.1.- Antecedentes.

En el momento actual, el tema energético es muy complejo y requiere la

atención de especialistas en campos muy diversos. Hasta hace unos años, los

problemas energéticos se planteaban en términos técnico-económicos y la

planificación energética consistía simplemente en asegurar el abastecimiento

para un consumo creciente. En la actualidad, por el contrario, la planificación de

un sistema energético además de abordar los aspectos de suministro, debe tratar,

también, de los legales, medio ambientales, de rendimiento de los procesos, entre

otros, junto con el estudio clásico de definición de los elementos necesarios y de la

evaluación de sus costos directos.

Normalmente se liga el consumo energético de un país con el nivel de

progreso alcanzado, tomando en cuenta como base la correlación observada para

numerosos países entre el PIB (Producto Interno Bruto) y el consumo energético

[CIEMAT, 2002].

1.1.1.- La energía en la historia de la humanidad.

Desde épocas remotas el hombre ha enfrentado una serie de retos y

necesidades, producto de su constante interacción con el medio ambiente. Para

satisfacer muchas de estas necesidades, ha hecho uso de las diversas formas de

energía existentes en el planeta, tales como la leña, el carbón y los hidrocarburos.

Una de las primeras formas de energía que usó, se remontan seguramente al

descubrimiento del fuego, 400,000 años antes de Jesucristo, en cuevas del

hombre de Pekín [García, 1996].

Desde la revolución agrícola, que comenzó hace unos 10,000 años, se

produjeron grandes cambios en las actividades humanas, como el desarrollo del

comercio, de las comunicaciones y del transporte.


3

Estos avances tecnológicos fueron acompañados por un crecimiento de la

población que, a su vez, implicaba la necesidad de una mayor producción de

alimentos para abastecer los requerimientos nutricionales de los habitantes. Sin

embargo, los cambios tecnológicos ocurridos no fueron tan significativos como

para asegurar una cantidad suficientemente segura de alimentos y energía para el

hombre.

Hasta que en el siglo XVIII se inicia en Inglaterra un nuevo proceso de

cambio, la Revolución Industrial, que trajo innovaciones tecnológicas importantes,

desde la máquina de vapor hasta métodos de producción masiva, que dieron

impulso a la actividad económica, y le permitieron al hombre ampliar el

aprovechamiento de la energía y materiales que podía producir. Fue así como

descubrió que podía aprovechar la energía almacenada en los restos de seres

vivos acumulados en el interior de la corteza terrestre desde hace millones de

años, es decir los combustibles fósiles, como el petróleo, carbón y el gas natural,

lo que constituyó un factor determinante para el desarrollo industrial.

A fines de la Segunda Guerra Mundial con el incremento de la población, la

extensión de la producción industrial y el uso masivo de tecnologías, comenzó a

aumentar la preocupación por el agotamiento de las reservas de petróleo que se

había convertido en la principal fuente de energía y se creía inagotable. Una

fuente energética importante desarrollada para entonces fue la energía nuclear,

que condujo a la explotación de reservas de uranio y la construcción y utilización

de centrales nucleoeléctricas.

Para la década del 60 era creciente la preocupación por el deterioro del

ambiente debido al uso excesivo y sin control de los recursos naturales. A partir de

entonces se impulsó el desarrollo de tecnologías que permitieran el

aprovechamiento de energías alternativas basadas en el uso de recursos

naturales renovables.


4

Como ejemplo de las tecnologías que utilizan energías alternativas están la

energía eólica y solar para obtener electricidad, las que, además, se consideran

ecológicamente menos perjudiciales que la quema de combustibles fósiles. Estas

fuentes de energía alternativas se consideran limpias debido al bajo, o nulo, grado

de contaminación que ocasionan cuando se utilizan en forma controlada.

El hombre actual, que puede ser denominado hombre tecnológico, emplea

un gran número de fuentes energéticas. De todas formas, la mayor parte de la

energía que se utiliza actualmente en el mundo aún proviene de los combustibles

fósiles. La realidad del crecimiento demográfico actual y el consumo excesivo de

bienes materiales y energéticos requieren adoptar conductas de cambio

tendientes al uso racional de los recursos no renovables y a incrementar el

aprovechamiento de los recursos renovables. De esta forma se podrán satisfacer

los requerimientos actuales de la humanidad sin comprometer la capacidad de las

futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades. Los recursos

renovables proporcionan cada año alrededor del 10 por ciento de la energía

mundial. [Esquerra, 1992].

1.1.2.- Panorama internacional del sector energétic o.

A nivel global se destaca un alto crecimiento en el consumo final de

energía, impulsado principalmente por India y China que representan más del 50%

del crecimiento al 2030. El crecimiento mundial de consumo de energía está

impulsado principalmente por los países que no son parte de la Organización para

la Cooperación y Desarrollo Económico (OCDE), quienes representan más del

90% del incremento de uso de energía al 2030 e incrementarán su participación

en la demanda mundial de energía de 52% a 63%.


5

En contraste, se estima que el consumo de energía en Estados Unidos

crecerá sólo 0.1% y en Japón caerá 0.2% por año. Se observa también una

reducción moderada en la intensidad energética producto de nuevas tecnologías y

esfuerzos deliberados para reducir el consumo. Finalmente, se plantea una

diversificación en las fuentes de energía primaria motivada por preocupaciones en

materia de seguridad energética, lo que ha resultado en una reducción en la

participación de hidrocarburos y un incremento en el uso de fuentes limpias y

carbón.

Se espera que los combustibles fósiles continúen siendo los de mayor uso a

escala mundial, dada su importancia en el transporte y los sectores industriales de

uso final. El gas natural aumentará el consumo mundial en 44%, a partir de 108

billones de pies cúbicos en 2007 hasta 156 billones de pies cúbicos en 2035. En

2009, el consumo mundial de gas natural se redujo en un estimado de 1.1%, se

estima que en el sector industrial cayó en 6.0% como consecuencia de la

recesión.

El sector industrial consume en la actualidad más gas natural que cualquier

otro sector de uso final, y en la proyección, continúa como el mayor consumidor

hasta el año 2035, cuando 39% del suministro mundial de gas se consuma con

fines industriales. La generación de electricidad es otro sector en donde el uso de

gas natural va en aumento, se espera que su utilización aumente de 33% en 2007

a 36% en 2035 [Energy Information Administration, 2008].

1.1.2.1.- Políticas internacionales sobre eficienci a energética.

En los últimos años, la preocupación mundial por la investigación e

implementación de tecnologías que fomenten el uso eficiente de la energía, ha

surgido principalmente en países desarrollados, donde se han creado

organizaciones tales como la IEA (Agencia Internacional de Energía).


6

La Agencia Internacional de Energía (IEA) desarrolla diversas políticas y

medidas de fomento para el uso eficiente de energía. Además, la mayoría de los

países miembros han adoptado medidas para la reducción de emisiones de gases

invernadero. Las principales actividades consisten en la elaboración de normas,

auditorias, información, campañas, incentivos económicos, etc. Un sector hacia

donde apuntan los programas de uso eficiente de energía es el sector residencial

y comercial, el cual adopta códigos y normas para la construcción de

edificaciones. Francia por ejemplo fortalece sus normas térmicas para los nuevos

edificios residenciales y comerciales con el objetivo de mejorar la eficiencia del

uso de la energía en un 25% [Rodríguez M., 2001].

1.1.2.2.- Estadísticas internacionales sobre el sec tor energético.

Datos de la dirección general de energía y transportes de la comisión

europea señala que en Europa las personas pasan el 90% del tiempo dentro de

los edificios y la energía que se consume en ellos representa el 40% del consumo

global de la unión europea, más que la industria y el transporte. Sin embargo,

utilizando medidas simples en conjunto con nuevas tecnologías, se puede

economizar hasta un 20% de la energía del conjunto de la unión europea y así

mejorar al mismo tiempo el confort de los edificios. Con este fin la comunidad

europea ha creado una nueva directiva en materia de rendimiento energético que

vigila e incentiva a todos los miembros a regirse por las normas establecidas para

reducir el consumo de energías no renovables y tener menos emisiones de gases

invernadero.

Por otra parte, las proyecciones de la Organización de la Naciones Unidas

indican que la población actual pasará de los actuales casi 7 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%.


7

Así mismo, 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.

La producción de todas las fuentes energéticas tendrá un aumento

significativo; el consumo mundial de energía pasará de los 6,000 Mtep (millones

de toneladas equivalentes de petróleo) anuales de consumo actual a más de

10,000 Mtep para el año 2025, como se muestra en la Figura 1.1. 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 electricidad crecerá en América Latina entre 3.7% y 4.1%, hasta

el 2020, pasando de 638 TWh de consumo a 1,500 TWh. Las energías renovables

por su parte tendrán también un crecimiento importante, como se ve en la Figura

1.2. Latinoamérica está en estas proyecciones, entre los de menor crecimiento

esperado en el uso de energías alternativas.

Figura. 1.1.- Crecimiento del consumo mundial de energía entre 1970 y 2020 en Mtep (Millones de

toneladas equivalentes de petróleo).


8

Figura 1.2.- Generación de electricidad a partir de energías renovables en América Latina entre

1997 y 2025 en TWh (TeraWatts-hora).

El consumo mundial de energía se estima que aumentará 57% de 2004 a

2030. Entre 1980 y 2004, los líquidos del petróleo, el carbón y el gas natural

fueron los energéticos dominantes.

De acuerdo a las proyecciones en 2007 del System for the Analysis of

Global Energy Markets (SAGEM) de la Energy Information Administration de los

Estados Unidos, los mismos energéticos seguirán dominando hasta 2030 cuando

su uso se habrá casi duplicado con una tasa de crecimiento del 2.6% anual. Sin

embargo, su contribución total al consumo mundial de energía pasaría del 38% en

2004 al 34% en 2030 [Energy Information Administration, 2008].

En la Figura 1.3 se muestra el consumo energético mundial para el año

2010, donde el consumo de petróleo contribuyó con el 34.8%, el uso del carbón

con el 29.4%, la utilización de gas natural con el 23.8%, el uso de la

hidroelectricidad 6.5% y la utilización de energía nuclear representó un 5.5%.

Figura

1.1.3.- Panorama nacional del sector energético

El sector energético en México es un componente esencial de la economía

nacional y uno de los factores clave para contribuir al desarrollo productivo y social

del país, y a la creación de empleos. La participación de los ingresos públicos que

genera y el considerable tiempo que toma el desarrollo de infraestructura y capital

humano, hacen de vital importancia que se tenga claridad sobre su futuro en el

mediano y largo plazos. La definición de las estrategias a seguir se vuelve más

relevante si a lo anterior

encuentra en una etapa de grandes cambios no sólo en el país, sino a nivel

mundial.

Se plantea una diversificación en las fuentes de energía primaria motivada

por preocupaciones en materia de seguridad

una reducción en la participación de hidrocarburos y un incremento en el u

fuentes limpias y carbón.

Petróleo

Capítulo I.

ura. 1.3.- Consumo energético mundial en 2010.

Panorama nacional del sector energético .




onsiderable tiempo que toma el desarrollo de infraestructura y capital



se añade que, actualmente, el sector energético se



por preocupaciones en materia de seguridad energética, lo que ha resultado en

una reducción en la participación de hidrocarburos y un incremento en el u

34.8%

23.8%

29.4%

5.5%

6.5%

Petróleo Gas Carbón Nuclear Hidroelectricidad

Capítulo I. - Introducción

9




onsiderable tiempo que toma el desarrollo de infraestructura y capital



se añade que, actualmente, el sector energético se



energética, lo que ha resultado en

una reducción en la participación de hidrocarburos y un incremento en el uso de


10

Por otro lado, existe una mayor conciencia por la protección ambiental y se

han incrementado los esfuerzos para reducir el calentamiento global. En el futuro,

se espera un incremento en las medidas para reducir la demanda y para favorecer

fuentes limpias de energía, por medio del establecimiento de nuevos marcos

regulatorios, la utilización de incentivos económicos y el desarrollo y promoción de

tecnologías más eficientes.

Sin embargo, existe una alta incertidumbre tanto en la oferta como en la

demanda de energía. Desde el punto de vista de la oferta, gran parte de las

reservas de hidrocarburos se encuentran en campos que presentan dificultades

técnicas para su explotación. En cuanto a la demanda energética, hay una

multiplicidad de factores cuya evolución es difícil de anticipar, por ejemplo, la

recuperación económica asociada a la reciente crisis mundial o el avance en los

compromisos globales por reducir emisiones, entre los más importantes.

A nivel nacional, en los últimos años se han logrado avances en materia

energética. Las inversiones en este sector han alcanzado niveles históricos. Estas

inversiones han resultado en un incremento en la tasa de restitución de reservas

de hidrocarburos. También se ha observado un crecimiento en la capacidad de

generación eléctrica y un aumento en el número de hogares con acceso a

energéticos de calidad [AEAEE, 2005].

1.1.3.1.- Políticas nacionales sobre eficiencia ene rgética.

En el mundo es evidente que existe un incremento constante en la

demanda de energía. En México poco más del 85% de los energéticos provienen

de recursos naturales no renovables, principalmente hidrocarburos y carbón

[Secretaria de Energía, 2010]. Lo anterior obliga a una búsqueda de alternativas

que permitan contribuir en la preservación de dichos recursos naturales.


11

Una de estas alternativas, con resultados positivos, ha sido la elaboración

de Normas Oficiales Mexicanas de Eficiencia energética, (NOM-ENER) que

regulan los consumos de energía de aquellos aparatos que, por su demanda de

energía y número de unidades requeridas en el país, ofrezcan un potencial de

ahorro cuyo costo-beneficio sea satisfactorio para el país y los sectores de la

producción y el consumo.

A partir del 1 de marzo de 1993, la secretaria de energía a través de la

Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, constituyó el Comité Consultivo

Nacional de Normalización para la preservación y uso racional de los energéticos,

que se encarga de elaborar, aplicar y vigilar el cumplimiento de las normas de

eficiencia energética.

En México se empiezan a desarrollar políticas de eficiencia energética, para

fomentar su uso. Se incursiona en el aprovechamiento eficiente de la energía en

equipos de enfriamiento, calentamiento, iluminación, además del uso eficiente de

la energía en motores y bombas, incorporando algunos equipos electrodomésticos

como lavadoras y refrigeradores, y tratando de incluir en esta normatividad, los

equipos de mayor consumo energético.

Las normas propuestas tienen el objetivo de limitar la ganancia de calor de

las edificaciones residenciales y no residenciales, por medio de su envolvente, con

el fin de proponer un uso eficiente de la energía para los sistemas de aire

acondicionado. Entre ellas, la NOM-008-ENER de “Eficiencia energética en

edificios no residenciales” pretende regular el diseño térmico de la envolvente de

los edificios a efecto de que tengan la capacidad para lograr la comodidad de sus

ocupantes con un mínimo consumo de energía.


12

La NOM-020-ENER de “Eficiencia energética en edificaciones para uso

habitacional” es un complemento a la citada anteriormente, y pretende regular el

diseño térmico y la construcción de la envolvente de edificaciones del tipo

residencial hasta de tres niveles.

Las normas son especificaciones técnicas, accesibles al público,

elaboradas con la colaboración y el consenso de los involucrados; de aplicación

obligatoria para todos los productos e instalaciones en la República Mexicana

comprendidos en su campo de aplicación [Rodríguez., 2001].

1.1.3.2.- Estadísticas nacionales sobre el sector e nergético.

Históricamente se tiene registrado el consumo energético de México desde

el año de 1965, claramente se puede observar en la Figura 1.4 como a través de

los años el consumo energético ha ido creciendo, siendo el sector transporte el

que más consumo presenta, seguido del sector industrial y residencial con

incrementos anuales muy significativos.

Figura. 1.4.- Consumo energético en México 1965-2009 (Petajoules).


13

En la Figura 1.5 se observa el crecimiento en el sector de transporte ha sido

en mayor cantidad que los demás sectores, esto a consecuencia del crecimiento

en el consumo de autotransporte, aéreo, ferroviario y marítimo. Así siendo el

sector de los autotransportes el que representa un total de 92.49% del total del

consumo energético.

Figura. 1.5.- Incremento en el consumo energético en México por sectores 1965-2008 (Petajoules).

Para el año 2009 se tiene registrado el consumo energético en el país por

sector, dividido en dos grupos: el primero el consumo no energético, que son los

sectores que consumen energía para la generación de la misma, tales como el

uso de energía que requiere Petroquímica de PEMEX y otros sectores de menor

consumo, y el segundo grupo, los que consumen energía sin tener una generación

de la misma, tales como el sector residencial, comercial, publico, transporte,

agropecuario e industrial. Las cantidades de energía que consumen se detallan en

la Tabla 1.1.


14

Tabla 1.1.- Consumo total energético en México en 2009.

Consumo total energético en México 2009

(Petajoules) Consumo final total 4,795.241 Consumo no energético total 227.167

Petroquímica de PEMEX 115.780 Otros sectores 111.387

Consumo energético total 4,568.074 Residencial 761.787 Comercial 123.546

Público 28.091 Transporte 2,224.502

Agropecuario 146.531 Industrial 1,283.617

El consumo energético no es un asunto únicamente del clima, sino también

depende del número de habitantes y el desarrollo económico de la localidad. Los

equipos eléctricos de calefacción tienen poca influencia sobre el consumo

energético en México. Los equipos de aire acondicionado para refrigeración, son

los más utilizados para obtener condiciones de confort y tienen mayor consumo

energético en nuestro país [Secretaria de Energía, 2010].

Analizando únicamente los sectores residencial, comercial y público, se

tiene que el consumo energético en las últimas cuatro décadas es mayor en el

sector residencial con 83% del consumo total. La mayor parte del consumo de

energía aplicada en el sector residencial se utiliza para la climatización, esto

debido a que la mayoría de los edificios en México con acondicionamiento de aire

se caracterizan por su alta dependencia y consumo intensivo de combustibles

fósiles, además obedecen a diseños propios de otras latitudes sin considerar las

condiciones climáticas de un determinado sitio o proyecto.


15

México es un país ubicado entre los 87° y 118° de longitud y entre los 14° y

32° de latitud, lo que le permite contar con gran v ariedad de climas. Estos factores,

aunado a la falta de información de control solar, favorecen el uso desmedido de

la energía eléctrica, en el caso específico de la utilización de equipos de

climatización.

En la Tabla 1.2 se detalla el consumo de energía en los sectores

residencial, comercial y público, para el año de 2009.

Tabla 1.2.- Consumo de energía en los sectores residencial, comercial y público en 2009.

Consumo de energía en los sectores residencial, comercial y público en 2009

(Petajoules) Total Sector Residencial, Comercial y Público 913.424

Residencial 761.787 Energía solar 3.847

Leña 260.678 Total de petrolíferos 291.017

Gas licuado 290.178 Querosenos 0.839 Gas seco 1 29.079 Electricidad 177.167

Comercial 123.546 Energía solar 2.592

Total de petrolíferos 63.756 Gas licuado 60.423

Diesel 3.334 Gas seco 1 8.659 Electricidad 48.539

Público 28.091 Electricidad 28.091


16

1.1.4.- Consumo energético en edificaciones.

Los edificios modernos son considerados como sistemas térmicos

complicados de muchos elementos interactivos. Todos ellos individual y

colectivamente influencian el gasto energético. Dependiendo de los climas, los

edificios consumen grandes cantidades de energía fósil no renovable para

calentar, enfriar, ventilar, etcétera, logrando cuando se consigue, el confort interior

para los usuarios mediante un inmoderado consumo energético. Reducir este

consumo requiere examinar cada aspecto de los edificios incluyendo materiales,

estructuras, su relación con el medio ambiente y las actividades.

La tendencia actual en la arquitectura contemporánea y los efectos que

conlleva pueden y deben corregirse, con base en la aplicación de acciones

orientadas a 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 base en una cultura ecológica

que satisfaga las verdaderas necesidades presentes del hombre, sin comprometer

la capacidad para que las futuras generaciones puedan a su vez satisfacer las

propias.

Desde el punto de vista de la arquitectura, proyectar un edificio supone

condicionar a los usuarios a satisfacer sus necesidades de confort interactuando

de una determinada manera con el entorno, según las posibilidades que el edificio

le permita. En estos términos el proyecto arquitectónico puede predisponer a los

usuarios al uso de sistemas externos consumidores de unas determinadas

cantidades de energía para satisfacer sus necesidades. Se da por aceptado que

los edificios consumen mucha energía para operar de manera adecuada y

cómoda, estos consumos energéticos se deben a equipos para confort térmico,

iluminación, calentamiento de agua, entre otros.

Es necesario cuestionarse si se está diseñando y construyendo edificios

adecuados para minimizar el consumo energético y dependencia de

hidrocarburos. El ciclo de vida de un edi

tiene asociada una importante cantidad de energía consumida en cada una de sus

fases, proyecto, construcción, uso y derribo. Se trata de un proceso dinámico en

que las decisiones tomadas en una fase condicionan la i

en el impacto global.

Figura

Si se intentara clasificar los flujos energéticos presentes a lo largo del ciclo

de vida de una edificación, podríamos hablar en primer lugar de los flujos

asociados a fabricación, transporte, puesta en obra de los materiales de

construcción - e incluso su derribo

sufren variación una vez que están dispuestos en el edificio y forman parte de él, y

que constituyen la mayor parte de ellos la inversión patrimonial

Capítulo I.



hidrocarburos. El ciclo de vida de un edificio, como se muestra en la



que las decisiones tomadas en una fase condicionan la incidencia en las otras y

ura. 1.6.- Ciclo de vida de una edificación.




e incluso su derribo-, que se consideran flujos estáticos, ya que no


n la mayor parte de ellos la inversión patrimonial [López P. 2004]

Capítulo I. - Introducción

17



en la Figura 1.6,



ncidencia en las otras y




, que se consideran flujos estáticos, ya que no


[López P. 2004].


18

Por otro lado estarían los flujos energéticos dinámicos asociados

directamente con el uso y explotación del edificio, que dependerán de su duración

en el tiempo y de la gestión como factor fundamental.

Se trata de flujos energéticos asociados a procesos que pueden

parametrizarse pero que dependen de otras variables también dinámicas para su

cuantificación y evaluación: como el tiempo de duración del proceso, la gestión de

los recursos energéticos y en algunos casos las variaciones de factores externos

como el clima.

Los estudios realizados para medir el peso relativo de cada una de las

fases del ciclo de vida de un edificio, establecen como referencia que entre el 20 y

el 33% del total de la energía que se consume está asociada a los denominados

flujos estáticos y entre el 66 y 80% restante está asociado a la fase de uso y

explotación del edificio, los flujos dinámicos.

El flujo de energía durante la vida útil de un edificio estará relacionado

directamente con los usos energéticos que posea, tales como son el alumbrado, la

climatización, entre otros. De todos estos usos energéticos los que están

directamente relacionados con la habitabilidad de los espacios son en orden

respectivo y de acuerdo al tipo de edificio, la iluminación artificial, entre el 10-20%

aprox., y la climatización con la mayor incidencia de todos los usos energéticos,

entre el 40- 60% según el tipo de edificio.

Durante la vida útil del edificio y en la medida que la arquitectura actúa

como elemento de relación entre el interior y el exterior, se puede hablar de que

éste no es un proceso lineal, sino que se trata en realidad de un balance

energético, entre la energía consumida y la energía que el propio edificio puede

aprovechar del entorno y las condiciones naturales del medio [ASHRAE, 2004].


19

1.1.5.- Diseño bioclimático de edificaciones.

La arquitectura contemporánea busca cada vez con mayor empeño

responder a la moda estética, sin considerar los conceptos mas lógicos y simples

que permiten lograr un espacio vital. En la construcción de casas y edificios se ha

olvidado tomar en cuenta la ubicación del sol, como iluminarlos, como ventilarlos

adecuadamente, como calentarlos cuando hace frio o refrescarlos en tiempo de

calor.

En la actualidad se cuenta con nuevas herramientas de diseño, mejor

tecnología y maneras más rápidas de prever y evaluar el comportamiento de las

edificaciones; sin embargo, muchas de las soluciones técnicas a los problemas

desarrollados en las universidades y en otras instituciones de investigación son

poco conocidas por la sociedad.

Es necesario aprender a ver la arquitectura no sólo como los muros, las

fachadas o la cubierta, sino también como el espacio vital que fluye a través de

ellos y a su alrededor. Para habitarla no basta que sea sólida y económica, debe

ser saludable y agradable, responder al clima y sintetizar la experiencia

constructiva de las generaciones que nos precedieron [Rodríguez M., 2001].

El diseño de edificios debe considerar los aspectos de ahorro de energía,

por ejemplo la utilización de ventanales amplios mirando al sur, esto en el

hemisferio norte y en latitudes medias y altas, para que los días de invierno la

radiación solar caliente los recintos; aplicando un aislante térmico a las superficies

del edificio, especialmente aquellas que componen la envolvente térmica del

edificio, tales como cubiertas, fachadas, forjados, entre otros, para disminuir las

fugas de calor; o instalando paneles solares que aumenten la independencia de la

energía eléctrica.


20

En la Unión Europea existe una normativa aplicable a los edificios similar a

la etiqueta energética de los electrodomésticos. La idea es construir edificios

bioclimáticos encargados de aprovechar la energía del entorno. Desde hace unos

años, y con origen en el centro de Europa, se ha diseñado un sistema capaz de

aportar energía solar para producir tanto calefacción en invierno, como frío en

verano [Parlamento Europeo, 2002].

Cuando se habla de arquitectura bioclimática se está haciendo mención a la

utilización de la energía solar en los edificios, considerando los requerimientos

térmicos y eléctricos, es decir las aplicaciones de la energía solar pasiva. Por lo

que la arquitectura bioclimática puede definirse como aquella que optimiza sus

relaciones energéticas con el entorno medioambiental mediante su propio diseño

arquitectónico. Por lo tanto, la arquitectura bioclimática pretende sentar las bases

para la realización de unos edificios racionalmente construidos, de modo que, con

un consumo mínimo de energía convencional, se mantenga constantemente las

condiciones de confort requeridas. Para ello, deben considerarse unas estrategias

de diseño que aprovechen de forma óptima, las condiciones ambientales del

entorno, como la energía solar disponible, temperatura exterior, dirección

predominante del viento, entre otras condiciones.

Finalmente, en el diseño deben considerarse las técnicas solares pasivas

para conseguir un ahorro energético y un confort térmico, pero a veces con el

diseño solar pasivo no se obtienen los niveles de confort térmico, esa energía

adicional que se necesita puede ser conseguida con el aprovechamiento activo de

la energía solar o por sistemas convencionales. Es decir el empleo de la energía

solar en forma pasiva o activa en los edificios son dos modos complementarios de

aprovechar la energía solar, la dimensión de esta complementariedad depende de

cada proyecto en concreto y así habrá edificios solo pasivos y otros que sean

pasivos y activos a la vez, cualquiera de estas características están englobadas en

el concepto de arquitectura bioclimática [CIEMAT, 2002].


21

1.2.- Revisión bibliográfica.

La revisión de trabajos sobre edificaciones y los estudios realizados para el

análisis del comportamiento térmico con la utilización de programas de simulación

energética fueron divididos en tres temas, los cuales centran la importancia de los

trabajos revisados: en el primer apartado se estudiaron trabajos donde se utilizan

programas de simulación energética y se analizan los resultados obtenidos y la

comparación entre los diferentes programas; en el segundo apartado se analizan

trabajos donde se estudian las características de envolventes de edificaciones,

para observar su comportamiento de acuerdo a los materiales utilizados; por

último, en el tercer apartado se analizan trabajos de estudios realizados a

edificaciones, en los cuales, se utilizan programas de simulación energética y se

proponen alternativas para mejorar el confort al interior. A continuación se

describen cada uno de los apartados mencionados.

1.2.1.- Programas de simulación energética en edifi caciones.

En este apartado se presentan los trabajos relevantes sobre el estudio de

programas de simulación energética en edificaciones, destacando la comparación

que existe entre ellos, así como el desarrollo de métodos de validación de

programas denominados BESTest.

Judkoff y Neymark [1995] desarrollaron un procedimiento cuantitativo para

evaluar, comparar y diagnosticar los programas disponibles de simulación

energética en edificaciones, tales como DOE2, BLAST, TRNSYS, ESP,

SUNCODE, entre otros. A este procedimiento se le denominó BESTest (Building

Energy Simulation Test and Diagnostic Method), para lo cual se desarrollaron

casos específicos para construcciones ligeras y pesadas.


22

Los mejores resultados fueron los obtenidos con DOE2, TRNSYS y BLAST,

de este trabajo se obtienen casos detallados y particularizados en sus

características geométricas y en sus propiedades termofísicas, las cuales se

dividen en dos grupos: casos para baja inercia térmica (CASE 195 al 320) y para

alta masas térmicas (Case 395 al 990). Se obtuvieron diferencias entre los

programas de 27% a 36%, para las simulaciones en los casos de baja inercia

térmica, y para las simulaciones de los casos de alta inercia térmica se obtuvieron

diferencias de 7% a 37% comparando con los resultados de las simulaciones con

los programas utilizados. Esto no es un indicativo que los programas estén dando

resultados correctos o incorrectos, sino que se presentan estas diferencias debido

a los modelos utilizados por cada programa y los algoritmos de cada uno. Los

programas DOE2 y TRNSYS son los mejores programas existentes, esto gracias a

que involucran la mayor cantidad de fenómenos que tienen que ver con la

transferencia de calor.

Blair et al. [1995] demostraron el uso de TRNSYS 14 en la simulación

energética en edificaciones, TRNSYS fue desarrollado por el Laboratorio de

Energía Solar de la Universidad de Wisconsin, Madison en Estados Unidos,

iinicialmente se utilizaba para simulaciones de sistemas térmicos solares. Gracias

a programadores de diversas universidades e institutos en el mundo, se ha

logrado desarrollar herramientas y algoritmos capaces de simular el

comportamiento transitorio de la energía en edificaciones. De igual forma, este

estudio describe el método que utiliza TRNSYS para la simulación de la

transferencia de calor en edificaciones, esto es mediante el método de la función

de transferencia, del mismo modo, el estudio presenta las principales herramientas

que se utilizan en la simulación de edificaciones para la versión de TRNSYS 14.


23

Se describe la manera de modelar de cada uno de los componentes, como

lo son para el TYPE 12, que resuelve la transferencia de energía para un área

simple, mediante el método de una conductancia simple; mientras que el TYPE

19, resuelve la transferencia de calor en una zona simple mediante la función de

transferencia acorde a la ASHRAE, del mismo modo, el TYPE 56 resuelve la

transferencia de calor para una edificación en varios zonas utilizando también la

función de transferencia.

Bansal et al. [1996] desarrollaron un programa de simulación energética

para edificaciones llamado ADMIT, basado en soluciones periódicas que

resuelven las ecuaciones gobernantes de conducción de calor, con la novedad de

la incorporación de sistemas solares pasivos. Realizan simulaciones con TRNSYS

y SUNCODE, y comparan los resultados con los obtenidos de ADMIT, estos

difieren ya que cada programa utiliza los modelos con técnicas matemáticas

diferentes. Se obtuvieron resultados con diferencias menores de 1°C en el caso de

la simulación realizada en edificaciones con aislamiento ligero y sin ventanas. El

principal factor de la diferencia es la radiación solar, debido a los diferentes

modelos que utilizan para resolver la transferencia de calor.

Lam et al. [1999] Desarrollaron un método de diseño simple en términos de

diseños gráficos y monogramas con el cual los ingenieros y arquitectos puedan

evaluar los beneficios relativos de sistemas de iluminación natural para el

mejoramiento de las cargas térmicas en la edificación, tomando en cuenta, por lo

tanto, el comportamiento solar pasivo de la edificación y una adecuada iluminación

con luz natural. Se utilizó el programa DOE2.1 con el objetivo de realizar una base

de datos con los resultados obtenidos. Se estima que los porcentajes de consumo

energético por iluminación en las edificaciones son del 20% al 30% del total.


24

Mientras que el consumo energético por concepto de climatización, ya sea

refrigeración o calefacción, es entre el 40% y el 60% del total del consumo. Por

ello, se busca una herramienta simple para estudiar el comportamiento pasivo de

la edificación.

Zweifel et al. [2001] realizaron un análisis, comparación y validación, de un

nuevo programa de simulación energética en edificaciones desarrollado por la

empresa sueca EQUA, este programa de nombre IDA, considera, dentro de su

modelo de solución de transferencia de calor, la tasa de flujo de aire con respecto

a los cambios en las temperaturas. Se lleva a cabo una simulación de un

BESTest, para una edificación con alta masa térmica, Case 600, los resultados

son comparados con los obtenidos con otros programas de simulación energética

en edificaciones como TRNSYS, DOE2, SUNCODE, BLAST y ESP, los resultados

obtenidos con el programa IDA difiere en ± 1 °C apr oximadamente, con relación a

los resultados obtenidos con los otros programas de simulación energética. Luego

de validar sus resultados, simularon una edificación ubicada en Suecia, con clima

característico de verano, comparando los resultados con los obtenidos con los

otros programas de simulación energética de edificaciones, teniendo resultados

muy similares.

Voeltzel et al. [2001] desarrollaron un nuevo modelo de programa de

simulación energética, llamado AIRGLAZE, para mejorar la predicción del

comportamiento térmico en espacios grandes altamente acristalados. El cual se

basa en un modelo sobre los cálculos de la transferencia de calor por conducción

y radiación en la envolvente del edificio, relacionado con el comportamiento

transitorio del flujo de aire en el interior de la habitación.


25

El modelo desarrollado fue comparado con los resultados obtenidos en la

medición en un modelo experimental de características geométricas y propiedades

termofísicas similares al de la simulación. El porcentaje de relación de ventanas

con respecto a paredes es de 44.36%. Los resultados de la temperatura del aire al

interior de la edificación, calculados comparados con los medidos tuvieron una

diferencia aproximada menores a 0.5°C. La mayor dif erencia se presentó en la

ubicación cercana a la entrada del flujo de aire, con diferencias de 0.52°C y

0.72°C, esto debido a los fenómenos de movimiento d el aire en la entrada de la

edificación y del prototipo experimental.

McDowell et al. [2003] mencionaron que los programas de simulación

energética comúnmente no incorporan la circulación de aire en la modelación y

por ende no explican adecuadamente el efecto de estos factores en los balances

globales. La herramienta utilizada para el análisis del flujo de aire es el CONTAM y

para el análisis de la energía se usa TRNSYS. Se estudian 25 edificios en Estados

Unidos sobre una serie de condiciones de infiltración y ventilación y se señala el

proceso de modelado de los edificios en los dos programas para obtener

finalmente resultados de ambas simulaciones en cohesión. El impacto de la

infiltración en las cargas del edificio varía extensamente dependiendo del clima, de

la construcción de edificios, del horario de operación y de otros parámetros de la

simulación. En segundo lugar, la infiltración tiene un impacto relativo mucho más

grande en cargas de calefacción que en cargas de refrigeración.

Los procedimientos de validación de resultados obtenidos con los

programas de simulación energética de edificaciones, son de gran utilidad cuando

está en desarrollo una nueva versión o actualización de algún programa en

específico. Debido a que las herramientas de validación ayudan a encontrar

errores en códigos y modelos utilizados por los programas.


26

Lo anterior motivó a Kummert et al. [2004] a presentar la aplicación de

diferentes procedimientos de validación existentes durante el desarrollo de una

nueva versión de TRNSYS. Los principales procedimientos utilizados fueron los

BESTest desarrollados por Judkoff y Neymark [1995] sobre edificaciones de

construcción ligera y pesada, con variantes en la geometría de la edificación,

como ventanas, materiales, espesores, entre otros. También fueron utilizados los

BESTest IEA HVAC, que son simulaciones de edificaciones con dispositivos de

calefacción, ventilación y aire acondicionado, estos fueron desarrollados por

Neymark y Judkoff [2002]. Otro de los BESTest utilizados fueron los de validación

empírica, IEA ECBCS desarrollado por Lomas et al. [1994], el cual compara los

resultados obtenidos de mediciones a prototipos con los obtenidos de las

simulaciones para el mismo caso de prototipo con las mismas condiciones

meteorológicas. Se encontraron algunas diferencias entre los resultados de los

BESTest y los obtenidos con la nueva versión de TRNSYS, en las cuales se

identificó que el problema se centraba en los modelos que trataban: la humedad

de la zona, la radiación difusa sobre superficies inclinadas, la radiación difusa del

cielo, la posición del sol, las propiedades ópticas y térmicas de las ventanas y los

marcos, así mismo, algunos errores surgieron por falta de información geométrica

detallada y por diferir los formatos de datos meteorológicos entre TRNSYS y los

otros programas.

Beccali et al. [2004] analizaron algunos programas disponibles para la

simulación energética en edificaciones, se dividen en dos grupos, los que utilizan

el método de diferencia finita, como los programas ESP-R, APACHE-Sim, SERI-

RES, entre otros; y los programas que utilizan el método de las funciones de

transferencia, como son BLAST, TARP, DOE, Energy-Plus, TRNSYS, entre otros.

Se presenta también un programa se nombre THELDA2000, en el cual, se

pueden escoger el orden de las funciones de transferencia y analizar los

resultados obtenidos variando este parámetro.


27

Realizaron una simulación de una edificación ubicada en Italia, y se

comparó con las mediciones realizadas en dicha edificación. Se observó que a

determinado número de orden de las funciones de transferencia se alcanza el

estado estable y así, se obtienen resultados con una mejor aproximación con el

fenómeno real. Se concluye que el número de orden de las funciones de

transferencia debe de ser con el que se alcanza el estado estable, ya que mayor o

menor número de orden de dichas funciones de transferencia hará que la

simulación no se aproxime a los resultados reales.

Mendes et al. [2008] presentaron el programa PowerDomus, el cual integra

dentro de sus opciones, la simulación energética en edificaciones en conjunto con

la utilización de equipos y sistemas de calefacción, ventilación y aire

acondicionado (HVCA systems). El objetivo es evaluar el confort higrotérmico y el

consumo energético en una edificación de 6 pisos, ubicada en Belém, Brasil. Esta

edificación tiene paredes de concreto monolítico de 15 centímetros de espesor,

tiene ventanas de doble acristalamiento y sistemas primarios y secundarios para el

acondicionamiento del interior de la edificación. Se realizó la simulación de dos

casos en particular, el primero es usando sistemas de enfriamiento de agua y la

colocación de serpentines de agua en techo y pisos para lograr un confort térmico

adecuado al interior, y el otro caso, es utilizando solamente la refrigeración del aire

del interior con sistemas de acondicionamiento de aire. En ambos casos las

simulación dio como resultados el consumo energético total de la edificación,

incluyendo la operación de estos equipos, se obtuvo una reducción de 13% en

consumo energético para el uso de enfriamiento de agua en comparación con el

consumo energético con el uso de equipo de enfriamiento de aire, no obstante, al

simular e incluir los sistemas secundarios en el uso del sistema de enfriamiento de

agua, que son las bombas para recircular el agua de los serpentines y algunos

ventiladores, el consumo de energía apenas fue 1.6% menos que el consumido

por enfriamiento de aire.


28

Rode y Woloszyn [2009] promovieron un proyecto que involucra a diversas

instituciones de diversos países para realizar comparaciones de simulación de

casos específicos. Para construcción ligera se tomó el BESTest Case 600 y para

construcción pesada el BESTest Case 900, se analizaron con y sin sistemas

mecánicos de calefacción y refrigeración. Entre los programas considerados

están: TRNSYS, ESP-r, ENERGYPLUS, HAM-TOOLS, CLIM2000, entre otros. Se

realizaron comparaciones con datos experimentales de prototipos. Se obtuvieron

resultados similares para el caso más simple, una edificación monolítica sin

ventanas ni contacto con el suelo. La diferencia entre las comparaciones se debe

a las diversas variaciones de los modelos de transferencia de calor utilizados por

los diferentes programas, así como los modelos que trabajan con los parámetros

de humedad y ventilación. Se siguen realizando estudios para tener un modelo

que de mejores resultados con mediciones experimentales de prototipos

considerando los parámetros de humedad, ventilación y transferencia de calor.

Boukhris et al. [2009] analiza el comportamiento de una edificación

considerando el modelado de la transferencia de calor y el flujo de aire. Se realiza

una simulación con el programa StarCD CFD, el cual está basado en el método de

volumen finito, también se realiza una simulación con el programa ZAER, ambos

resultados de las simulaciones son comparados con los medidos

experimentalmente en un celda de prueba llamada Minibat, desarrollada en el

laboratorio del INSA, en Lyon, Francia. La edificación simulada, está compuesta

de dos habitaciones. Los resultados obtenidos y comparados, difieren entre si en

un máximo de 1.07 °C para uno de los cuartos y la m áximas diferencia para el otro

es de 0.6 °C. La diferencia entre los valores de la s temperaturas medidas y

simuladas, pueden deberse a los valores de los coeficientes convectivos de las

paredes. La colocación de un muro trombe, como un componente solar pasivo, es

un componente de calefacción eficiente en las condiciones de invierno de la

edificación.


29

1.2.2.- Características de envolventes en edificaci ones.

A continuación se presentan trabajos sobre el tema de envolventes en

edificaciones, estos son de vital importancia debido a que esta es la parte más

expuesta a la radiación solar y por ende, son las que obtienen mayor ganancia de

calor hacia el interior de las edificaciones.

Asan [1998] realiza un estudio numérico para analizar el tiempo de retraso y

el factor de decremento en materiales de construcción de paredes, madera y

ladrillo, aplicando tres diferentes aislantes, espuma de poliuretano, corcho y

madera, en cuatro diferentes posiciones sobre la pared. Resolvieron la ecuación

de conducción de calor unidimensional en estado transitorio para encontrar el

tiempo en que la onda de calor se propaga de la superficie exterior a la superficie

interior, esto es el tiempo de retraso, y la disminución de la amplitud del tiempo de

retraso durante la propagación de la onda de calor es el factor de decremento. Se

obtuvo un tiempo de retraso cercano a 15 horas con un factor de decremento de

0.004, para la configuración aislante-pared-aislante, siendo la pared de madera y

el aislante espuma de poliuretano, con una relación de 10% de aislante y 90% de

pared, con un espesor de 20 centímetros en total.

Saravia y Morillón [1998] presentan un estudio climático de la ciudad de El

Salvador y hacen recomendaciones para el diseño arquitectónico de elementos de

control solar, esto con el fin de lograr edificaciones energéticamente más

eficientes en las condiciones de clima cálido-húmedo de ese país. En el estudio se

determinan los ángulos óptimos de aleros y las orientaciones de ventanas más

convenientes para minimizar el uso de sistema activos de climatización y así lograr

una mejor adecuación de los edificios al ambiente energético, que lleve a

aumentar las condiciones de confort térmico de los usuarios.


30

Se concluye que para lograr confort sin necesidad de gastar en energía

eléctrica se debe tomar en cuenta la ubicación geográfica y las ganancias de calor

provenientes de ventanas o zonas expuestas al sol en las construcciones a futuro.

Asan y Sancaktar [1998] realizaron un trabajo donde estudiaron como

influyen los efectos de las propiedades termofísicas, la capacidad calorífica y la

conductividad térmica, en los tiempos de retraso y los factores de decremento. Se

analizaron distintos materiales utilizados comúnmente en la construcción de

edificaciones. Se obtuvieron resultados de tiempos de retraso grandes para el

asbesto, caucho, asfalto y granito, esto debido a que tienen muy baja

conductividad térmica y alta capacidad térmica, por lo cual la conducción de la

onda de calor es lenta y el poder calorífico de la masa térmica es alto, reduciendo

así su factor de decremento. La geometría de estudio fue una pared con 14

centímetros de espesor sin aislante. El mayor tiempo de retraso lo obtuvo la pared

de asbesto con 1.23 horas

Asan [2000] realiza un estudio en donde tiene diferentes configuraciones

geométricas de pared-aislante, y también diferentes espesores. Los resultados

obtenidos fueron una configuración óptima pared-aislante-pared-aislante-pared,

con espesores de dos centímetros en cada capa de aislante y cinco centímetros

de espesores en las paredes exterior e interior, y en la pared de en medio con 10

centímetros de espesor, alcanzo tiempos de retraso mayores a 11 horas y factores

de decremento de 0.01 aproximadamente. Esta configuración es muy complicada

de elaborar en la construcción, por lo tanto, se analizó la configuración que más se

facilita en la construcción, esta es una pared compuesta por pared-aislante-pared-

aislante, la cual obtuvo tiempo de retraso alto de aproximadamente 10.5 horas,

con un factor de decremento pequeño, los espesores de la pared fueron de 10

centímetros y del aislante de 2 centímetros cada uno respectivamente.


31

Papadopoulos [2004] realiza un estudio de las dos principales

clasificaciones de aislante disponibles, estos son los aislantes inorgánicos

fibrosos, principalmente lana de vidrio y lana de roca, que abarcan el 60% del total

de productos aislantes vendidos en el mercado; la otra clasificación de los

materiales aislantes son los materiales orgánicos espumosos, como el poliestireno

extruido, poliestireno expandido y la espuma de poliuretano, este grupo tiene el

27% del total de materiales aislantes vendidos en el mercado. En esta

investigación analizan las propiedades termofísicas de los materiales aislantes, así

como su aplicabilidad y costos. Como resultado del análisis y comparación de

estos elementos se tiene que, para los materiales inorgánicos fibrosos es

recomendable reducir las emisiones de polvo y fibras, mientras que en los

materiales orgánicos espumosos son varios los aspectos a mejorar, como son: la

eliminación del uso de los CFC´s y HCFC´s en los procesos de producción de

estos materiales. Utilizar aditivos en el caso del poliestireno extruido y expandido,

para mejorar su reacción al fuego, mientras que en la espuma de poliuretano es

necesario atender los gases tóxicos que resultan en caso de incendio. Por último,

se realizó un listado de los puntos clave que debe poseer un material aislante

óptimo, estos son: tener propiedades que no pongan en riesgo la salud pública ni

afecten el medio ambiente, facilidad de manejo para el personal de construcción

de obras, que sea rentable y tenga un buen rendimiento con respecto a la

transferencia de calor.

Karlsson y Moshfegh [2005] presentan un estudio en el cual comparan los

resultados obtenidos en la simulación de la vivienda, ubicada en Gothenburg,

Suecia, con los obtenidos en las mediciones realizadas a dicha vivienda. La

vivienda es de tipo baja energía, en el cual tiene aislamiento en su envolvente. El

programa utilizado para realizar las simulaciones fue ESP-R. Con los resultados

obtenidos se concluyó que el decremento en un grado centígrado al interior de la

vivienda incrementa el consumo energético en 200 kWh por año.


32

Por lo tanto, se analizan técnicas de diseño pasivo, como la colocación de

ventanas de triple acristalamiento, orientación de las ventanas, el espesor del

aislante en la envolvente, entre otros factores que pueden ayudar a mantener el

interior de la vivienda con temperaturas de confort. Finalmente, en condiciones de

invierno se pretende mantener cálido el interior mediante sistemas pasivos en la

arquitectura de la vivienda, mientras que en condiciones de verano, el confort

térmico se logra con solo tener una ventilación adecuada.

Perez-Lombard et al. [2007] realiza un estudio donde investiga el consumo

energético de las edificaciones. Analiza que la contribución global de los edificios

hacia el consumo de energía, tanto residencial como comercial, ha aumentado

llegando a cifras entre 20% y 40% en los países desarrollados, y ha superado los

demás sectores principales: la industria y el transporte. El crecimiento de la

población, la demanda creciente de servicios de construcción y los niveles de

confort, junto con el aumento en el tiempo dedicado dentro de los edificios,

asegura la tendencia al alza en la demanda de energía en el futuro. A la par del

crecimiento del consumo energético, están las emisiones de CO2. El panorama

energético indica una diminución de las fuentes no renovables de energía y un

aumento en el consumo energético, por lo que se espera la utilización de nuevas

tecnologías de producción de energía mediante energías renovables en las

edificaciones.

Gregory et al. [2007] analizan diferentes tipos de paredes con diferentes

tipos de configuración en la viviendas, esto con la intención de analizarlas

numéricamente con el herramienta numérica desarrollada por la Australian

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) de

nombre AccuRate. Se tuvieron 4 configuraciones de las ventanas y paredes en

edificaciones, y se suponen 4 diferentes materiales para las paredes, estos son:

ladrillo hueco, ladrillo revestido, ladrillo revestido interior y ladrillo de peso ligero.


33

El programa da como resultado una calificación que especifica la eficiencia

energética, para esta región, una calificación de 5 a 6 es adecuada, ya que

calificaciones mayores, supone un ahorro de energía pero un bajo nivel de confort

al interior. Finalmente se tiene que la configuración de la vivienda con ventana en

su pared y dos paredes interior de ladrillo revestido inverso es la mejor

configuración, ya que presenta una alta calificación de eficiencia energética y un

confort térmico al interior óptimo.

Flores et al. [2009] analizaron el comportamiento de la transferencia de

calor en paredes, para dos tipos de paredes específicamente, la primera de

ladrillo, y la otra es una pared compuesta de ladrillo cerámico, poliestireno

expandido y ladrillo macizo. Se analizan con métodos analíticos, como son el

cálculo del tiempo de retraso y el factor de decremento, el modelo de losa

armónica calentada y el método Athanassouli, además también se realizó el

estudio con un programa de simulación energética, de nombre SIMEDIF. Las

condiciones climáticas a las que se expone la pared, son las propias a la ciudad

de la Pampa, Santa Rosa, en Argentina. Como resultados de estos estudios, se

determinó el espesor óptimo de una pared para viviendas específico para esta

región, siendo la pared compuesta con un espesor de 0.18 metros la más

adecuada para mantener condiciones de confort al interior de una vivienda.

Aste et al. [2009] realizaron un estudio de simulación energética a una

edificación tipo, con los datos meteorológicos de la ciudad de Milán, Italia. El

programa con que se realizaron las simulaciones fue EnergyPlus, se tuvieron 6

diferentes sistemas de construcción, en los cuales se tienen los mismos valores

del coeficiente global de transferencia de calor U, pero diferentes propiedades

físicas de los materiales utilizados, dando esto como resultado, paredes de alta

inercia y baja inercia térmica.


34

Se realizó un estudio de variación de parámetros, estos son: la tasa de

ventilación al interior, colocación de dispositivos de sombreado, consideración de

sistemas de ventilación, calefacción y aire acondicionado, entre otros parámetros.

Las simulaciones de los 6 diferentes sistemas de construcción dan como resultado

una diferencia en la demanda energética de 10% entre los muros de baja inercia y

alta inercia térmica, para los casos de calefacción; del mismo modo, se presenta

una diferencia de cerca de 20% en el consumo de energía para la refrigeración del

espacio interior entre los muros de baja inercia y alta inercia térmica, esto en el

caso de la refrigeración. Se concluye que la inercia térmica es cada vez más

importante en las soluciones eficaces que proporcionan un ahorro de energía.

1.2.3.- Estudios de simulación energética en edific aciones.

Las edificaciones vidriadas son consideradas como construcciones de tipo

ligeras, ya que su masa térmica es baja, por lo cual permite mayor transferencia

de calor, lo que puede beneficiar en algunas regiones o perjudicar. Por ello, es

importante su análisis y estudio para las regiones donde se pretende edificar, o en

su caso proponer alternativas para mejorar su comportamiento térmico al interior.

Shariah et al. [1998] realizaron un estudio considerando la absortancia en

las superficies externas, para ello simularon dos edificaciones de construcción

ligera y pesada, mediante TRNSYS, tomando en cuenta las ganancias de calor en

paredes y techo. De los resultados destacan que el uso de pinturas claras, como

el color blanco, y un aislante de cinco centímetros de espesor se obtienen

disminuciones de las cargas térmicas de refrigeración y calefacción de un 60% en

las construcción ligeras, y de un 66% en las construcciones pesadas

aproximadamente. Se observó que la absortancia afecta directamente a los techos

y que la ganancia de calor por absortancia en las paredes es mínima y puede

despreciarse.


35

De la misma manera se realizaron diversas simulaciones considerando la

variación de la absortancia, el color del techo y aislantes en paredes y techos, con

el objetivo de reducir las cargas térmicas, de las cuales se obtuvo un espesor

óptimo de aislamiento para los techos y reducir las ganancias de calor debido a la

absortancia

Datta [2001] realizó un estudio sobre el efecto de dispositivos de

sombreado sobre las cargas térmicas en una edificación con una alta relación de

ventanas con respecto a sus paredes. Utilizó lamas para el sombreado de las

ventanas y simuló su comportamiento variando dos parámetros: el primero fue la

relación entre la distancia vertical entre lamas y la longitud de la lama, el segundo

parámetro fue el ángulo de inclinación de las lamas. Se realizó la simulación para

cuatro diferentes ciudades de Italia, en dos tipos de clima, templado y cálido,

dando como resultado la posición óptima de las lamas para cada edificación en

cada tipo de clima. La simulación fue realizada en TRNSYS y se analizó el

impacto de las lamas sobre las cargas térmicas de refrigeración y calefacción,

dando como resultado una disminución en el consumo energético para

climatización en las edificaciones.

Álvarez et al. [2002] analizaron una edificación con el programa se

simulación energética TRNSYS, obteniendo las cargas térmicas de refrigeración y

calefacción, el edificio es de construcción pesada, una vez teniendo los resultados

de las simulaciones del edificio, se simuló la misma edificación cambiando la

orientación de su eje alargado, originalmente orientado en dirección oeste-este,

comparando los resultados obtenidos, dando como resultado que la orientación

original es la adecuada, ya que presenta un ahorro de 20.03% en las cargas

térmicas de refrigeración y calefacción, con respecto al eje orientado en dirección

norte-este, esto como resultado de una menor incidencia de la energía solar en las

paredes, siendo la diferencia de la incidencia recibida en las paredes de 2.9 kJ


36

Pujol et al. [2006] presentaron un trabajo donde analizaron las posibles

acciones a implementar en una edificación, que por su diseño tiene altas

ganancias de calor en verano y viceversa en invierno, esto debido a su fachada

vidriada y la mala orientación de la misma. Mediante el uso de TRNSYS simulan

10 posibles acciones para implementar en la edificación, algunas acciones son

buenas para la época de verano, ya que disminuyen las ganancias de calor, pero

incrementan la necesidad de cargas de calefacción para invierno. Otras acciones

son óptimas para invierno pero no para verano. Finalmente, se logró una acción

que permite ser utilizada en verano, disminuyendo las cargas de refrigeración, y

no afecta en invierno. Esta acción consiste en colocar una cortina móvil en la

fachada, que será utilizada en verano, y removida en invierno. Con esta acción se

logra reducir un 33% el consumo energético por cargas de refrigeración.

Norton y Christensen [2006] realizaron un trabajo con el apoyo del

departamento de energía de Estados Unidos, DOE. El objetivo fue diseñar una

casa de bajo consumo energético con los menores costos posibles para

construirla en la ciudad de Denver, Colorado. Para esto, utilizaron los programas

de simulación energética DOE2 y TRNSYS. Los parámetros a variar en el diseño

de la vivienda son: la orientación de la fachada, el tamaño y la ubicación de las

ventanas, tipos de vidriado de las ventanas, los materiales de la pared y techo,

aislantes a utilizar. El resultado obtenido fue un diseño óptimo de una vivienda con

los materiales propios de la región y de bajo costo, como son la madera para los

techos y pared. El aislante a utilizar fue la fibra de vidrio. También se simularon los

dispositivos para la calefacción de agua y la calefacción del interior de la vivienda.

Mediante colectores solares se pretende calentar el agua para el consumo, con un

área de 96 pies cuadrados de colectores sobre en el techo. La calefacción de la

vivienda fue un sistema hibrido, donde se utilizará el gas natural y celdas

fotovoltaicas para la obtención de energía.


37

Bouden [2006], realizó un trabajo extenso sobre la influencia de las paredes

vidriadas en el consumo energético de una edificación administrativa en Túnez.

Mediante el uso del programa TRNSYS se simuló la edificación con diferentes

relaciones de áreas de vidriado sobre la pared, del 20% al 90% del área total. Así

mismo, también simuló variando el tipo de vidrio, utilizando vidrios reflejantes,

vidrios de baja emisividad, doble vidrio, vidrios claros, entre otros tipos. Dando

como resultado que una pared vidriada puede funcionar mejor que una pared de

ladrillo con 20% de ventanas en su área, teniendo los vidrios adecuados. Para el

caso de la edificación seleccionada, la pared de vidrio adecuada es la que usan

vidrios inteligentes, ya sean reflejantes o de baja emisividad.

Bahaj et al. [2007] realizaron un estudio de las nuevas tecnologías de

vidrios disponibles y las que aun están en estudio. Para esto, simularon dos

edificaciones ubicadas en Dubai, Arabia Saudita, estos son los hoteles Jumeirah

Beach y Burj-al-Arab. El primero tiene un diseño de una vela de barco, por lo que

no en todo el edificio recibe la misma radiación solar. Mismo caso para la segunda

edificación, el hotel Burj-al-Arab, que tiene forma similar a una ola por lo que las

pendientes de inclinación de los techos difieren entre los niveles. Estos edificios

fueron simulados mediante el programa TRNSYS, variando las características del

vidrio con las tecnologías existentes, tales como: vidrios reflejantes, vidrios

electrocrómicos, vidrios fotovoltaicos, vidrios con elementos ópticos holográficos,

entre otros. Los resultados obtenidos fueron que para ambos edificios se logra una

disminución en el consumo energético de hasta 49% utilizando vidrios

electrocrómicos tintados. Aunque la eficiencia de los vidrios electrocrómicos es

buena, tiene una desventaja sobre el efecto que provoca en la iluminación, ya que

transforma la luz solar en una luz con tono color azul. Actualmente, se estudian

nuevas tecnologías en vidrios, la más importante está siendo desarrollada por

Lawrence Berkeley National Laboratory, quienes están desarrollando vidrios a

base de aerogel, esta tecnología promete disminuir en un 7% más el consumo

energético que los vidrios electrocrómicos, sin la desventaja de la iluminación.


38

Wang et al. [2009] diseñaron mediante la utilización de programas de

simulación energética, como TRNSYS y ENERGYPLUS, una vivienda de energía

cero para la ciudad de Cardiff en Reino Unido. Logrando obtener un diseño óptimo

que incluye los sistemas mecánicos y pasivos para la generación de la energía

que se consumirá. Los parámetros a variar dentro de las simulaciones fueron:

orientación de las paredes, la relación de ventanas en las paredes, materiales de

las paredes, techos y ventanas, principalmente. Con la ayuda de la simulación se

obtuvieron las características óptimas de los equipos mecánicos para generación

de energía necesaria en la edificación, así como también para la calefacción y el

calentamiento de agua. Entre los sistemas que incluyeron en el diseño fue una

turbina de viento, celdas fotovoltaicas, y colectores solares

Taleb y Sharples [2010] realizaron un estudio donde analizaron una

edificación de departamentos comunes de la localidad de Jeddah, la cual presentó

un consumo energético anual de 146.372 kWh y una emisión de CO2 anual de 101

toneladas; realizando algunas mejoras en el diseño del edificio, tales como: un

aislamiento en paredes y techo de 100 mm de espesor de espuma de poliuretano,

uso de doble acristalamiento en las ventanas, utilización de lámparas

fluorescentes en el 70% de la edificación, colocación de protecciones solares en

las ventanas, voladizo y aletas laterales, se logró la reducción de la carga anual de

consumo energético en un 32.4%, con un total de 98.992 kWh y un total de

emisiones de CO2 de 69 toneladas. Adicionalmente, si se aprovecha la irradiación

solar incidente y el techo del edificio, y se colocan paneles solar fotovoltaicos, se

generaría 10% adicional del consumo eléctrico de la edificación.

Assem y Al-Mumin [2010] realizaron una investigación para edificios

vidriados de oficinas en Kuwait. Usaron el programa de simulación energética en

edificaciones ENERGYPLUS para la simulación de los edificios variando los tipos

de vidriado para encontrar los más recomendables para reducir las cargas

térmicas de refrigeración, sin afectar la iluminación.


39

La principal propiedad de los vidrios utilizados es la transmitancia de la luz,

en un rango del 20% al 57%. Las simulaciones realizadas fueron con vidrios de

tipo: doble claro de baja emisividad, de baja emisividad tintado, de baja emisividad

reflectivo, entre otros. Los resultados obtenidos fueron una disminución en el

consumo energético por cargas térmicas de refrigeración de 6.8% para el vidrio

doble claro, de 15.5% para el vidrio de baja emisividad tintado y de 27.5% para un

vidrio de baja emisividad reflectivo. Así mismo, se simuló la utilización de equipos

de refrigeración con diferentes rendimientos. Para equipos de refrigeración por

aire, el rendimiento debe ser mínimo de 2.2; y para sistemas de refrigeración por

agua, el rendimiento mínimo de 4.7. Utilizando equipos de recuperación de calor

de se puede reducir un 18% la demanda energética para equipos de refrigeración

por aire y un 15% para los equipos de refrigeración por agua. La recomendación

principal para los edificios de esta localidad, es utilizar un vidrio de baja emisividad

con una transmitancia mínima de 40% para no afectar la iluminación del interior

del edificio, con un valor de SHGC de 0.4 para reducir la ganancia de calor en el

interior. También se recomienda tener dispositivos exteriores para una proyección

de sombreado de un metro de profundidad al interior, esto generará una

disminución de aproximadamente 9% en las cargas de refrigeración.

Álvarez et al. [2010] realizaron un estudio donde compararon las

temperaturas obtenidas con la simulación con el programa TRNSYS y los valores

medidos en una sala de reuniones de una edificación ubicada en la Plataforma

Solar de Almería en el desierto de Tabernas, España. El objetivo principal era

describir el comportamiento térmico en evolución libre y comprobar su rendimiento

térmico con los datos medidos. Las variables climáticas de entrada para la

simulación fueron la radiación solar, la temperatura de bulbo seco, la humedad

relativa y la velocidad del viento registrada por una estación meteorológica

instalada en la parte superior del edificio. Las temperaturas difieren con un

porcentaje máximo de 4.51%, lo que equivale a una diferencia máxima de 0.6°C.


40

1.3.- Justificación.

Con base en la revisión bibliográfica, el panorama actual de los estudios

relacionados con los programas de simulación energética en edificaciones

avanzan a la par de las necesidades de ahorro de energía, los programas cada

vez más incluyen modelos detallados para tomar en cuenta la mayor cantidad

posible de variables que afectan la transferencia de calor.

De los programas analizados, TRNSYS presenta resultados muy cercanos

a los obtenidos con mediciones experimentales, esto debido al modelo que utiliza

para la solución de las ecuaciones de transferencia de calor, en las que incluye un

amplio número de variables que afectan directamente.

Con relación a los estudios de envolventes en edificaciones se presentan

estudios referentes a los tiempos de retraso y factores de decremento de

materiales de alta masa térmica principalmente, pero se tienen pocos trabajos

reportados sobre estudios con materiales con baja masa térmica, como lo son los

que cuentan con envolvente vidriada en diferentes tipos de climas.

Los análisis de consumo energético se realizan principalmente en

edificaciones de construcción pesada, poco hay reportado en la literatura sobre

análisis en edificaciones de construcción ligera, principalmente en edificios

vidriados, ya que son prácticamente diseños modernos. Por ello, es de vital

importancia el estudio de consumo energético en edificaciones vidriadas. Los

pocos estudios reportados coinciden en la utilización de vidrios adecuados para

las condiciones medioambientales en la que se ubican, así como el diseño de

edificaciones con métodos pasivos, con esto, se busca tener una edificación con

un consumo energético bajo y condiciones de confort óptimas al interior.


41

Se concluye entonces, que con base en la revisión bibliográfica existe una

investigación y búsqueda continua para obtener mejoras en las condiciones

térmicas al interior de las edificaciones mediante técnicas solares pasivas, y así,

disminuir el consumo energético necesario para climatizar el interior con

dispositivos mecánicos, ya sean de refrigeración, calefacción, ventilación, entre

otros. Se observa que se obtienen importantes ahorros de energía en edificios

utilizando un diseño bioclimático.

Teniendo un diseño apropiado el comportamiento pasivo del edificio

contribuirá disminuyendo las ganancias de calor al interior, o aumentando las

ganancias de calor al interior, según sea el caso necesario, dadas las condiciones

climatologías propias del lugar. Esto justifica estudios de ahorro energético para

edificaciones. En México son pocos los trabajos reportados sobre estudios de

edificaciones utilizando programas de simulación energética, más aún, reportes de

trabajos realizados con edificaciones vidriadas, de ahí la importancia y justificación

de la realización de este trabajo.

1.4.- Objetivos.

Se tiene un objetivo general para la realización de este trabajo, así mismo,

se cuentan con objetivos particulares los cuales permitirán y facilitaran un buen

desarrollo del mismo.

1.4.1.- Objetivo general.

Realizar un estudio de las cargas térmicas de una edificación vidriada y de

geometría única ubicado en la Ciudad de México usando el programa de

simulación energética TRNSYS, para evaluar su habitabilidad y proponer

alternativas que permitan alcanzar el confort al interior del edificio.


42

1.4.2.- Objetivos particulares.

• Estudiar y comprender los procesos de transferencia de calor en

edificaciones.

• Manejo y familiarización del programa de simulación energética TRNSYS

16.

• Evaluación las cargas térmicas para el periodo de un año de la edificación.

• Estudiar las alternativas para mejora del consumo energético en

edificaciones.

• Proponer alternativas para mejorar el consumo energético en la edificación

a estudiar.

1.5.- Alcance.

Realizar un estudio de la demanda energética de una edificación vidriada

en la ciudad de México, D. F. utilizando el programa de simulación energética en

edificaciones TRNSYS y proponer alternativas que permitan alcanzar el confort al

interior del edificio, usando un mínimo de consumo energético.

Capítulo II.- Fundamentos Teóricos

43

Capítulo II.- Fundamentos Teóricos.

Para llevar a cabo la realización de este estudio, así también, para una

mejor comprensión en los métodos de solución utilizados en el programa de

simulación TRNSYS, es necesario tener el conocimiento adecuado sobre los

conceptos y bases teóricas que rigen la transferencia de calor, para esto, en este

presente capítulo se presentan los fundamentos teóricos.


44

2.1.- Transferencia de calor.

La transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia

de temperatura entre cuerpos o medios diferentes, la cual se puede llevar a cabo

mediante diferentes procesos. Cuando existe un gradiente de temperatura en un

medio estacionario, que puede ser sólido o un fluido, se utiliza el término

conducción para referirnos a la transferencia de calor que se producirá a través del

medio. En cambio, el término convección se refiere a la transferencia de calor que

ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes

temperaturas. Otro modo de transferencia de calor se denomina radiación térmica.

Todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas

electromagnéticas. Por tanto en ausencia de un medio, existe una transferencia

neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas

[Incropera, 1999].

2.1.1.- Mecanismos de transferencia de calor.

A continuación se hace una revisión de algunos aspectos del fenómeno de

transferencia de calor que tienen un papel importante en el funcionamiento de

sistemas solares y en el aprovechamiento pasivo de la energía solar en una

edificación.

2.1.1.1.- Conducción.

La transferencia de calor por conducción, es la transferencia debida a la

actividad molecular que ocurre básicamente a través de sólidos. Cuando las

primeras moléculas se calientan, su energía en forma de calor se transfiere a las

moléculas adyacentes. Cuando se aplica calor, por ejemplo, en un punto extremo

de una barra metálica, aumenta la actividad molecular y la temperatura en el lugar

de aplicación de calor.


45

Este aumento de actividad es transferido a las moléculas adyacentes, de

forma que la temperatura se irá incrementando progresivamente a lo largo de la

barra. Algunos materiales, por mencionar a los metales, son buenos conductores

de calor, y otros, como los materiales orgánicos, son malos conductores de calor.

El grado con el cual se transmite calor a través de un material depende de

la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el material que es afectado

por esta energía térmica, o entre uno y otros puntos de un mismo cuerpo o

material, además de la conductividad térmica de éste, de su espesor y del área

expuesta.

Cuando otro objeto es puesto en contacto físico con un material caliente el

calor se transfiere directamente al objeto por conducción, mientras el flujo de calor

se detiene cuando ambos objetos o cuerpos alcanzan la misma temperatura

interna.

El flujo de energía calorífica por conducción se puede calcular a través de la

ecuación siguiente:

�� = ��∆� (2.1)

Donde:

Qc = Flujo de energía calorífica por conducción [W]

C = Conductancia del material � = �/ [W/m2 °C]

K = Conductividad térmica del material [W/m °C]

B = Espesor del material [m]

A = Área expuesta al flujo de calor [m2]

∆T = Diferencia de temperatura [°C]


46

En la Figura 2.1 se ilustra el esquema en el cual se representa la

conducción de calor en cuerpos homogéneos:

Figura 2.1. Conductividad en un cuerpo homogéneo.

Para elementos constituidos por varios materiales, deberán sumarse las

resistencias individuales de cada material, es decir:

�� = �1 + �2 + �3+. . . �� (2.2)

�� = 1/�1 + 2/�2 + 3/�3+. . . �/�� (2.3)

De forma que la conductancia será igual al reciproco de la resistencia total:

� = 1/ �t (2.4)

2.1.1.2.- Convección.

La convección, es la transferencia de calor entre líquidos y gases, lo cual da

como resultado el movimiento del fluido. Cuando se aplica calor a un recipiente

con agua, la porción de agua que se halla en contacto con el fondo del recipiente

es calentada por conducción, se expande y se vuelve menos densa que el agua

superior, por lo cual tiende a subir.


47

El fluido más denso y frío reemplazará al más caliente y menos denso que

sube, con lo cual se crea una circulación convectiva. El grado o magnitud del flujo

depende principalmente de las diferencias de densidad producidas por las

diferencias de temperatura. Debido a esta circulación convectiva, eventualmente

se calentará toda el agua del recipiente, de modo que se producirá un calor

uniforme; por lo tanto, la convección implica también un proceso de mezclado.

Cuando el proceso de transferencia de calor ocurre entre un medio sólido y

un fluido, la magnitud del flujo de energía calorífica depende del área superficial

expuesta, de la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido y de un

coeficiente convectivo (hc), que a su vez depende de la viscosidad, de la velocidad

del fluido y de la configuración física y textura de la superficie, la cual determinará

si el flujo del fluido será laminar o turbulento.

El flujo de energía calorífica por convección se puede calcular por medio de

la ecuación 2.5:

�� = h��∆� (2.5)

Donde:

�� = Flujo calorífico por convección superficial [W]

h� = Coeficiente convectivo [W/m2 °C]

A = Área superficial expuesta [m2]

∆� = Diferencia de temperatura entre la superficie y el aire [°C]

La convección también se presenta en la ventilación, es decir, a las

pérdidas o ganancias de energía calorífica por intercambio de aire entre el exterior

y un espacio, ya sea por infiltración o por ventilación deliberada.


48

La magnitud de flujo de energía calorífica por ventilación se establece

mediante la ecuación 2.6:

�� = 1200 �∆� (2.6)

Donde:

�� = flujo calorífico por ventilación [W]

1200 = calor específico volumétrico del aire [J/m3 °C]

� = tasa de ventilación [m3/s]

∆� = Diferencia de temperatura entre el interior y el exterior [°C]

En la Figura 2.2 se ilustra el mecanismo de convección superficial:

Figura 2.2. Convección superficial.

2.1.1.3.- Radiación.

La transferencia de calor por 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 un medio de transporte. Dado que la

transferencia de energía por radiación ocurre dentro de un amplio espectro de

longitud de onda, se hará referencia a la radiación térmica como aquella que es

emitida por cualquier cuerpo cuyas moléculas han sido excitadas por energía

térmica.


49

La transferencia de calor por radiación se produce por la conversión de

energía térmica en energía radiante. La energía radiante viaja hacia fuera del

objeto emisor y conserva su intensidad, hasta que es absorbida y reconvertida en

energía térmica por un objeto receptor.

La energía radiante reflejada por un objeto no contribuye a su ganancia de

calor. 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 radiación emitida por un objeto es proporcional a la cuarta

potencia de su temperatura, es decir, si la temperatura (Kelvin) del cuerpo emisor

se incrementa al doble, la intensidad de radiación aumentará 16 veces.

La intensidad de energía radiante recibida por un objeto depende de lo

siguiente:

· De la distancia de la fuente de energía radiante: la intensidad de radiación

recibida varía inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la

fuente y el receptor (I= l/d2).

· 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.

· De la temperatura del cuerpo radiante y del receptor; al cumplir con la

segunda ley de la termodinámica; si ambos cuerpos tienen la misma

temperatura no habrá transferencia de energía.

· De las cualidades de absortancia (α) y emitancia (ε) de las superficies.


50

En la Figura 2.3 se observa el mecanismo de radiación.

Figura 2.3. Radiación superficial.

El flujo de calor por radiación queda definido por la ecuación 2.7.

�� = ℎ��∆� (2.7)

Donde:

�� = Flujo de calor por radiación [W]

ℎ� = Coeficiente de radiación [W/m2 °C]

� = Área superficial expuesta [m2]

∆� = Diferencia de temperatura entre la superficie y el aire [°C]

Si se conoce la densidad del flujo radiante incidente (G) el calor absorbido

por la superficie será:

�� = ��α (2.8)

Para superficies vidriadas (translúcidas o transparentes), expuestas al sol

(cuerpo radiante).

�� = �� (2.9)


51

Donde:

�� = Flujo de calor por radiación [W]

� = Densidad de energía radiante incidente [W/m2 °C]

� = Área superficial expuesta [m2]

α = Absortancia del material

� = Factor de ganancia solar

Cuando la radiación solar incide sobre una superficie transparente, parte de

esta energía es reflejada, parte transmitida y otra parte absorbida por el material,

en la Figura 2.4 se describe este proceso. Así la relación entre estos tres factores

de energía es:

α + τ + ρ = 1 (2.10)

Donde:

α = Absortancia

τ = Transmitancia

ρ = Reflectancia

Figura 2.4. Características de un cuerpo opaco y un cuerpo transparente como receptores de

energía radiante.


52

El calor absorbido por el vidrio o el material transparente será re-emitido

como sigue: Una parte hacia el interior y otra hacia el exterior. El factor de

ganancia solar, es igual a la suma de la radiación transmitida, más la proporción

de energía absorbida que se re-emite al interior:

� = τ + ε! (2.11)

Aunque en términos generales se puede considerar como:

� = τ + (α

") (2.12)

2.1.1.4.- Transmisión aire a aire.

Al analizar la transferencia de calor entre el aire y un cuerpo, o viceversa,

es conveniente combinar las componentes convectivas superficial y radiantes en

un solo coeficiente de conductancia superficial:

� = ℎ# + ℎ� [W/m2 °C] (2.13)

El reciproco de la conductancia superficial es la resistencia superficial (1/f),

de tal forma que si se suman estas resistencias a la resistencia total de un

elemento, se obtendrá la resistencia total aire a aire, como se observa en la Figura

2.5, así:

�� = 1/�$ + Rt + 1/�& (2.14)

�� = 1/�$ + 1/'1 + 2/'2 + 3/'3 + . . . n/'n + 1/�& (2.15)


53

Donde:

�� = Resistencia aire a aire [m2 °C/W]

1/�$ = Resistencia superficial interna [W/m2 °C]

Rt = Resistencia del cuerpo u objeto [m2 °C/W]

1/�& = Resistencia superficial externa [W/m2 °C]

Figura 2.5. Transmisión aire a aire.

El inverso de la resistencia es la transmitancia térmica, comúnmente

conocido como coeficiente de transmisión. Bajo este nuevo concepto, el flujo de

energía calorífica por conducción a través de muros u otros elementos

constructivos es:

�# = )�∆� (2.16)

Donde:

∆� = �* − �! [°C]

T* = temperatura del aire exterior [°C]

T! = temperatura del aire interior [°C]

La diferencia de temperaturas corresponde a la diferencia existente en el

aire, y no a la de las superficies.


54

2.1.1.5.- Balance térmico.

Se define balance térmico como un estudio que determina la eficiencia de

un sistema termodinámico, las transferencias de calor y las pérdidas de calor. Con

esta información, es posible determinar si es factible hacer alguna modificación en

el sistema, con el objetivo de mejorar la eficiencia, lo que se traduce en ahorro de

energía.

Existe balance térmico cuando en un recinto o habitación, la suma de todos

los flujos de calor es igual a cero:

�- + �$ ± �� ± �� ± �. – �& = 0 (2.17)

Donde:

�- = ganancia solar

�$ = ganancias internas

�� = ganancias o pérdidas por conducción

�� = ganancias o pérdidas por ventilación

�. = ganancias o pérdidas por sistemas mecánicos

�& = pérdidas por enfriamiento evaporativo

Cuando la suma sea mayor que cero la temperatura interior se

incrementará; pero cuando sea menor que cero (con signo negativo) la

temperatura interior decrecerá [Álvarez, 2000].


55

2.2.- Geometría solar.

La geometría solar, es uno de los elementos más importantes dentro del

diseño arquitectónico ya que a través del conocimiento del comportamiento de la

trayectoria solar e incidencia de los rayos solares, tanto en su componente térmica

como lumínica, se logrará dar la óptima orientación al edificio a construir, la mejor

ubicación de los espacios interiores de acuerdo a su uso y se podrá diseñar

adecuadamente las aberturas y los dispositivos de control solar, logrando efectos

directos de calentamiento, enfriamiento e iluminación traducibles en términos de

ahorro energético y de confort humano [Beltrán, 1937].

2.2.1.- El sol.

El sol es una estrella en cierto estado de su evolución que, puede

considerarse como una esfera de materia gaseosa, cuya composición, en peso es

de aproximadamente el 75% de hidrógeno, 24% de helio y el 1% de elementos

más pesados.

En el interior del sol se producen reacciones nucleares que la mantienen en

estado incandescente. Su diámetro es de aproximadamente 1,392,000 kilómetros,

es decir cerca de 109 veces el diámetro de la tierra. La distancia media entre el sol

y la tierra es de aproximadamente 149, 597,871 kilómetros.

Desde el planeta tierra, se observa que, el sol gira, aunque no lo hace como

un cuerpo sólido, sino, con diferente velocidad de unas regiones a otras. Así, la

zona ecuatorial invierte 27 días en cada rotación y las regiones polares, alrededor

de 30 días [Herrero, 1985].


56

2.2.2.- Energía solar.

La energía solar es obtenida en el núcleo con base en la fusión nuclear del

hidrógeno para formar un átomo de helio, en ésta transformación el 0.7% de la

masa del núcleo de hidrógeno se convierte en energía radiante, es decir, que si la

reacción termonuclear convierte unos 564 millones de toneladas de hidrógeno en

560 de helio cada segundo, aproximadamente 4 millones de toneladas son

convertidas en energía radiante, lográndose temperaturas en el coro o núcleo

solar de 15E6 °K (millones de grados Kelvin). Se estima que la cantidad de

hidrógeno disponible terminará por agotarse de 5 a 6 millones de años.

La energía solar llega a la tierra en forma de radiación electromagnética

extendiéndose desde los rayos ultravioleta, de 200 nm de longitud de onda, hasta

ondas infrarrojas de 3000 nm de longitud; sin embargo el máximo de radiación se

da a los 500 nm (un nanómetro nm= 1E-9 m).

La intensidad de radiación solar que incide sobre una superficie normal a

los rayos solares fuera de la atmósfera terrestre a la distancia promedio del sol a

la tierra (149,503,000 kilómetros, una unidad astronómica) es llamada constante

solar (Isc). Después de muchos estudios se ha llegado a la conclusión de que el

valor más probable de la constante solar es de 0.137 W/cm2 (W.M.O. 1980) con

un rango de error de ± 1.5%.

La mayor parte de las variaciones en la constante solar tienen lugar en la

porción de ondas cortas del espectro solar, estas variaciones dependen del grado

de actividad solar, ya que aparentemente existe una correlación significativa entre

los cambios de la constante y el tamaño, posición y frecuencia de las manchas

solares.


57

Las principales variaciones de intensidad de radiación y temperaturas del

aire que experimentamos en la tierra son debidas a la naturaleza ligeramente

elíptica de nuestra órbita alrededor del sol y a la inclinación del eje de rotación

terrestre con respecto al plano orbital o elíptico (23.45 °).

La órbita terrestre, de 973, 728,000 kilómetros, es casi circular (0.01674 de

excentricidad), sin embargo, describe una elipse aparente dentro de la cual el sol

está ligeramente descentrado, de tal forma que la distancia más próxima de la

tierra al sol, o distancia perihélica, es de 146.504 millones de kilómetros, mientras

que la distancia más lejana, o distancia afélica, es de 151.486 millones de

kilómetros.

La tierra pasa por el punto del perigeo (punto de órbita a la distancia

perihélica) el 1° de enero, y pasa por el apogeo (p unto de la órbita a la distancia

afélica) el 1° de julio. Debido a que la intensidad de la radiación solar varia

inversamente con el cuadrado de la distancia del sol, la intensidad de incidencia

normal sobre una superficie extraterrestre varía de 0.1427 W/cm2 el 1° de enero a

0.1355 W/cm2 el 1° de julio [Leyva, 1986].

2.2.3.- Generalidades de la geometría solar.

La tierra tiene varios movimientos, pero sólo dos de ellos son significativos;

el primero es el movimiento de translación orbital alrededor del sol que transcurre

en un año solar de 365 días, 5 horas, 28 minutos y 45 segundos, con una

velocidad de desplazamiento de unos 29 km/s, el segundo es el movimiento de

rotación que transcurre en un día sideral de 23 horas, 56 minutos y 4 segundos a

una velocidad de 432 m/s.


58

El plano que contiene la órbita terrestre se denomina plano de la eclíptica,

este plano forma un ángulo de 23°26’44”.7 (23°27’) con respecto al ecuador

terrestre y de 66°33’15”.3 (66°33’) con respecto de l eje de rotación. Debido a que

la inclinación del eje de rotación siempre es paralela a sí misma a lo largo de su

desplazamiento orbital, los rayos solares inciden perpendicularmente sobre la

superficie terrestre en un punto distinto cada día del año.

El ángulo de máxima declinación positiva, es decir, el ángulo máximo que

se da en el hemisferio norte entre el rayo solar y el ecuador es de 23°27’ y se

presenta el día 21 o 22 de junio; a esta fecha se le conoce como solsticio de

verano, mientras que a la latitud geográfica en este punto se le conoce como

trópico de cáncer. Se observa que en esta fecha el polo norte recibe los rayos

solares, mientras que el polo sur está en obscuridad.

El ángulo de máxima declinación negativa, es decir, el ángulo máximo que

se da en el hemisferio sur entre el rayo solar y el ecuador es de –23°27’ y se

presenta el día 21 o 22 de diciembre; a esta fecha se le conoce como solsticio de

invierno mientras que a la latitud geográfica en este punto se le conoce como

trópico de capricornio. En esta fecha el polo sur recibe los rayos solares mientras

que el polo norte está en obscuridad.

Existen dos puntos en los cuales los rayos solares inciden

perpendicularmente sobre el ecuador, es decir, con una declinación igual a 0°; el

primero se da el 21 de marzo y se le conoce con el nombre de equinoccio de

primavera. El segundo se da el 23 de septiembre y se conoce como equinoccio de

otoño. Esto se puede observar en la Figura 2.6.


59

Figura 2.6.- Movimiento terrestre.

Son estas variaciones del ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la

superficie terrestre las que determinan las distintas duraciones del día y la noche

a lo largo de un año, un calentamiento no uniforme de la superficie terrestre con

altas diferencias de presión que originan desplazamientos atmosféricos

compensatorios, estos movimientos determinan también a las estaciones, a todos

los factores ambientales y a la vida misma.

2.2.4.- Bóveda celeste.

Desde antes de que el hombre guarde memoria de su propia historia ha

venido éste observando el cielo, especialmente de noche. La gran cantidad de

estrellas y luceros que pueden contemplarse en una noche clara nos causa

fascinación. Su presencia tranquila nos induce a sentirnos forzosamente

pequeños, minúsculos. En esa gran cantidad de estrellas pueden distinguirse

algunos grupos que permanecen ordenados.


60

Unas estrellas tienen más luminosidad que otras y mantienen sus

posiciones relativas por lo que podemos agruparlas y ponerlas nombre. Esto lo

han hecho las distintas civilizaciones en general con gran imaginación. De esta

forma agrupamos las estrellas en constelaciones.

Para situar las constelaciones se utiliza la llamada bóveda o esfera celeste.

Es una esfera de tamaño arbitrariamente grande sobre la que proyectamos

cualquier objeto lejano (estrella, planeta, entre otros), haciendo que el rayo de

proyección pase por el centro de la Tierra.

Es fácil entender que para situar un punto sobre dicha esfera podemos

emplear la latitud y longitud como hacemos para situar un punto sobre la Tierra.

Los nombres que se usan en astronomía para estos ángulos son declinación y

ascensión recta.

Para fines prácticos de la geometría solar debemos partir del supuesto

movimiento del sol alrededor de la tierra, de hecho el fenómeno sería idéntico al

real, debido al carácter relativo del movimiento de la tierra con respecto al sol.

En este caso, un observador sobre una superficie plana llamada horizonte,

vería el desplazamiento del sol describiendo órbitas circulares paralelas, a lo largo

de todo el año, sobre una esfera transparente denominada bóveda celeste, como

se muestra en la Figura 2.7; donde cualquier rayo, sin importar la posición del sol,

está dirigido hacia el centro de la esfera.

Estas trayectorias constituyen lo que se conoce como la ruta del sol vista

por un observador desde la tierra. Al punto vertical más alto de la bóveda celeste

se le denomina cenit y al punto equidistante diametralmente opuesto, nadir.


61

Para localizar un punto sobre la superficie terrestre se emplean las dos

cartas llamadas geográficas o terrestres: latitud y longitud, latitud de un lugar es el

ángulo que forma la vertical del lugar con el plano del ecuador, se cuenta de 0° a

90° del ecuador hacia los polos y puede ser positiv a o negativa, según que el lugar

se encuentre en el hemisferio norte o en el hemisferio sur, la longitud de un lugar

es el ángulo directo que forman el meridiano que se toma como origen; se cuenta

de 0° a 180° y puede ser oriental u occidental segú n el lugar se encuentre en el

este u oeste del meridiano de origen.

Figura 2.7. Bóveda celeste.

Para localizar al sol, o a cualquier astro, en la bóveda celeste se emplean

las coordenadas llamadas horizontales o celestes, por medio de las cuales se

refiere su posición al plano del horizonte y al meridiano del observador, estas son:

altura y acimut.

La altura es el ángulo formado por el rayo Solar, dirigido al centro de la

bóveda y el plano del horizonte, se mide a partir del plano del horizonte hacia el

cenit, de 0° a 90°.


62

El acimut es el ángulo diedro formado por el plano vertical del sol con el

plano del meridiano del observador, dicho en otras palabras, es el ángulo formado

por la proyección del rayo solar sobre el horizonte con el eje norte-sur verdadero.

En términos de arquitectura bioclimática se mide a partir del sur y puede ir de 0° a

180° hacia el este u oeste.

Estas dos coordenadas celestes constituyen los datos básicos para

cualquier estudio de asoleamiento en el diseño arquitectónico o cualquier otra

aplicación en que se precise conocer la posición del sol en un momento

determinado [Ferreiro, 1996].

En la Figura.2.8, se observan los ángulos cenital θc, de inclinación β,

acimutal γ y de altura h. Que son los principales ángulos en una superficie sobre la

que incide radiación solar. El ángulo de inclinación (β), es ángulo formado entre el

plano de la superficie inclinada y la horizontal.

Figura 2.8. Ángulos: cenital, de inclinación, de altura y acimutal.


63

2.2.5.- Métodos de análisis del comportamiento sola r.

Existen tres formas de conocer y analizar el comportamiento solar. La

primera es a través de métodos gráficos, que de hecho son los más prácticos para

los arquitectos, ya que a pesar de que no proporcionan información precisa o

exacta, sí se presentan en forma clara, fácilmente traducible en términos de

diseño y con la aproximación necesaria para los fines arquitectónicos.

Se tienen varios tipos de diagramas, cada uno de ellos con distinta

finalidad; diagramas de trayectoria y posición solar: diseño, análisis y evaluación

de sistemas y dispositivos de control, orientación y ubicación de los espacios,

análisis de obstrucciones etc. y diagramas para la estimación cuantitativa de la

energía solar.

La segunda es a través de métodos matemáticos, los cuales nos

proporcionan información precisa, utilizada principalmente para fines técnicos

como lo son: balances de energía, análisis y evaluación de materiales

constructivos y su transferencia térmica, diseño de sistemas y dispositivos solares

activos, entre otros.

La tercera es a través de modelos físicos de simulación; maquetas y

heliodones, que nos dan únicamente una visión cualitativa del comportamiento del

edificio.

2.2.5.1.- Métodos gráficos.

Dentro de los métodos gráficos se tienen dos divisiones referentes, los

diagramas solares de trayectoria y posición, y los diagramas solares energéticos.


64

· Diagramas solares de trayectoria y posición

· Gráfica solar de proyección ortogonal

· Gráfica solar de proyección estereográfica

· Gráfica solar de proyección equidistante

· Proyección sobre ejes cartesianos

· Proyección gnomónica

· Diagramas solares energéticos

· Cardióides de asoleamiento

· Diagramas de control solar (mascarilla de sombreado)

· Diagramas de radiación solar

· Diagramas de iluminación natural

A continuación se describen cada una de ellas:

· Gráfica solar de proyección ortogonal.

La gráfica solar ortogonal es la representación de la bóveda celeste y la

trayectoria solar en geometral o montea biplanar. En ella podemos localizar

fácilmente la posición del Sol, o la trayectoria del rayo solar a cualquier hora y en

cualquier día del año, es decir, que podemos conocer los valores de los ángulos

de acimut y altura solar.

Existen dos formas de trazar la montea solar: la primera es a través de una

proyección esférica, es decir, la proyección de la bóveda celeste con la trayectoria

solar descrita sobre ella. La segunda es a través de la proyección cilíndrica.


65

Este método de trazo simplificado fue desarrollado por el Arq. Miguel

Bertrán de Quintana en 1937, y consiste en prolongar la trayectoria solar a un

cilindro tangente a la esfera celeste; Con esto se consigue que el trazo de las

horas, tanto en la proyección vertical como en la horizontal, se resuelva con líneas

paralelas.

En ambos métodos, la lectura del acimut es directa en la proyección

horizontal, sin embargo para poder hacer una lectura correcta del ángulo de altura,

en la proyección vertical, es necesario hacer un giro del rayo solar a fin de verlo en

verdadera forma y magnitud.

La ventaja del método ortogonal es que la trayectoria solar está

representada en el mismo lenguaje en que se expresan los planos arquitectónicos,

es decir, planta, alzado o fachada y perfil o corte; de tal forma que podemos

correlacionar en forma gráfica directa la trayectoria solar y los distintos elementos

arquitectónicos

A través de este método podemos hacer análisis directos de sombras y

penetraciones solares y lo que es más importante, podemos diseñar dispositivos

de control solar con solo transportar las proyecciones de los rayos solares a las

plantas, cortes y alzados de los elementos arquitectónicos. Para ello es necesario

únicamente tener conocimientos elementales de geometría descriptiva.

· Gráfica solar de proyección estereográfica.

La proyección estereográfica es una representación de la trayectoria solar

basada en la proyección ortogonal, que consiste en trasladar la ruta del sol,

descrita sobre la bóveda celeste, sobre el plano del horizonte.


66

El procedimiento consiste en proyectar cada uno de los puntos hacia el

nadir de la esfera celeste; en la intersección de las líneas de proyección con el

plano horizontal quedan definidas las proyecciones estereográficas de estos

puntos.

Este método tiene la ventaja de no producir distorsión en el contorno de la

gráfica, debido a que no es una proyección ortogonal, sino una representación

“plana” de la trayectoria solar. La lectura de los ángulos de acimut y altura solar se

facilita ya que se encuentran concentrados en una misma carta.

Esta gráfica es muy útil para el estudio de sombras, para el análisis y

evaluación de dispositivos de control solar y para tomar decisiones sobre la

orientación del edificio y ubicación de los espacios, ya que sobre ella pueden

sobreponerse diagramas de sombreado, diagramas energéticos de radiación o

iluminación, o simplemente expresar sobre ella los rangos y variaciones de

temperatura ambiente de la localidad en estudio.

· Gráfica solar de proyección equidistante.

Este tipo de proyección es muy similar a la proyección estereográfica y de

hecho sus usos y aplicaciones son los mismos, sin embargo difieren en su trazo,

ya que ésta proyección consiste simplemente en la graficación de las coordenadas

celestes, altura solar y acimut, sobre un sistema de graficación de ejes polares.

Dos ejes perpendiculares representan los puntos cardinales N-S-E-O, los

cuales sirven de referencia para ubicar los ángulos de acimut, mientras que

círculos concéntricos equidistantes definen los ángulos de altura solar.


67

· Proyección sobre ejes cartesianos.

Este método consiste simplemente en la graficación de las coordenadas

celestes, altura solar y acimut, sobre un sistema de ejes cartesianos. Se utiliza

principalmente para estudiar las obstrucciones que provocan los elementos

naturales o artificiales sobre el edificio o sobre el sitio de proyecto.

· Proyección gnomónica.

La proyección gnomónica es el origen de la graficación solar. La trayectoria

del sol queda definida por la sombra que describe un gnomón o estilete sobre

cualquier plano. Su principal aplicación se da, desde luego, en los cuadrantes

solares (relojes de sol), sin embargo en la actualidad se utiliza en modelos físicos

de simulación, ya que a través de la sombra del gnomón proyectada y una

maqueta, es posible reproducir o simular las condiciones de posición solar para

cualquier hora, día y ubicación geográfica. Esto nos permite hacer un estudio de

sombras y un análisis o evaluación cualitativa de los dispositivos de control solar.

· Cardióides de asoleamiento.

Estas gráficas se deducen de la “caja solar”, desarrollo del cilindro de la

trayectoria solar de la gráfica ortogonal de proyección cilíndrica, y expresan el

tiempo de asoleamiento (en horas o porcentaje) que reciben las fachadas de un

edificio en cada una de las orientaciones.

Es necesario remarcar que los cardióides no expresan cantidad de

radiación, sino únicamente horas de sol que recibe una fachada, ya que la

radiación incidente está determinada por el ángulo de incidencia del rayo solar con

respecto a la fachada, mientras que el tiempo de asoleamiento no lo considera.


68

· Diagramas de control solar (mascarilla de sombreado).

La mascarilla de sombreado es un diagrama que se utiliza para determinar

las áreas de sombra producidas por cualquier objeto dentro de la bóveda celeste.

Este diagrama está formado por un semicírculo y líneas curvas convergentes a los

extremos del eje diametral. Estas líneas resultan de bisectar a la bóveda celeste

con planos inclinados a cada 10° de altura a partir del horizonte.

Las líneas de intersección de la bóveda con los planos, graficadas

estereográfica o equidistantemente, conforman la mascarilla de sombreado.

Líneas rectas radiales, dentro del semicírculo, determinan los ángulos acimutales

de los objetos obstructores, mientras que las líneas curvas convergentes

determinan, obviamente, los ángulos de altura.

Este diagrama sobrepuesto a la gráfica solar estereográfica o equidistante

nos permite determinar gráficamente las horas día-mes en que se cuenta con

radiación solar incidente sobre una fachada totalmente expuesta o con dispositivos

de control solar, en éste último caso podemos evaluar el grado de protección que

ofrecen éstos elementos al edificio, cuantificando y cualificando la sombra que

proyectan sobre la fachada o aberturas.

Partiendo de un modo inverso, nosotros podemos diseñar los dispositivos

de control si establecemos el grado de protección conveniente, es decir, la

cantidad y calidad de sombra que se necesita proyectar sobre el edificio en las

distintas épocas del año, dependiendo no solamente de los ángulos de incidencia

solar, sino también de las condiciones ambientales del sitio en estudio.


69

2.2.5.2.- Métodos matemáticos de posición solar.

A través de las ecuaciones teóricas podemos determinar las coordenadas

solares en forma precisa. Para ello es necesario tener la ubicación geográfica del

sitio en análisis: latitud (λ) y longitud (l), y también debemos definir el día del año

(n) y la hora solar en que nos interesa determinar la posición solar.

Para fines del cálculo, la hora solar deberá expresarse en grados, del

meridiano celeste del sol con respecto a la posición del medio día. El ángulo

horario (τ) a las 12:00 h es igual a 00.00° (donde 1° = 4 min utos y 15° = 60

minutos). Matemáticamente el ángulo horario se define como se muestra en la

siguiente ecuación 2.18, en donde, para el tiempo a.m. el ángulo horario es

positivo y para p.m. es negativo, de tal forma que a las 11:00 h el ángulo horario

es igual a +15° mientras que a las 13:00 h es igual a –15° [Ferreiro, 1985].

0 = 112 − ℎ2��315 (2.18)

El primer paso en el cálculo es determinar la declinación (δ), la cual puede

obtenerse a partir de la ecuación de Cooper:

5 = 23.45° sin13601":;<=3

>?@3 (2.19)

Las coordenadas solares: altura (h) y acimut (z), quedan definidas por las

siguientes ecuaciones:

ℎ = ��-&�[1cos D cos 5 cos 03 + 1sin D sin 53] (2.20)

F = arcsin[1�IJ K JLM N3

�IJ O] (2.21)


70

Haciendo uso de las expresiones anteriores puede calcularse la longitud del

día a partir del ángulo horario [w], es decir, el tiempo de sol desde el orto hasta el

ocaso. (Haciendo h=0).

P = 2[arccos1− tan D tan 53 (2.22)

Duración del día solar:

Q2��- =N

R@ (2.23)

Mientras que el Orto y el Ocaso se definen por las siguientes ecuaciones:

Orto:

P1 = + arccos1− tan D tan 53 (2.24)

S��2 =NR

R@ (2.25)

Ocaso:

P2 = − arccos1− tan D tan 53 (2.26)

S��-2 =N"

R@+ 12 (2.27)

Donde: Latitud (λ), Longitud (l), Día del año (n), Declinación (δ), Angulo

horario (τ), Altura solar (h), Acimut (z), Duración del día (w), Orto (w1) y Ocaso

(w2).

Una vez definidas las coordenadas solares, altura y acimut, es posible

determinar el ángulo de incidencia del rayo solar en relación a cualquier superficie

inclinada con un ángulo (β) respecto a la horizontal, y una orientación (s) con

respecto al sur. Este ángulo de incidencia (T) queda definido como el ángulo que

se forma entre el rayo solar y la normal de la superficie.


71

cos T = 1cos ℎ cos � sin U3 + 1sin ℎ cos U3 (2.28)

Donde: T es el ángulo de incidencia, ℎ es la altura solar, � es el ángulo

formado entre el acimut del rayo solar y la proyección horizontal de la normal de la

superficie u orientación de la fachada (S), y β es la inclinación de la superficie con

respecto al plano horizontal.

Si la superficie es vertical (fachada), entonces:

cos T = 1cos ℎ cos U3 (2.29)

Todas las expresiones anteriores están dadas en el tiempo solar verdadero.

La relación entre el tiempo solar verdadero y el tiempo oficial está dada por la

ecuación siguiente:

�$&.V2 W2X�� = �$&.V2 S�$�$�X + Y + 41X� − X3 (2.30)

Donde: Y es la ecuación del tiempo, lr es la longitud del meridiano de

referencia horaria oficial, y l es la longitud del meridiano del lugar.

2.2.5.3.- Métodos físicos de simulación.

· Proyección gnomónica.

Un indicador gnomónico es en realidad un reloj solar, pero en lugar de ser

utilizado para medir o leer el tiempo, se emplea para reproducir la posición celeste

del sol para cualquier latitud, fecha y hora.


72

De tal forma que colocado sobre una maqueta del edificio en análisis se

puede simular una dirección predeterminada de los rayos solares. Esto nos

permite estudiar las sombras proyectadas y las penetraciones solares que se dan

en los distintos elementos arquitectónicos

· Heliodones o maquinas solares.

Las máquinas solares son dispositivos que permiten simular el movimiento

aparente del Sol respecto a una maqueta arquitectónica.

Estos dispositivos pueden ser clasificados en tres grupos:

· De fuente luminosa fija y modelo arquitectónico móvil.

· De fuente luminosa móvil y modelo fijo

· De fuente luminosa y modelo movibles.

En todos éstos tipos de Heliodones los mecanismos de movimiento deben

ajustar tres variables:

· Latitud, la cual define el ángulo del rayo solar con relación a la

localización geográfica.

· Variación estacional, la cual define la declinación solar en un día dado.

· Variación horaria, la cual define el ángulo horario del sol en cualquier

momento del día.

Existen muchos tipos de heliodones con ligeras variaciones entre sí, por lo

que mencionaremos únicamente los principales.


73

· Heliodón De Eje Vertical.

El heliodón de eje vertical está formado por una plataforma con

mecanismos giratorios horizontal y vertical, sobre la cual va fija la maqueta. El

movimiento vertical inclinará a la plataforma simulando la latitud geográfica,

mientras que el giro horizontal establecerá los ángulos horarios.

El simulador se completa con un poste vertical con una lámpara deslizable,

este movimiento de la lámpara simulará la posición solar estacional. La distancia

del poste a la plataforma es previamente fijada en función del rango de

desplazamiento de la lámpara, desde luego, entre mayor distancia, el efecto focal

de la lámpara disminuirá.

De cualquier forma es conveniente utilizar una lámpara de reflector

parabólico a fin de proyectar rayos de luz paralelos y lograr más veracidad en la

simulación.

· Helioscopio.

· Heliodón de eje circular.

Los helioscopios son dispositivos similares al heliodón de eje vertical, donde

los mecanismos de movimiento se dan en la lámpara, dejando a la maqueta fija

horizontalmente. Los helioscopios son más ilustrativos, ya que la lámpara, en sus

distintos movimientos describe, con sus trayectorias circulares, la ruta aparente del

sol sobre una bóveda celeste imaginaria; Lográndose así una simulación más

precisa.


74

· Termoheliodón.

El Termoheliodón es un dispositivo de modelo fijo y fuente luminosa móvil

desarrollado en la universidad de Princeton. Este heliodón, junto con una serie de

dispositivos adicionales está conectado a una computadora, de tal forma que,

además de establecer la posición celeste de sol también simula las condiciones

climáticas ambientales [Ferreiro, 1985].

A través de este mecanismo pueden analizarse:

· Sombras y penetraciones solares.

· Radiación directa incidente sobre los distintos elementos

arquitectónicos.

· Temperaturas ambientes e interiores.

· Humedades relativas ambiente e interiores.

· Efectos del flujo laminar de viento sobre el edificio.

· Flujos convectivos de aire debidos al calentamiento.

· Efectos del terreno sobre el patrón del viento, tanto laminar como

convectivo.

· Conducción térmica de los materiales.

· Otros.


75

2.3.- El clima y la edificación.

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. El clima es uno de los

factores más importantes en el diseño. De las condiciones climáticas de un lugar

depende que la arquitectura sea de muros pesados o ligeros, de cubiertas

inclinadas o planas, de color oscuro o claro, con grandes o pequeñas ventanas,

entre otros factores arquitectónicos. Las condiciones del clima están en constante

cambio, de un momento a otro y de un lugar a otro suelen variar; incluso dentro de

un área mínima, es común encontrar diferencias significativas [Álvarez, 2000].

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: 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, depende de las condiciones

del cielo.

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.


76

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, humedad, precipitación, viento, presión, radiación y nubosidad. Para

este estudio climático se considera la temperatura, la humedad, el viento y la

radiación solar [Rodríguez, 2001].

2.3.1.- Radiación 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 directa y difusa en

promedios horarios sobre superficies horizontales, los cuales son muy usados en

simulaciones de procesos solares. Muy pocas mediciones están disponibles sobre

superficies inclinadas y para muy cortos intervalos de tiempo. Los datos diarios

están a menudo disponibles y la radiación horaria puede ser estimada de datos

diarios. La radiación solar total mensual sobre una superficie horizontal puede ser

usada también para algunos procesos solares. Sin embargo, como el

comportamiento de los procesos es no lineal con la radiación solar, el uso de

promedios puede conducir a serios errores si las no linealidades no son tomadas

en cuenta.

Para efectos de análisis térmicos es conveniente considerar la radiación

solar dividida en dos intervalos de longitu

· Radiación solar de onda corta: radiación originaria del sol, en un intervalo de

longitud de onda de 0.3 a 3

y se usan flechas continuas para describirla visualmente.

· Radiación solar de onda

cercanas a la temperatura ambiente ordinaria y esta sustancialmente en

todas las longitudes de onda mayores a los a 3

como radiación terrestre. La radiación de onda larga es emi

atmósfera, por un colector o por algún otro cuerpo en temperaturas

ordinarias.

En la medida de la radiación solar se usan generalmente dos tipos de

aparatos: Piranómetro y Pirheliómetro

· Pirheliómetro: Instrumento para medir la radiación

pequeñas porciones del cielo alrededor del sol

observar en la Figura 2.

Figura 2.9 Pirheliómetro de



solar dividida en dos intervalos de longitud de onda:

Radiación solar de onda corta: radiación originaria del sol, en un intervalo de

longitud de onda de 0.3 a 3 µm. También se le llama radiación extraterrestre

y se usan flechas continuas para describirla visualmente.

Radiación solar de onda larga: radiación originaria de fuentes a temperaturas


todas las longitudes de onda mayores a los a 3 µm. Es conocida tambi

como radiación terrestre. La radiación de onda larga es emi



Pirheliómetro:

Pirheliómetro: Instrumento para medir la radiación directa del sol y de

pequeñas porciones del cielo alrededor del sol, físicamente se puede

igura 2.9. Es en algunos casos llamado actinómetro.

Pirheliómetro de incidencia normal NIP (Directa).

Fundamentos Teóricos

77


Radiación solar de onda corta: radiación originaria del sol, en un intervalo de

én se le llama radiación extraterrestre

larga: radiación originaria de fuentes a temperaturas


m. Es conocida también

como radiación terrestre. La radiación de onda larga es emitida por la



directa del sol y de

, físicamente se puede

. Es en algunos casos llamado actinómetro.


78

· Piranómetro: es un instrumento que se usa para medir la radiación total

hemisférica, es decir, la radiación directa más la difusa, usualmente sobre

superficies horizontales. El mismo instrumento puede hacer mediciones

únicamente de la radiación solar difusa si se sombrea con un anillo o disco

sombreador para evitar medir la radiación con incidencia normal, es decir, la

radiación directa. A este instrumento también se le conoce con el nombre de

solarímetro. Físicamente se puede observa en la Figura 2.10.

Figura 2.10 Piranómetro espectral PSP.

Los datos de radiación solar están disponibles en varias formas,

generalmente ellos son mediciones instantáneas, llamada irradiancia, o valores

integrados sobre algún periodo de tiempo llamada irradiación, usualmente horas o

días; las mediciones son de radiación directa, difusa o global; la orientación de las

superficies receptoras es usualmente horizontal, aunque algunas veces con

inclinaciones fijas o normales a la radiación directa.

Hay dos tipos de datos de radiación solar disponibles: los primeros son los

datos de promedios mensuales de la radiación total diaria en una superficie

horizontal, denotado por el símbolo H.


79

Los segundos son datos de radiación total horaria sobre una superficie

horizontal, denotado por el símbolo I, para cada hora en periodos extensos, tales

como uno o más años. Los datos H son los más comunes obtenidos de las

estaciones. Y las unidades tradicionales son las calorías por centímetro cuadrado

o los mega joules por metro cuadrado [Duffie, 1991].

2.3.2.- Temperatura.

La temperatura es un parámetro que determina la transmisión de calor de

un cuerpo a otro en forma comparativa por medio de una escala. 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, 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 varía la temperatura en un día, mes, estación o

año, y con ello podemos prever el efecto que la masa térmica y la ventilación

pueden tener en el diseño de los espacios [Rodríguez, 2001]

La temperatura del aire se mide generalmente con termómetros de mercurio

montados a la sombra y a una altura entre 1.2 y 1.8 metros, normalmente dentro

de una caseta meteorológica. Este termómetro es conocido como de bulbo seco.

También se pueden utilizar termopares o sensores. La Figura 2.11 muestra tres

instrumentos de medición de la temperatura, que son el termómetro infrarrojo, el

termómetro de mercurio y el termopar.


80

Figura 2.11 Instrumentos para medir la temperatura.

2.3.3.- Humedad.

La humedad es el contenido de agua en el aire. Esta cantidad varía con el

tiempo y de lugar a lugar, 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 humedad que contiene el aire y la cantidad

de agua necesaria para saturar a este a una misma temperatura. Se llama relativa

porque el aire tiene la característica de poder tener mayor 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. El manejo de la humedad en el diseño es una herramienta

básica de la climatización pasiva por su bajo costo y enorme efecto en los

espacios [Rodríguez, 2001].


81

El instrumento más usado para medir la humedad es el psicrómetro, el cual

consiste en dos termómetros de mercurio sujetos a una tableta con manija

giratoria. Uno de los termómetros se usa para medir la temperatura del aire (TBS),

mientras que le otro medirá la temperatura de evaporación del agua contenida en

una gasa mojada que cubre el bulbo del termómetro (TBH). El psicrómetro se

hace girar a manera de onda con el fin de airear la gasa y acelerar la evaporación

del agua.

La temperatura de bulbo seco siempre será mayor que la de bulbo húmedo,

a menos que el aire se encuentre totalmente saturado de vapor de agua, en cuyo

caso las temperaturas serán iguales. De la diferencia de temperaturas se deducen

la humedad absoluta y relativa del aire, relación de datos registrados en tablas,

reglas deslizantes o diagramas psicrométricos.

Existen otros instrumentos para medir la humedad del aire llamados

higrómetros. Algunos funcionan con fibras de varios materiales que se contraen o

expanden con los cambios de humedad. Otros emplean elementos electrónicos

sensibles, conocidos como sensores, que cambian sus características eléctricas

ante las variaciones de la humedad [Álvarez, 2000]. La Figura 2.12 muestra un

Higrómetro que es el instrumento de medición más común para medir la humedad.

Figura 2.12.- Higrómetro analógico y digital para medir la humedad.


82

2.3.4.- 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].

La velocidad del viento se mide con un anemómetro o sensores específicos

para su medición. Los datos de viento se pueden presentar en forma de una rosa

de vientos, que es un círculo que tiene marcados alrededor los rumbos en que

divide la vuelta al horizonte. El instrumento más común para medir velocidad y

dirección del viento es el anemómetro, y en la Figura 2.13 se muestra un

anemómetro climático portátil.

Figura. 2.13 Anemómetro digital para la medir viento.


83

2.4.- Confort térmico y estrategias de climatizació n.

A continuación se explica el concepto de confort térmico y los factores que

intervienen para lograrlo. También se presentan las estrategias de climatización en

el diseño de sistemas pasivos, mediante la utilización de la carta psicrométrica.

2.4.1.- Confort térmico.

Confort es el estado físico y mental en el cual el hombre expresa satisfacción,

un bienestar, con el medio ambiente circundante. El confort térmico se refiere a la

percepción del medio ambiente circundante que se da principalmente a través de

la piel, aunque en el intercambio térmico entre el cuerpo y el ambiente los

pulmones intervienen de manera importante. El metabolismo, esto depende del

grado de actividad, es uno de los factores internos más importantes que

intervienen en la obtención del confort. Algunos otros son la edad, el sexo, forma y

superficie corporal, acumulación de grasa, condición de salud, tipos de alimentos y

bebidas, etc. Por otro lado, los factores externos más importantes son:

· Grado de arropamiento: es importante porque de él depende el grado de

transferencia de calor entre el cuerpo y el medio ambiente.

· Temperatura del aire: quizás el factor más importante, ya que entre mayor

sea la diferencia de temperatura entre el aire y el cuerpo, mayor será el flujo

de calor. La temperatura óptima o neutra representa un punto en la escala

térmica, por ello es más conveniente hablar de un rango de temperatura en

el cual el individuo expresa satisfacción con el ambiente.


84

Los estudios más actuales son los de Szokolay a través de los cuales se ha

elaborado la Tabla 2.1, donde se definen los rangos de confort térmico de varias

ciudades de la Republica Mexicana [Álvarez, 2000].

Aplicando la formula de Szokolay se tiene:

�� = 17.6 + 0.31 1�.�3 (2.31)

F� = �� ± 2.5°� (2.32)

Donde:

�� = Temperatura Neutra

�.� = Temperatura media anual

F� = Zona de confort

Tabla 2.1 Rangos de confort térmico para varias ciudades.

Ciudad Mínimo Tn Máximo

Toluca 18.9° 21.4° 23.9°

D.F. 19.8° 22.3° 24.8°

Puebla 20.2° 22.7° 25.2°

Cuernavaca 21.6° 24.1° 26.6°

Guadalajara 21.0° 23.5° 26.0°

Monterrey 21.9° 24.4° 26.9°

Mexicali 21.9° 24.4° 26.9°

Veracruz 22.9° 25.4° 27.9°

Villahermosa 23.6° 26.1° 28.6°


85

· Radiación: afecta la sensación térmica del organismo, por ejemplo el estar en

un ambiente con aire frío, pero expuestos a la radiación del sol o a la emitida

por una chimenea.

· Humedad del aire: juega un papel importante en los mecanismos de

intercambio térmico del cuerpo; sudoración, evaporación e intercambio

térmico pulmonar.

· Movimiento del aire: con el movimiento del aire se incrementa la disipación

de calor de dos maneras; incrementando las pérdidas convectivas de calor y

acelerando la evaporación.

La falta de condiciones térmicas adecuadas provoca trastornos fisiológicos,

cuyos efectos pueden ir desde los temporales de poca significación hasta los

graves que pueden dañar seriamente al organismo e incluso provocar la muerte.

A efectos prácticos se considera que al menos deben cumplirse dos

condiciones para alcanzar un nivel adecuado de confort térmico, estos son:

· Que la combinación actual de temperatura de piel y temperatura del núcleo

corporal proporcionen una sensación térmica neutra.

· Que el balance energético del cuerpo está equilibrado, es decir, que el calor

producido por el metabolismo sea igual a la cantidad de calor disipada por el

cuerpo.

Una representación gráfica de la situación de confort basada principalmente

en condiciones de humedad y temperaturas exteriores, es la propuesta por

Olgyay. Esto aporta medidas correctoras muy directas y que servirán para

optimizar las condiciones de diseño urbano, dicha gráfica se observa en la Figura

2.14.


86

Figura 2.14.- Diagrama de confort climático humano de Olgyay.

Otra representación gráfica del concepto de confort es la propuesta por

Givoni, quien resume todos los resultados en una única Carta Bioclimática que

dependiendo básicamente de la temperatura y humedad exteriores, propias del

lugar, dirige el diseño del edificio con base en potenciar una u otra técnica pasiva.

La Figura 2.15 muestra la gráfica propuesta por Givoni [CIEMAT, 2002].

Figura 2.15.- Carta bioclimática de Givoni.


87

2.4.2.- Estrategias de climatización.

Como se mostró en el apartado anterior, existen representaciones gráficas

para ubicar las zonas de confort térmico dado las condiciones climatológicas del

lugar, esto da paso a la utilización de las estrategias de climatización.

El término estrategias se refiere a la definición de las acciones óptimas para

la consecución de un fin, basadas en ciertas reglas o principios que ayuden a

tomar decisiones correctas. Las condiciones térmicas de un lugar pueden

encontrarse en cualquiera de los siguientes casos:

· Por debajo del rango de confort

· En la zona de confort

· Por arriba de la zona de confort

El primer caso es conocido como sub calentamiento, es decir, cuando el

ambiente es frío y por lo tanto es necesario ganar energía calorífica. En este caso

las estrategias básicas serán: promover la ganancia de calor y evitar al máximo la

pérdida de calor ganado o generado en el interior de los locales.

En el segundo caso, las condiciones térmicas son confortables y

adecuadas, por lo cual se deberá tratar de mantenerlas en ese estado. Las

estrategias para conseguirlo dependerán de si la tendencia del comportamiento

térmico es ascendente o descendente.

El tercer caso también es llamado como periodo de sobrecalentamiento, es

decir que las condiciones ambientales son calurosas. En este caso, las estrategias

básicas serán las inversas a los periodos fríos, es decir, evitar la ganancia de calor

y favorecer las pérdidas.


88

A mediados de los años 70´s, Givoni presentó aportaciones significativas, al

determinar, dentro de un diagrama psicrómetrico los limites de efectividad de

diferentes estrategias de diseño enfocadas a conseguir el confort higrotérmico.

Los límites para las diferentes estrategias forman zonas, que indican hasta donde

el diseño adecuado de las edificaciones puede responder favorablemente ante

determinadas condiciones de temperatura y humedad para propiciar un ambiente

confortable. Originalmente las zonas para cada una de las estrategias se llamaron:

· Zona neutra o de confort

· Zona de ventilación natural

· Zona de calentamiento

· Zona de enfriamiento evaporativo

· Zona de masa térmica

· Zona de humidificación

· Zona de aire acondicionado artificial

Las características de cada zona se describen a continuación:

Zona 1 Calentamiento: promover el calentamiento solar pasivo y conservar

el calor interno, prediciendo el flujo conductivo de calor y evitar pérdidas por fugas

o infiltraciones de aire. Se utiliza esta estrategia cuando la temperatura está por

debajo de los 20°C a cualquier humedad; cuando la t emperatura sea menor de

10°C, se agregarán sistemas activos de calentamient o.

Zona 2 Confort: se define entre 20°C y 25°C y una humedad menor al

80%, la estrategia es el control de la ganancia solar (por ejemplo la utilización de

sombreamiento).


89

Zona 3 Ventilación natural: entre 20°C y 32°C con u na humedad relativa

entre 20 y 80%; esta zona incluye la zona de confort, ya que la estrategia deberá

utilizarse para controlar posibles calentamientos ocasionales.

Zona 4 Masa térmica: el límite inferior de temperatura es de 20°C,

incluyendo la zona de confort, y el límite superior de temperatura es mayor en

condiciones áridas debido a dos razones: el cuerpo humano se siente más

confortable a temperaturas más altas con humedades bajas y a que la oscilación

de temperatura es mayor en los climas áridos, teniendo temperaturas más

constantes en los climas húmedos.

Zona 5 Enfriamiento evaporativo: consiste en incrementar el contenido de

agua del aire a través de la vaporización. En el cambio de fase del agua líquida en

vapor se absorbe calor sensible del aire y se transforma en latente, por lo tanto, la

entalpía se mantiene constante; en otras palabras la energía total no se altera. Los

límites de la temperatura de bulbo seco van desde 20°C hasta 40°C.

La carta psicrométrica se utiliza también para ubicar las zonas climáticas

con base en los datos meteorológicos reportados para una región, como se

muestra en la Figura 2.16:

Figura. 2. 16.- Clasificación climática en la carta psicrométrica.


90

2.5.- Sistemas pasivos y activos en la edificación.

En la actualidad la arquitectura utiliza diversas técnicas para reducir las

necesidades energéticas de edificios mediante el ahorro de energía y para

aumentar su capacidad de capturar la energía del sol o de generar su propia

energía.

Entre estas estrategias de diseño sustentable se encuentran los diseños y

sistemas pasivos y activos, a continuación se describe cada uno de ellos.

2.5.1.- Diseño pasivo.

Este método es utilizado en arquitectura con el fin de obtener edificios que

logren su acondicionamiento ambiental mediante procedimientos naturales.

Utilizando el sol, las brisas y vientos, las características propias de los materiales

de construcción, la orientación, entre otras.

Dado que un edificio se construye con el fin de cobijar y separarnos del

clima exterior creando un clima interior, cuando las condiciones del exterior

impiden el confort del espacio interior se recurre a sistemas de calefacción o

refrigeración. El diseño pasivo busca minimizar el uso de estos sistemas y la

energía que consumen. Entre las medidas de diseño más eficaces se encuentran:

· El ahorro de energía mediante el uso de aislamiento térmico.

· Orientación adecuada de cada ventana respecto al sol.

· Protección solar sobre las ventanas

· Ventilación natural

· Uso de la inercia térmica


91

Los sistemas pasivos se fundamentan en el control de las variables

climáticas en el interior de las edificaciones mediante el uso racional de las formas

y de los materiales utilizados en arquitectura, incidiendo fundamentalmente en la

radiación solar, facilitando o limitando su incidencia y utilizando los aislamientos y

la inercia térmica de los materiales como sistemas de control y amortiguamiento

térmico. La elección de los vidrios y del material de construcción de los forjados,

cerramientos, tabiquería y estructuras se supedita a la obtención de los resultados

prefijados.

Se les llama sistemas pasivos ya que no se utilizan otros dispositivos

electromecánicos, como bombas recirculadoras, ventiladores, entre otros equipos,

para recircular el calor. Esto sucede por principios físicos básicos como la

conducción, radiación y convección del calor [CIEMAT, 2002].

2.5.2.- Diseño activo.

Los diseños activos son utilizados en arquitectura para satisfacer las

condiciones de confort al interior de las edificaciones con el uso de equipos,

dispositivos y aparatos mecánicos para lograr obtener las condiciones deseadas.

Los sistemas activos, por el contrario que los sistemas pasivos, aplican

directamente las nuevas tecnologías de aprovechamiento de las energías

renovables, como la solar, para producción de agua caliente sanitaria, calefacción

o energía fotovoltaica, la energía eólica o la biomasa.

En este sentido habría que hacer una primera distinción entre aquellas

técnicas probadas y cuantitativamente rentables en todas condiciones, como es la

energía solar para ACS (agua caliente sanitaria), o la energía eólica, de aquellas

otras cuya aplicación es más discutible en términos de rentabilidad, como la

fotovoltaica.


92

También entrarían en este apartado todos aquellos sistemas de ahorro

energético de equipos tradicionales, como los que suponen las centrales de

cogeneración y todos aquellos otros sistemas de control ambiental que necesitan

un gasto inicial de energía para su correcto funcionamiento: sistemas móviles de

parasoles, domótica, sistemas variables de iluminación, entre otros equipo

mecánicos de HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado).

Capítulo III.- TRNSYS

93

Capítulo III.- TRNSYS.

En este capítulo se describen las funciones del programa TRNSYS, los

componentes, las características, las interfaces utilizadas para este trabajo y los

diversos resultados que se pueden obtener a partir de las simulaciones realizadas.

También se detallan brevemente las ecuaciones utilizadas para la solución de la

transferencia de calor en los principales componentes en la envolvente de una

edificación.


94

3.1.- Descripción general.

A continuación se presenta una descripción de las principales

características y componentes de TRNSYS, sus orígenes y su utilización en

edificaciones, se describirá cada uno de los componentes utilizados en este

trabajo.

3.1.1.- TRNSYS.

TRNSYS es un programa de simulación de sistemas transitorios con una

estructura modular que utiliza el método de funciones de transferencia para

resolver el sistema de ecuaciones diferenciales que describen el problema físico.

El nombre viene de “TRansient eNergy SYstem Simulation tool”. Está disponible

desde 1975, surge como un proyecto conjunto entre la el Laboratorio de Energía

Solar de la Universidad de Wisconsin-Madison y el Laboratorio de Aplicaciones en

Energía Solar de la Universidad de Colorado [TRNSYS, 2007].

En la década de 1970 se construyó una casa en Colorado para estudiar las

nuevas tecnologías de energía solar. La Universidad de Wisconsin contribuyó

escribiendo un programa Fortran para predecir el uso de la energía en el edificio.

En trabajos posteriores, la Universidad de Wisconsin, desarrolló un método para

describir cada componente del sistema y la energía como una subrutina en

Fortran, la cual tiene entradas y salidas. Cualquier persona con un compilador

Fortran puede utilizar el formato de los componentes básicos para modelar las

nuevas tecnologías y rápidamente incorporarlos en la biblioteca de TRNSYS.

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.


95

En TRNSYS, 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 e itera en cada instante de tiempo, hasta que el sistema converge. Los

componentes de TRNSYS incluyen sistemas termoenergéticos como equipos de

acondicionamiento, edificios detallados, sistemas solares térmicos, entre otros.

Por lo tanto, el uso de TRNSYS facilita la solución de sistemas energéticos

complejos, debido a su estructura modular.

3.1.2.- Simulación térmica transitoria y en estado permanente.

Se define como una simulación transitoria si el tiempo es una variable en el

modelo de alguno de los componentes del sistema. En general una simulación

transitoria es requerida si una de las tres situaciones ocurren:

1. Un 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, es decir, su

derivada es diferente de cero.

3. Una cantidad física calculada por la simulación debe ser integrada en el

tiempo por el componente integrador.

Aunque las situaciones 2 y 3 ambas llaman a una integración numérica, son

conceptualmente diferentes y TRNSYS las maneja de manera diferente. Si la

descripción matemática de un componente involucra una o más ecuaciones

diferenciales, TRNSYS debe saber el número de ecuaciones diferenciales

involucradas y los valores de las variables dependientes al inicio de la simulación.


96

TRNSYS espera que las derivadas de las variables dependientes en

cualquier instante sean evaluadas por el componente del modelo. Usando los

valores proporcionados de las derivadas. Así también el programa

automáticamente realiza la integración para evaluar las variables independientes.

La simulación de sistemas no transitorios son llamadas simulaciones en

estado permanente. Un sistema en estado permanente es uno en el cual ninguna

de las variables del sistema cambia con el tiempo. TRNSYS puede ser usado para

simulaciones en ambos casos.

3.1.3.- Funciones de transferencia.

Una función de transferencia es un modelo matemático que entrega la

respuesta de un sistema a una señal de entrada o excitación exterior. Uno de los

primeros matemáticos en describir estos modelos fue Laplace, a través de su

transformación matemática. Por definición una función de transferencia se puede

determinar según la siguiente expresión:

�� = �� (3.1)

Donde H�s� es la función de transferencia; Y�s�es la transformada de

Laplace de la respuesta y U�s� es la transformada de Laplace de la señal de

entrada. La función de transferencia también puede considerarse como la

respuesta de un sistema inicialmente inerte a un impulso como señal de entrada:

�� = ��ℎ��} = � ��ℎ��∞

� (3.2)


97

La salida o respuesta en frecuencia del sistema se halla entonces de:

�� = �� (3.3)

Y la respuesta como función del tiempo se halla con la transformada de

Laplace inversa de Y�s�:

�� = ��[��] (3.4)

Cualquier sistema físico, ya sea mecánico, eléctrico u otro, se puede

traducir a una serie de valores matemáticos a través de los cuales se conoce el

comportamiento de estos sistemas frente a valores concretos. Para resolver el

modelo de ecuaciones básicas de transferencia de calor a través y entre todos los

elementos de una zona, el problema se reduce a la siguiente ecuación matricial:

!",$% &�,"% = ['"] (3.5)

Donde &�," representa la temperatura de la superficie interior del elemento (, a menos que ( sea igual al número de superficies más una �n + 1�, en tal caso

sería la temperatura del aire en la zona. El factor '" incluye las entradas que

varían con el tiempo que afectan a &�,". !",$ es un coeficiente que relaciona la

transferencia de calor entre los elementos ( y ,. Una vez formulado el problema en

términos de la ecuación anterior, se hacen suposiciones simplificadas que

conduzcan a una matriz !",$ independiente del tiempo. Entonces la matriz !",$ se

invierte una vez al principio de la simulación y es almacenada para usarla más

tarde. La solución del conjunto de ecuaciones es reducida a una multiplicación de

la matriz invertida y el vector dependiente del tiempo dado por la ecuación

siguiente:


98

&�,"% = !",$%��['"] (3.6)

El concepto de función de transferencia fue desarrollado por Mitalas y

Stephenson, y consiste en una simplificación de un balance térmico detallado, en

el cual, en primer lugar se calculan las temperaturas superficiales de los cuartos y

las cargas de enfriamiento para numerosas construcciones que representan

oficinas, escuelas y viviendas típicas de construcción ligera, mediana y pesada,

mediante un balance térmico detallado. Las ganancias de calor por radiación solar,

conducción, iluminación, equipamiento y ocupantes fueron son simuladas por

pulsos de fuerza unitaria.

Las funciones de transferencia para las construcciones típicas son

calculadas como constantes numéricas, representando las cargas de enfriamiento

correspondientes a los pulsos de excitación de entrada, de los cuales

posteriormente se asumen independientes. De este modo, en lugar de realizar un

balance térmico detallado, el cálculo se hace con una simple multiplicación de las

funciones de transferencia por una representación de series de tiempo de la

ganancia de calor y la consecuente sumatoria de esos productos.

En general, las ganancias de calor de los espacios no equivalen a las

cargas de enfriamiento de los mismos, ya que un incremento de la energía

radiante dentro de un espacio, no causa inmediatamente un incremento en la

temperatura del aire, sino que primero debe ser absorbida por los muros y otros

elementos, causando un incremento en su temperatura superficial y

posteriormente, por convección, se provoca un incremento en la temperatura del

aire. Por esta razón, el cálculo de las cargas térmicas del espacio se lleva a cabo

en dos pasos, en primer lugar, se calculan las ganancias o pérdidas de calor y en

segundo lugar, las cargas de enfriamiento correspondientes, tomando en cuenta el

almacenamiento de calor de la masa térmica del espacio.


99

3.1.4.- Salidas del programa.

Los datos de entrada al programa, que son necesarios para realizar las

simulaciones son principalmente los datos meteorológicos, las dimensiones del

edificio, las propiedades termofísicas de los materiales de construcción, la latitud,

la orientación de las paredes del edificio, entre otras. Estas entradas como se ha

mencionado son las fuentes de alimentación del código de cómputo, que a su vez

dará salidas dependientes del tiempo como:

· QCOOL: Cargas de enfriamiento

· QHEAT: Cargas de calentamiento

· QDEHUM: Cargas de deshumidificación

· QHUM: Cargas de humidificación

· QCMAX y QHMAX: Cargas máximas de calentamiento y enfriamiento

· QCOM1: Flujos radiativos y convectivos sobre la envolvente del edificio

· QCONV: Ganancias por convección

· QINF: Ganancias por infiltración

· RAD: Radiación solar incidente sobre la envolvente

Estas salidas son los resultados de las simulaciones, los cuales pueden ser

visualizadas gráficamente dentro del graficador de resultados del programa y

también se puede generar un reporte con los resultados en un archivo externo.

3.2.- Componentes del programa.

A continuación se detallan algunas de las características principales de

componentes del programa y se describe la función y las características de cada

uno de ellos.


100

3.2.1.- Numeración de componentes.

El programa TRNSYS identifica los diferentes tipos de componentes que

aparecen en el diagrama de flujo asociando un número de tipo, se le denomina

Type, con cada clase de componente. Por ejemplo, el módulo Detailed Zone

proporcionado por TRNSYS se designa como el componente Type19 el cual esta

descrito en una subrutina de FORTRAN.

3.2.2.- Numeración de las unidades del sistema.

El programa TRNSYS reconoce la posición de cada componente dentro del

diagrama de flujo mediante la numeración arbitraria pero única asignada por el

usuario como Unit entre 1 y 75. Los números de Unit no están relacionados a los

números de Type, y no necesariamente deben estar en orden secuencial.

3.2.3.- Tipos de información.

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 le concierne al usuario.


101

3.2.4.- Subrutinas de utilerías.

El programa TRNSYS incluye algunas subrutinas que desempeñan

funciones generales para las rutinas Type, estas son: Typeck, Dat, Talf, Diffeq,

Encl, View, Table, Invert, Fit, y Psych. Por ejemplo la subrutina Psych se usa para

calcular diversas propiedades de humedad del aire basándose en correlaciones

del manual ASHRAE y la ley de los gases ideales, así cada una de estas

subrutinas tiene una función de cálculo en especifico, que sirven como apoyo en

cálculos rápidos.

3.2.5.- Módulos componentes para el cálculo de carg as térmicas.

A continuación se describen algunos de los módulos componentes usados

para calcular cargas térmicas en edificios, aplicando el método de función de

transferencia, haremos una descripción más detallada del Type56 que es el

modelo componente de más interés para definir las cargas térmicas en

edificaciones.

3.2.5.1.- Lector de datos Type9.

Este componente tiene la función de leer los datos meteorológicos de una

unidad lógica en intervalos de tiempo regulares, convierte a un sistema de

unidades deseado y permite que estos datos estén disponibles para alimentar

otros componentes o unidades (UNITS). 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 Type9 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.


102

3.2.5.2.- Procesador de radiación solar Type16.

Los datos de radiación solar 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 radiación incidente en las superficies

que se tengan en el diseño a simular.

El Type16 tiene cinco modos diferentes para el cálculo de la radiación solar

sobre superficies, estos varían de acuerdo a los datos que se proporcionen, los

cuales pueden ser: solamente se proporcione el dato de la radiación total

horizontal; los datos de radiación total horizontal, temperatura y humedad relativa;

los datos de la radiación difusa y directa; los datos de la radiación total horizontal y

la radiación normal directa; y el ultimo modo es mediante la proporción de los

datos de la radiación total horizontal y la radiación difusa. De acuerdo a los datos

que se tengan disponibles será la selección del modo del procesador de radiación.

Generalmente se requieren simulaciones de radiación global en sistemas

de energía solar. El modelo usado en esta subrutina para estimar la radiación

solar global sobre una superficie inclinada requiere del conocimiento de la división

de la radiación solar global horizontal en sus componentes difusa y directa. Si sólo

se mide la radiación solar global horizontal, las correlaciones proporcionan una

estimación de la radiación solar difusa o directa sobre una superficie horizontal.

Los componentes horizontales se proyectan sobre la superficie inclinada.


103

3.2.5.3.- Procesador psicrométrico Type33.

La carta psicrométrica es utilizada cuando se desea inferir una variable

deseada tomando como entradas la temperatura de bulbo seco, y otras

propiedades dependiendo del modo. A su vez brinda salidas como la temperatura

de bulbo húmedo, temperatura del cielo, entalpía, etc. Otro parámetro que es

calculado es la presión total del sistema en atmósferas.

En la mayoría de los casos, donde se requieren las propiedades a

condiciones ambiente, es mejor utilizar la carta para agregar las propiedades

requeridas al archivo del clima. Esto generalmente es más eficaz que repetir los

cálculos para cada simulación.

3.2.5.4.- Edificio multi-zonas Type56.

Este componente modela el comportamiento térmico de una edificación

dividida en diferentes zonas térmicas. Para utilizar este componente, debe ser

ejecutado primero un programa separado de pre-procesamiento.

El programa Prebid lee y procesa un archivo que contiene la descripción del

edificio y genera dos archivos que serán usados por el Type56 durante una

simulación en TRNSYS. El archivo que contiene la información del edificio tiene

extensión (*.BLD) y es 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 fácilmente los datos introducidos en Prebid. Es importante

señalar que solo un Type56 puede ser utilizado para cada simulación y que

también se puede simular una zona individual.


104

3.2.6.- Módulos componentes para salida de resultad os.

Para los resultados el programa TRNSYS tiene diversas formas de

presentarlos, ya sea gráficamente o en un reporte generado en un formato de

lectura. A continuación se describen algunos de estas formas de salida de

resultados.

3.2.6.1.- Impresora Type25.

Este componente se utiliza para imprimir sistemas de información

seleccionados a intervalos de tiempo especificados, generando un archivo de

lectura en el cual se imprimirán los resultados.

3.2.6.2.- Graficador Type26.

La función de este componente es el de generar una gráfica de uno o más

sistemas de variables seleccionadas contra el tiempo, el cual generará una

imagen de las graficas con la posibilidad de guardar o copiar dichas imágenes.

3.2.6.3.- Resumen de simulación Type28.

El componente de resumen sumarizado de la simulación Type28, como los

Type25 y Type26, es una componente de procedimientos de salidas. El Type 28

puede usarse convenientemente para generar resúmenes de información

calculada en la simulación por día, semana, mes o por estaciones. Muchos

cálculos que pudieran formalmente ser realizados a mano desde la salida (Type

25) pueden realizarse ahora a intervalos específicos en forma automática.


105

3.3.- Referencias matemáticas.

Los modelos matemáticos utilizados por el programa TRNSYS para el

cálculo de la transferencia de calor en elementos que componen una edificación

son presentados a continuación.

3.3.1.- Modelos matemáticos para el cálculo de la t ransferencia de

calor.

Se describen los modelos para el cálculo de la transferencia de calor en

algunos componentes de la edificación, así como también los modelos que utiliza

el programa TRNSYS para la consideración de algunos elementos importantes en

la transferencia de calor.

3.3.1.1.- 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:

-." = ∑ 01,"12� &�3,",1 − ∑ 51,"12� &67,",1 − ∑ �1,"12� -.",1 (3.7)

Los coeficientes 01, 51 y �1 son los coeficientes de la función de

transferencia para los valores actuales y previos de la temperatura sol-aire &�3,",

temperatura equivalente de la zona &67,", y el flujo de calor -.". La temperatura sol-

aire, &�3,", es 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.


106

Un valor de ℎ igual a cero representa el intervalo de tiempo actual, ℎ igual a

uno representa la hora previa y así sucesivamente. Para una pared vertical,

generalmente se expresa por:

&�3," = &3 + �89:�; 1<,=

(3.8)

La temperatura de zona equivalente &67,", es análoga a la temperatura sol-

aire para la superficie interior. &67," 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:

&67," = &> + ?;@∑ 1A,;B�CD,B�CD,;�EBFG1<,;

(3.9)

La cantidad H" 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 ℎI,"$. Todas las superficies se suponen

negras para longitudes de onda-larga, tal que:

ℎI,"$ = 4KL",$&M (3.10)

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.


107

La ecuación 3.7 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:

-N. = ℎO,"�&�," − &67,"� (3.11)

Si la ecuación anterior es substituida dentro de la ecuación 3.7, el resultado

puede ser arreglado en la forma de la ecuación siguiente como:

&�," P1 − O=,;∗

1<,;∑ ℎI,"$R$2� S + O=,;∗

1<,;∑ ℎI,"$R$2� &�$ + 5T,"∗ &> =

∑ 01,"∗12� &�,",1 − ∑ 51,"∗12� &67,",1 − ∑ �1," 12� &�,",1 − O=,;∗ ?;1<,;

(3.12)

Donde:

5T,"∗ = O=,;1<,;

− 1 (3.13)

51,"∗ = OU,;1<,;

− �1 (3.14)

01,"∗ = VU,;1<,;

(3.15)

En términos de la nomenclatura de las funciones de transferencia:

!",$ = O=,;∗

1<,;ℎI,"$ WXYX ( ≠ , (3.16)

!"," = 1 − O=,;∗

1<,;∑ ℎI,"$R$2� (3.17)


108

!",R@� = 5T,"∗ (3.18)

'" = ∑ 01,"∗12� &�3,",1 − ∑ 51,"∗12� &67,",1 − ∑ �1," 12� &�,",1 − O=,;∗ ?;1<,;

(3.19)

3.3.1.2.- 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

-N. = ∑ �12� 01," − 51,"�&67,",1 − ∑ �1,"-N,1.12� (3.20)

Sustituyendo la ecuación 3.11 dentro de la ecuación 3.20, el resultado

puede ser arreglado en la forma de la siguiente ecuación, tal que:

!",$ = �O=,;∗ �V=,;∗ �1A,;B1<,;

WXYX ( ≠ , (3.21)

!"," = 1 − �O=,;∗ �V=,;∗ � ∑ 1A,;B1<,;

(3.22)

!",R@� = 5T,"∗ − 0T,"∗ (3.23)

'" = − ∑ 51,"∗12� &67,",1 − ∑ �1," 12� &�,",1 − �O=,;∗ �V=,;∗ �?;1<,;

(3.24)

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.


109

3.3.1.3.- 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 &67," 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 3.16 a la 3.19, se aplican para paredes interiores entre

las zonas si &�3," es remplazada por &67,". La temperatura de zona equivalente para

cualquier pared está dada como una salida opcional del programa.

3.3.1.4.- 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:

[N. = \"�],T,"�&3 − &67,"� (3.25)

El coeficiente de pérdidas desde la superficie interior a la exterior de la

ventana es un dato de entrada. El coeficiente global de pérdidas, �],T es el

reciproco de la suma de resistencias de la ventana � �^

�, el aire exterior � �1<,=

� y el

aire interior � �1<,;

�. La transferencia de energía es evaluada con la ecuación anterior

usando el último estimado de la temperatura interior equivalente &67,". Con esta

suposición, las ecuaciones de la 3.21 a la 3.24 son aplicables.


110

Este procedimiento permite un coeficiente de pérdidas global mientras se

retiene la independencia de tiempo de la matriz !"$.

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

Type35. Las ecuaciones de la 3.21 a la 3.24 son también aplicables a este modo.

3.3.1.5.- Ganancias radiativas.

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 _. La

radiación difusa que sale de la superficie _ pega en la superficie ( y se determina

usando factores de intercambio totales de Beckman.

Este factor L̀a", es definido como la fracción de energía que pega en la

superficie ( la cual es difusamente originada en la superficie _. Para una cavidad

con N superficies difusas reflejantes, Fki se expresa como:

LNbc = L"$ + L"de� L̀"$ + . . . + L""e" L̀"$ + . . . + L"$ e" L̀$$ + . . . + L"ReR L̀R$ (3.26)

La solución de la ecuación anterior puede ser escrita en notación matricial

como:

L̀"$% = g"$ − L"$e"% L"$% (3.27)


111

Donde:

g"$ = 1 WXYX ( = , g"$ = 0 WXYX i�Yi� 5X�i�

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 _ que pega en la superficie es La". 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.

3.3.1.6.- Espacio interno.

Realizando un balance de energía sobre la zona de aire y considerando

cualquier mobiliario como un sistema global, denominado lumped, se tiene:

j3k&>l − &>9

∆� = n ℎO,$\$o&�,$ − &>p + [.qR

$2�

+[. "rsd + 0.3[.�k6kd + [. "r� + [.> (3.28)

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.


112

Con estas suposiciones, la ecuación 3.28 puede ser arreglada como:

!R@�,$ = ℎO,$\$ (3.29)

!R@�,R@� = ∑ ℎO,$\$ − uvwx∆�

R$2� (3.30)

'R@� = −[.> − [.q − [. "rsd − 0.3[.�k6kd − [. "r� − uvwx∆� &>9 (3.31)

Las ganancias por ventilación e infiltración son expresadas como

[.q = y. qjk3�&q − &z� (3.32)

[. "rsd = y. "rsdjk3�&3 − &z� (3.33)

El flujo de ventilación es un dato de entrada, mientras que la razón de

infiltración se determina de

y. "rsd = {3|3�}� + }u|&3 − &z| + }M�� (3.34)

Donde: K1, K2 y K3 son constantes empíricas. Valores típicos para

diferentes calidades de construcción, tomadas del Handbook of Fundamentals

[ASHRAE, 2004], están dados en la Tabla 3.1 (Unidades del Sistema

Internacional) .

Tabla 3.1.- Coeficientes de regresión lineal múltiple de infiltración

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.


113

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 fue tomada del Handbook of Fundamentals [ASHRAE

2004].

Tabla 3.2.- Coeficientes de ganancias de calor debido a los ocupantes en espacios

acondicionadosa.

No Grado de actividad Aplicación típica Calor total b

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 Restaurante

c,

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 Fabrica 230 780 100 345 130 435

7 Caminando, 1.3 m/s

(3mph), trabajo ligero en maquinas

Fabrica 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 Fabrica 470 1600 165 565 300 1035

11 Trabajo pesado,

atletismo Gimnasio 525 1800 185 635 340 1165


114

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.

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.

Las ecuaciones 3.29 a la 3.31 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 por el usuario, entonces la temperatura de zona

es fijada igual al límite y son usadas las siguientes expresiones.


115

!R@�,$ = 0 (3.35)

!R@�,R@� = 1 (3.36)

'R@� = &> (3.37)

La energía sensible requerida para mantener la temperatura fijada en el

modo 1 es:

[.�6r� = [.> + [.� + [. "r� + 0.3[.�k6kd + [. "rs + ∑ ℎO,$\$o&�,$ − &>p − vwx�C��C��

∆�R$2� (3.38)

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 TYPE19 usa una iteración interna si el balance de energía sobre la

zona no está dentro del 2%.

3.3.1.7.- Cargas Latentes.

Un balance de humedad en el aire del cuarto en cualquier instante produce

la siguiente ecuación diferencial.

{3|3�� = y. "rsd��3 − �z� + y. q��q − �z� + �. 9 (3.39)


116

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 enfriamiento. Para este caso, la carga latente deberá

calcularse externamente al TYPE19, posiblemente con el TYPE32.

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 ωmin y ωmax). 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:

[. d3� = ∆ℎq3k y. "rsd��3 − �z� + y. q��q − �z� + �. 9% (3.40)

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.

3.4.- Interfaces del programa.

El programa TRNSYS se apoya en interfaces desarrolladas por diferentes

centros de investigaciones, lo cual facilita su uso. Para la simulación de

edificaciones se utilizaron las interfaces IISiBat y Prebid que a continuación se

describen.


117

3.4.1.- IISiBat.

IISiBat, fue desarrollado por el Centro Científico y Técnico de la Bâtiment en

Sophia Antipolis, Francia, puede ser traducido del francés como "Interfaz

Inteligente Para La Simulación De Los Edificios." IISiBat es un programa de

simulación que se ha adaptado al programa de simulación TRNSYS.

El paquete IISiBat está diseñado para manejar todas las tareas necesarias

relacionadas con TRNSYS. Estas funciones incluyen la creación y edición de

archivos de entrada, la creación de nuevos componentes, lista de visualización y

los archivos de salida, extrapolación de los resultados, simulaciones paramétricas,

además proporciona accesos directos a varias tareas repetitivas. La Figura 3.1

nos muestra la ventana principal de esta interfaz.

Figura 3.1.- Ventana principal de la interfaz IISiBat para TRNSYS.


118

3.4.2.- Prebid.

Prebid es una interfaz que provee los archivos necesarios para el Type56.

El usuario puede generar estos archivos usando Prebid o también lo puede hacer

por medio de un editor de texto para crear el archivo BUI. El programa Prebid es

una interfaz amigable que define las características físicas del edificio, así como

las condiciones de confort, ocupación, calentamiento, enfriamiento, orientación,

entre otras. Muchas de las variables que definen esos componentes pueden variar

con el tiempo, para lo cual, una nueva característica de activación de horarios de

los componentes es utilizada.

La Figura 3.2 muestra la ventana principal del programa Prebid en un

ejemplo de un edificio multizona.

Figura 3.2 Ventana principal del programa Prebid.

Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam-270

119

Capítulo IV.- Edificio Ámsterdam -270

En este capítulo se da la descripción y características del edificio a analizar,

para así poder estudiar sus condiciones actuales dadas las condiciones

meteorológicas de la zona donde se ubica, para proponer alternativas y mejorar su

confort térmico al interior. El edificio Amsterdam-270 es una edificación con

detalles artísticos, lo cual se ve en su geometría y los materiales utilizados en su

construcción. Del mismo modo, se describirán los datos meteorológicos utilizados

para la simulación del edificio.


120

4.1.- Descripción edificio Ámsterdam-270.

El edificio Ámsterdam-270 es un diseño original del arquitecto Juan José

Díaz Infante. Actualmente son las oficinas de la empresa IQH Inteligencia

Hidráulica, del arquitecto Valente Souza Saldivar. La realización de este estudio se

debe a la problemática en el confort dentro de la edificación, esto debido

principalmente a los materiales que componen su estructura y la radiación solar

que incide sobre ellos. En temporada de verano las temperaturas al interior son

muy altas y en temporada de invierno estas descienden por debajo de la

temperatura ambiente presente en la zona.

4.1.1.-Ubicación geográfica.

La edificación Ámsterdam-270 se ubica en la calle Ámsterdam número 270,

colonia Hipódromo Condesa, delegación Cuauhtémoc, en la ciudad de México,

Distrito Federal. Está ubicada a una latitud de 19°24´44.41” N, una longitud de

99°10´03.52” O y a una altura sobre el nivel del ma r de 2232 metros.

Figura 4.1.- Orientación Ámsterdam-270.


121

4.1.2.-Geometría general.

La edificación Ámsterdam-270 cuenta con 3 niveles en los cuales se ubican

oficinas para el personal de la empresa IQH Inteligencia Hidráulica, cuenta con un

área común entre los tres niveles que es una bodega y que cuenta con techo

inclinado vidriado, es en esta área donde se presentan los problemas de

sobrecalentamiento en épocas de verano, y sobreenfriamiento en épocas de

invierno.

En la azotea existe una oficina completamente vidriada y sobre de esta se

ubica una estructura compuesta de vidrios en forma de polígonos regulares, la

cual está compuesta de perfiles metálicos y se divide al interior en dos niveles.

Figura 4.2.- Vista lateral y frontal del edificio Ámsterdam-270.


122

En la Figura 4.3 se observa el corte longitudinal y transversal del edificio y

la Figura 4.4 muestra el interior de los niveles del edificio.

Figura 4.3.- Corte longitudinal y transversal del edificio Ámsterdam-270.

Figura 4.4.- Niveles del edificio Ámsterdam-270.


123

La Figura 4.5 muestra la fachada del edificio Ámsterdam-270, se observa su

composición entre estructuras y partes vidriadas.

Figura 4.5.- Vista frontal del edificio Ámsterdam-270.

En la Figura 4.6 se observa el techo del edificio, tanto la parte horizontal

como la parte inclinada, se ve su composición vidriada totalmente.

Figura 4.6.- Vista aérea del edificio Ámsterdam-270.


124

4.1.3.- Áreas.

Partiendo de la distribución que se tiene en los planos, así como en la

distribución y cambios actuales dentro de los niveles del edificio, se elaboraron los

planos actuales de las áreas que se encuentran en el edificio.

Dentro del edificio se tienen tres niveles, en el primero se localizan tres

áreas, las cuales se utilizan para una cafetería, un pasillo y una bodega, siendo

esta última área que ocupa la bodega, un área que es adyacente con los dos

niveles superiores, esta área tiene el mayor volumen de todas las áreas y es la

que presenta mayores problemas de confort térmico a lo largo del año.

El nivel siguiente se compone de dos áreas, en una se encuentra la oficina

y la segunda área es un departamento, adyacente a este nivel se encuentra el

área tres del primer nivel.

En el tercer nivel, se tienen tres áreas, estas son una oficina y dos pasillos

que rodean el área de la oficina. Se tiene un pasillo que atraviesa el nivel completo

para dar a un segundo pasillo ubicado en la parte frontal del edificio.

Fuera del edificio, en la azotea, se tiene una oficina de superficie octagonal,

la cual se encuentra completamente vidriada, sobre esta oficina se tiene una

estructura en forma de poliedro la cual está dividida en dos niveles en su interior,

esta estructura se encuentra completamente vidriada.

A continuación se describe cada nivel del edificio con sus correspondientes

áreas.


125

Figura 4.7.- Primer nivel del edificio (medidas en metros).

El primer nivel se compone de tres áreas, siendo el área tres la más grande

de todas y con el mayor volumen, siendo adyacente a los dos niveles superiores.


126

Figura 4.8.- Segundo nivel del edificio (medidas en metros).

El segundo nivel del edificio está distribuido con dos áreas y el área tres es

adyacente del primer nivel.


127

Figura 4.9.- Tercer nivel del edificio (medidas en metros).

El tercer nivel del edificio cuenta con tres áreas y el área 3 es adyacente del

primer nivel.


128

La oficina ubicada en la azotea del edificio tiene la siguiente geometría:

Figura 4.10.- Oficina ubicada en la azotea del edificio (medidas en metros).

Cada zona tiene sus características particulares que definen el

comportamiento térmico al interior y la interacción con otras zonas, estas

características propias de cada área son:

• Dimensiones

• Área

• Volumen

• Materiales de sus paredes, pisos y techos

• Propiedades de cada uno de los materiales

• Áreas vidriadas

• Orientación de sus paredes

• Interacción con otras áreas adyacentes


129

4.1.4.- Orientación.

La orientación del edificio es la siguiente:

Figura 4.11.- Orientación del edificio respecto a coordenadas cartesianas.

La fachada del edificio se encuentra 15 grados en sentido contrario al

movimiento de las manecillas del reloj de la orientación este (E). Con estos datos y

la geometría de la edificación se definieron las superficies que conforman la

envolvente para realizar el cálculo de la radiación incidente en cada superficie de

acuerdo al modelo de cálculo seleccionado en TRNSYS. Las superficies de la

envolvente y sus orientaciones son las siguientes:

Figura 4.12.- Orientación de las superficies que conforman la envolvente del edificio.


130

La superficie 5 tiene un ángulo de inclinación de 45° con respecto a la

horizontal, esta superficie del techo se encuentra vidriada, al igual que parte de la

superficie horizontal.

Figura 4.13.- Superficies que conforman la envolvente del edificio.

4.1.5.-Materiales.

Los materiales utilizados en la edificación Ámsterdam-270 son diversos,

tanto para pisos, techos, paredes, y entrepisos. Se definieron las propiedades de

cada uno de los materiales considerando sus características geométricas,

dimensiones y materiales que los constituyen.

A continuación se muestran en las Tablas 4.1 y 4.2 las características y

propiedades termofísicas de cada uno de los materiales utilizados en las paredes

exteriores, paredes interiores, en el techo y entre pisos, así como los vidrios

existentes en la edificación Ámsterdam-270.


131

Tabla 4.1.- Materiales de construcción del edificio Ámsterdam-270.

Superficie Espesor

(mm)

Conductividad Térmica

(W)/(m K)

Densidad (Kg)/(m3)

Calor Específico (J)/(Kg K)

Paredes al Exterior

Muro Térmico Compuesto Multymuro

Lámina Galvanizada 1 58 7850 480 Espuma Rígida de Poliuretano 63 0.01902 40 1758.46

Lámina Galvanizada 1 58 7850 480 Techo Pesado

Losa compuesta [Losacero] Lámina Galvanizada 1.245 58 7850 480

Concreto Armado [Hormigón Armado]

145.755 1.731 2300 840

Concreto Ligero 400 0.582 1250 840 Tierra Vegetal 300 0.52 2050 1840

Entrepisos Losa compuesta [Losacero]

Lámina Galvanizada 1.245 58 7850 480 Concreto Armado

[Hormigón Armado] 145.755 1.731 2300 840

Duela Vinílica 3 0.185 1395 1250 Pisos

Piso Alfombrado Concreto Ligero 50 0.582 1250 840

Pegapiso 20 0.47 1400 1000 Loseta 10 1.2 2000 1000

Alfombra 10 0.05 1000 1350 Piso Loseta

Concreto Ligero 50 0.582 1250 840 Pegapiso 20 0.47 1400 1000

Loseta 10 1.2 2000 1000


132

Tabla 4.2.- Materiales de construcción del edificio Ámsterdam-270 (continuación).

Superficie Espesor

(mm)

Conductividad Térmica

(W)/(m K)

Densidad (Kg)/(m3)

Calor Específico (J)/(Kg K)

Paredes Internas Pared Interna de Triplay

Triplay 20 0.12 545 1215

Pared Interna de Tabla-roca

Placa Yeso-Cartón 12 0.431 1250 1038 Aire 70 0.03 1.2 1213

Placa Yeso-Cartón 12 0.431 1250 1038

Vidrios Ventanas

Vidrio Claro Templado 6 1.05 2500 720 Vidrio Claro Templado 9 1.05 2500 720

Vidrio Claro con Película Polarizada

9 1.05 2500 720

Vidrio Claro Templado 10 1.05 2500 720

Las propiedades ópticas de los vidrios presentes en el edificio se presentan

en la Tabla 4.3:

Tabla 4.3.- Propiedades ópticas de los vidrios utilizados en el edificio Ámsterdam-270.

Características del Vidrio Propiedades

Vidrio ID-Product

Name Espesor

(mm) Transmitancia

Solar (Tsol) Transmitancia Visible (Tvis)

Emisividad al Exterior (emis)

Claro Templado

415-Clear Float Glass 6.vto

5.775 0.772 0.878 0.84

Claro Templado

407-Clear Floa Glass 10.vto

9.291 0.695 0.853 0.84

Claro con Película

Polarizada

14101-SSTST Silber20Grey10.0

9.8 0.057 0.061 0.84

Templado Entintado

404-Tintex 10.vto 9.457 0.327 0.668 0.84


133

4.1.6.-Cálculo de los coeficientes globales de tran sferencia de calor

Factor-U y los coeficientes de ganancia solar SHGC.

Los coeficientes de transferencia de calor de los materiales utilizados en la

edificación fueron calculados conforme a la norma mexicana NOM-008-ENER-

2001, los valores utilizados según la norma se encuentran en la Tabla 4.4 y son

los siguientes:

Tabla 4.4.- Coeficientes convectivos según NOM-008-ENER-2001.

Valores de los Coeficiente Convectivos

Exterior

Superficies Horizontales y Verticales

he: 13 (W)/(m2 K)

Interior

Superficies Horizontales

Flujo de calor hacia arriba

hi: 9.4 (W)/(m2 K)

Flujo de calor hacia abajo

hi: 6.6 (W)/(m2 K)

Superficies Verticales

hi: 8.1 (W)/(m2 K)

Valores Tomados de la Norma Oficial Mexicana

NOM-008-ENER-2001, Eficiencia energética en

edificaciones, envolvente de edificios no

residenciales.

Los resultados de los coeficientes de transferencia de calor calculados con

los valores definidos por la norma mexicana NOM-008-ENER-2001 son los

mostrados en la Tabla 4.5.


134

Tabla 4.5.- Coeficientes globales de transferencia de calor de los materiales (U).

Superficie Coeficiente Global de

Transferencia de Calor U (W)/(m2 K)

Paredes al Exterior

Muro Térmico Compuesto Multymuro

Lámina Galvanizada 0.284679906 Espuma Rígida de Poliuretano

Lámina Galvanizada Techo Pesado

Losa compuesta [Losacero] Lámina Galvanizada

0.634167378 Concreto Armado [Hormigón

Armado] Concreto Ligero Tierra Vegetal

Entrepisos

Losa compuesta [Losacero] Lámina Galvanizada

2.478494366 Concreto Armado [Hormigón

Armado] Duela Vinílica

Paredes Internas

Pared Interna de Triplay Triplay 2.417910448

Pared Interna de Tablaroca Placa Yeso-Cartón

0.379372548 Aire Placa Yeso-Cartón

Mediante las propiedades termofísicas y ópticas de los vidrios utilizados en

el edificio Ámsterdam-270 se calcularon los coeficientes globales de transferencia

de calor (Factor U) y los coeficientes de ganancia solar (SHGC) de cada.


135

Estos cálculos fueron realizados mediante lo definido por la ASHRAE,

mismo método que utiliza el programa TRNSYS para sus cálculos, estos son:

Tabla 4.6.- Coeficientes globales de transferencia de calor (U) y coeficientes de ganancia solar

(SHGC) de los vidrios utilizados.

Vidrio ID-Product Name Espesor

(mm) U-Factor (W/m2K)

SHGC

Claro Templado 415-Clear Float Glass

6.vto 5.775 5.249 0.818

Claro Templado 407-Clear Float Glass

10.vto 9.291 5.148 0.767

Claro con Película Polarizada

14101-SSTSTSilber20Grey10.0

9.8 5.134 0.248

Templado Entintado 404-Tintex 10.vto 9.457 5.143 0.524

4.2.- Condiciones meteorológicas.

Las condiciones meteorológicas fueron proporcionadas por el Servicio

Meteorológico Nacional (SMN). La estación meteorológica más cercana al edificio

es la ubicada en Observatorio 192, Delegación Miguel Hidalgo, CP 11860 en la

Ciudad de México, Distrito Federal, se ubica aproximadamente a 3.2 kilómetros de

distancia.

Las variables requeridas son la radiación solar incidente, la temperatura

ambiente, la humedad relativa y la velocidad del viento. Estos datos fueron

proporcionados en mediciones en intervalos de tiempo a cada 10 minutos, por lo

que se promediaron los datos para obtener valores horarios. Finalmente, se

obtuvieron 8760 datos de cada una de las variables correspondientes al año 2010.

En la Figura 4.14 se muestra la localización tanto del edificio Ámsterdam

270 y la estación meteorológica ubicada en SMN Observatorio.


136

Figura 4.14.- Localización edificio Ámsterdam 270 y la estación meteorológica SMN Observatorio.

En el Servicio Meteorológico Nacional ubicado en Observatorio (SMN

Observatorio), el equipo que registra la medición de las variables es una Estación

Meteorológica Automática (EMA). Una Estación Meteorológica Automática, está

conformada por un grupo de sensores que registran y transmiten información

meteorológica de forma automática de los sitios donde están estratégicamente

colocadas. Su función principal es la recopilación y monitoreo de algunas

Variables Meteorológicas para generar archivos del promedio de cada 10 minutos

de todas las variables, esta información es enviada vía satélite en intervalos de 1 ó

3 horas por estación.

La hora que se utiliza para registrar los datos es el horario TUC ó UTC

(Tiempo Universal Coordinado) por esta razón se debe tener en consideración

este factor para la correcta interpretación de los datos medidos. El área

representativa de las estaciones es de 5 km de radio aproximadamente, en terreno

plano, excepto en terreno montañoso, por lo que los datos proporcionados por

esta estación meteorológica son de utilidad para este estudio.


137

4.2.1.- Descripción de la estación meteorológica.

Para este estudio se utilizarán los datos de: radiación solar (global),

temperatura de bulbo seco, porcentaje de humedad relativa y la velocidad del

viento, las cuales se obtuvieron mediante el monitoreo de la estación

meteorológica.

Los sensores que integran la estación meteorológica son para medición de:

o Velocidad del viento

o Dirección del viento

o Presión atmosférica

o Temperatura y Humedad relativa

o Radiación solar

o Precipitación

Este equipo es de tipo andamio como se presenta en la Figura 4.15.

Figura 4.15.- Estación meteorológica utilizada en el SMN Observatorio.


138

En la Figura 4.16 se describen cada una de las variables meteorológicas

medidas por la estación meteorológica del SMN Observatorio.

Figura 4.16.- Variables meteorológicas medidas con la EMA.


139

La ubicación de la Estación Meteorológica Automática (EMA) del Servicio

Meteorológico Nacional (SMN) Observatorio es:

Figura 4.17.- Ubicación de la estación meteorológica automática SMN Observatorio.

Dirección: Observatorio 192

Delegación Miguel Hidalgo

CP 11860.

México, Distrito Federal

Latitud: 19°24´13.76” N

Longitud: 99°11´42.11” O

Altura: 2297 msnm (Metros sobre el nivel del mar)


140

4.2.2.-Datos meteorológicos.

A continuación se presentan los valores promedios mensuales de las

variables utilizadas en el presente trabajo. Todos los datos corresponden a

mediciones realizadas durante el año 2010.

4.2.2.1.- Valores promedios mensuales del año 2010.

Los datos promedios mensuales de la radiación solar mensual globalizados,

temperatura ambiente, humedad relativa y velocidad del viento son mostrados en

la Tabla 4.7.

Tabla 4.7.- Promedios mensuales registrados de las variables meteorológicas.

Mes Radiación Solar

[W/m 2] Temperatura Ambiente [°C]

Humedad Relativa [%]

Velocidad del Viento [m/s]

Enero 3734.6 13.5 54.1 2.4

Febrero 4626.9 14.3 44.5 2.6

Marzo 5356.0 17.1 30.7 2.6

Abril 6007.1 19.1 39.0 2.6

Mayo 6214.7 20.9 39.1 2.6

Junio 5471.9 19.8 54.7 2.7

Julio 4020.8 17.3 75.2 2.5

Agosto 4646.7 17.6 70.8 2.8

Septiembre 4305.7 17.4 69.4 2.8

Octubre 5310.6 16.5 49.5 2.6

Noviembre 4600.5 15.1 44.4 2.2

Diciembre 4675.3 14.3 38.1 2.3


141

La Figura 4.18 que a continuación se presenta, muestra el comportamiento

promedio mensual de cada una de las variables en el transcurso del año 2010.

Figura 4.18.- Valores promedios mensuales del año 2010.


142

4.2.2.2.- Valores mínimos mensuales registrados en el año 2010.

Los valores mínimos mensuales registrados de la temperatura ambiente, de

la humedad relativa y de la velocidad del viento se presentan en la Tabla 4.8.

Con estos valores se observa que los meses de noviembre, diciembre y

enero son los más fríos. Del mismo modo se observa que los meses de marzo,

abril y mayo son los menos húmedos, teniendo registro de valores de humedad

relativa menores de 40 %.

Tabla 4.8.- Valores mínimos mensuales registrados de las variables meteorológicas.

Mes Temperatura Ambiente[°C]

Humedad Relativa [%] Velocidad del Viento [m/s]

Enero 5.1 54.1 0.4

Febrero 6.0 44.5 0.4

Marzo 4.7 30.7 0.6

Abril 9.7 39.0 0.1

Mayo 12.4 39.1 0.1

Junio 13.7 54.7 0.7

Julio 12.7 75.2 0.1

Agosto 11.7 70.8 0.3

Septiembre 8.9 69.4 0.1

Octubre 7.1 49.5 0.1

Noviembre 2.7 44.4 0.2

Diciembre 3.3 38.1 0.1

Anual Mínima 2.7 30.7 0.1


143

La Figura 4.19 presenta los valores mínimos mensuales registrados de

cada una de las variables en el transcurso del año 2010, la radiación solar no se

considera debido a que su medición mínima es cero.

Figura 4.19.- Valores mínimos mensuales del año 2010.


144

4.2.2.3.- Valores máximos mensuales registrados en el año 2010.

Los valores máximos mensuales registrados de la radiación solar,

temperatura ambiente, humedad relativa y velocidad del viento se presentan en la

Tabla 4.9.

Tabla 4.9.- Valores máximos mensuales registrados de las variables meteorológicas.

Mes Radiación

[W/m 2] Temperatura

[°C] Humedad

Relativa [%] Velocidad del Viento

[m/s] Enero 846.5 26.5 54.1 9.6

Febrero 969.5 24.2 44.5 7.2

Marzo 1017.8 28.0 30.7 8.1

Abril 1070.3 28.5 39.0 6.9

Mayo 1040.5 30.3 39.1 7.2

Junio 1016.7 28.8 54.7 6.4

Julio 1057.3 25.5 75.2 6.4

Agosto 1020.8 25.8 70.8 7.8

Septiembre 973.8 25.2 69.4 5.7

Octubre 951.5 26.5 49.5 6.6

Noviembre 858.3 24.9 44.4 6.0

Diciembre 846.5 26.5 38.1 9.6

Anual Máxima 1070.3 30.3 75.2 9.6

De la Tabla 4.9 se observa que los meses con temperaturas más altas son

marzo, abril, mayo y junio. Mientras que los meses de julio, agosto y septiembre

son los más húmedos, esto debido a que están dentro de los meses de lluvia. La

radiación incidente para los meses de marzo, abril, mayo, junio, julio y agosto

están por arriba de los 1000 W/m2.


145

En la siguiente Figura 4.20 se presentan los valores máximos registrados

mensualmente durante el año 2010 de cada una de las variables.

Figura 4.20.- Valores máximos mensuales del año 2010.


146

4.3.- Clasificación climática y estrategias de clim atización.

Para las condiciones meteorológicas en la que se encuentra el edificio

Ámsterdam 270, se realizaron las clasificaciones climáticas de acuerdo a los

valores mínimos y máximos reportados mensualmente, del mismo modo, se tienen

algunas estrategias de climatización para enfriamiento. Estos gráficos fueron

obtenidos mediante el programa PsychTool, en el cual los datos de entrada son el

porcentaje de humedad relativa y la temperatura, sean mínimas o máximas, de

acuerdo al caso que se desee graficar [PsychTool, 1999].

4.3.1.- Clasificación climática.

La clasificación climática que maneja el programa PsychTool se divide

como se muestra en la Figura 4.21, los tipos de clima que son: Warm Humid

(Cálido-Húmedo), Hot Humid (Caliente-Húmedo), Hot Dry (Caleinte-Seco), Warm

Dry (Cálido Seco), Moderate (Moderado) y Cool (Frío).

Figura 4.21.- Clasificación climática.


147

En la Figura 4.22 se muestra la clasificación climática para los valores

máximos mensuales reportados, los cuales se ubican en las clasificaciones de

moderado para los meses de enero, febrero, octubre, noviembre y diciembre; para

los meses de marzo, abril y mayo se encuentran en un clima cálido-seco; en junio

su clima es cálido-húmedo; mientras que los meses de julio, agosto y septiembre,

la clasificación del clima esta moderado y cálido-húmedo.

Figura 4.22.- Clasificación climática para los valores máximos mensuales registrados.

En la Figura 4.23 se muestra la clasificación climática para los valores

mínimos mensuales registrados, la figura muestra que debido a las temperaturas,

la clasificación climática se sitúa por debajo de la clasificación de frío durante todo

el año, por lo que el edificio está expuesto a bajas condiciones de temperatura.

Esto afecta el confort térmico dentro del edificio, pero en los meses de verano

esas temperaturas se registran en la madrugada, por lo que la evolución de la

temperatura en el horario laboral no se ve afectada, caso contrario en los meses

de invierno, en donde se registran bajas temperaturas en horario laboral, lo que

afecta el confort al interior.


148

Figura 4.23.- Clasificación climática para valores mínimos mensuales registrados.

4.3.2.- Estrategias de climatización.

Con la clasificación obtenida mediante el programa PsychTool se pueden

utilizar las cartas de estrategias de climatización para enfriamiento las cuales se

observan en la Figura 4.24.

Figura 4.24.- Estrategias de climatización para enfriamiento.


149

Las cartas de estrategias de climatización indican que estrategias son

necesarias para poder lograr temperaturas de confort al interior del edificio.

En la Figura 4.25 se muestran las estrategias de climatización para

enfriamiento, utilizadas para los valores máximos mensuales registrados, estos

por lo general son acciones como ventilación y evaporación.

Figura 4.25.- Estrategias de climatización para valores máximos mensuales registrados.

Las estrategias de climatización para los valores mínimos mensuales

registrados para lograr el confort térmico, como se muestra en la Figura 4.26, no

son necesarios para estas temperaturas, para ello es necesario de sistemas de

calefacción, que permitan incrementar las bajas temperaturas.


150

Figura 4.26- Estrategias de climatización para valores mínimos mensuales registrados.

4.4.- Consideraciones en zonas del edificio Ámsterd am-270.

Después de realizar las primeras simulaciones de la edificación se observó

que existía una diferencia mínima entre algunas áreas, dicha diferencia eran

menores a 1 °C. Por lo que se decidió reagrupar las áreas y crear zonas las cuales

son nombradas de manera que sea más fácil su identificación y así reducir los

valores a graficar gracias a agrupación de algunas zonas.

4.4.1.- Zonificación.

Se observó que las áreas 1 y 2 del primer nivel no varían en más de un 1 °C

aproximadamente, al igual que el área 8 del tercer nivel con respecto al área 6 no

presentaba variación mayor a un 1 °C, mientras que en las áreas de la azotea, el

poliedro vidriado que se compone de dos niveles en su interior presentan un

comportamiento similar en las temperaturas.


151

Por todo esto se definieron zonas y se nombraron para poder identificarlas

con mayor facilidad, a continuación se presentan las zonas definidas que a partir

de ahora serán analizadas y se darán los resultados obtenidos de las simulaciones

en el siguiente capítulo.

Primer Nivel.-

Figura 4.27.- Zonas primer nivel.

Las áreas 1 y 2 ahora serán la zona 1N-Espacio1.

El área 3 ahora será la zona1N-Espacio2.


152

Segundo Nivel.-

Figura 4.28.- Zonas segundo nivel.

El área 4 será la zona 2N-Oficina.

El área 5 será la zona 2N-Departamento.

Adyacente a este nivel se encuentra la zona 1N-Espacio2


153

Tercer Nivel.-

Figura 4.29.- Zonas tercer nivel.

El área 6 y 8 serán la zona 3N-Oficina.

El área 7 será la zona 3N-Pasillo.

Adyacente a este nivel se encuentra la zona 1N-Espacio2


154

Azotea.

Figura 4.30.- Zonas azotea.

La oficina se definió como Azotea-Oficina

Las dos áreas que comprenden el poliedro se definió como Azotea-Poliedro


155

Finalmente se tienen ocho zonas en las cuales se centrarán las

simulaciones para el estudio del comportamiento térmico, estas son:

1. 1N-Espacio1

2. 1N-Espacio2

3. 2N-Oficina

4. 2N-Depto

5. 3N-Oficina

6. 3N-Pasillo

7. Azotea-Oficina

8. Azotea-Poliedro

Para cada una de las zonas se consideraron los materiales propios de cada

pared, así como de los techos y pisos, se consideraron también los espacios

abiertos y la interacción de las zonas entre sí dadas las opciones del programa

TRNSYS.

Capítulo V.- Resultados

156


En este capítulo se presentan los resultados obtenidos de la simulación del

edificio mediante el programa TRNSYS y su discusión. Las simulaciones fueron

realizadas para la situación actual del edificio, y después se definieron varios

casos en los cuales se realizó una variación en los parámetros que afectan el

comportamiento térmico del edificio. Dichas simulaciones se realizaron en

evolución libre y con cargas térmicas para calefacción y refrigeración.


157

5.1.- Energía solar incidente sobre la envolvente.

Las primeras simulaciones realizadas fueron sobre la envolvente del edificio

para obtener la energía solar incidente sobre cada una de las paredes y techos. A

continuación en la figura 5.1 se presentan las superficies tomadas en cuenta en la

envolvente del edificio.

Figura 5.1.- Superficies de la envolvente del edificio.

Se consideraron seis superficies, se tomará la superficie del techo con el

nombre de Superficie Horizontal, las demás se les asignará un numero. Por lo

tanto, las características de cada superficie son:

Superficie Horizontal

Ángulo de Inclinación: 0°

Ángulo de Azimuth: 0°

Superficie 1




158

Superficie 2



Superficie 3



Superficie 4



Superficie 5



Los resultados obtenidos de la irradiación solar diaria de las superficies se

promediaron para obtener medias mensuales y se presentan a continuación en la

figura 5.2.

Figura 5.2.- Energía solar incidente sobre las superficies de la envolvente del edificio.

Se observa que las superficies que reciben mayor radiación a lo largo del

año son la superficie horizontal y la superficie 5, ambas superficies comprenden el

techo del edificio y están compuestas en su mayoría de una estructura vidriada.


159

5.2.- Situación actual del edificio.

En el capítulo anterior se definió la geometría del edificio, así como los

materiales utilizados en cada una de las zonas y la envolvente. En términos

generales el edificio se dividió en ocho zonas, de las cuales seis zonas se

ubicaron al interior y dos zonas al exterior del edificio, ubicadas en la parte

superior en la azotea.

El rango de temperaturas de confort térmico es entre los 19 °C y los 26 °C,

de acuerdo a cálculos realizados por Szokolay, en las gráficas que a continuación

presentan los resultados obtenidos, se referencian dichas temperaturas [Szokolay,

1997].

5.2.1.- Evolución libre.

A continuación se presentan las temperaturas promedio y las temperaturas

máximas y mínimas mensuales del aire al interior para cada zona del edificio, de

igual forma, se presenta la temperatura promedio del aire interior del edificio

obtenida de la simulación del edificio en la situación actual.

5.2.1.1.- Temperaturas promedio, máximas y mínimas mensuales por zonas.

A continuación en la figura 5.3 se presentan las temperaturas promedios

mensuales (a), las temperaturas máximas mensuales (b) y las temperaturas

mínimas mensuales (c) del aire al interior para cada zona del edificio.


160

(a)

(b)

(c)

Figura 5.3.- Temperaturas promedio (a), máximas (b) y mínimas (c) mensuales por zonas.


161

De la figura 5.3(a) se observa que las temperaturas promedio mensuales

del aire entre los meses de Marzo a Junio están fuera de la zona de confort

térmico para algunas zonas del edificio, mientras que para los meses entre

Noviembre y Febrero se presentan algunas zonas en las que las temperaturas

están por debajo de la zona de confort.

La figura 5.3(b) presenta las temperaturas máximas del aire registradas en

el edificio, de las cuales se puede observar que en todas las zonas se registran

temperaturas mayores a la temperatura de confort térmico en cada uno de los

meses. La figura muestra que las temperaturas del aire más altas registradas

dentro del edificio se dan en la zona 1N-Espacio02 y 3N-Pasillo, es importante

destacar que la zona de nombre 1N-Espacio02 es adyacente a cada uno de los

pisos, de aquí la importancia que toma esta zona para lograr obtener temperaturas

dentro de la zona de confort térmico y mejorar el comportamiento térmico de las

demás zonas. La temperatura del aire al interior más alta registrada en esta zona

es de 49.1 °C en el mes de mayo.

En la figura 5.3(c) se presentan las temperaturas del aire mínimas

registradas mensualmente al interior del edificio, cabe considerar que las horas

donde se registran estas temperaturas son fuera del horario laboral, por lo que

más adelante se presentarán resultados para los días característicos, es decir el

día más frío y el día más cálido dentro del edificio. Se observa en la figura que las

zonas donde se registran las temperaturas más bajas del aire al interior son en las

zonas 1N-Espacio02, Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro, estas zonas tienen en

común el que cuentan con grandes áreas vidriadas. En la zona Azotea-Oficina se

registra una temperatura del aire al interior de 3.9 °C en el mes de Noviembre y en

la zona 1N-Espacio02 se registra una temperatura mínima de 5.1 °C.


162

5.2.1.2.- Temperatura promedio mensual del edificio .

Se obtuvo una temperatura promedio mensual del aire al interior del edificio

para cada mes, y se compara con la temperatura promedio del aire ambiente

mensual, el comportamiento se observa en la figura 5.4.

Figura 5.4.- Comparación de la temperatura promedio del edificio y la temperatura ambiente.

La figura muestra que los meses con las temperaturas más altas son entre

los meses de Marzo y Junio, mientras que los meses con las temperaturas más

bajas son entre Octubre y Febrero.

De la situación actual del edificio se observa que las temperaturas más

altas registradas se tienen en la zona 1N-Espacio02 con un registro máximo de

49.1 °C en el mes de mayo, y para la temperatura mí nima registrada se tuvo en la

zona Azotea-Oficina con un registro de 3.8 °C. La z ona 1N-Espacio02 se

considera que es una zona donde el comportamiento térmico del aire es a la par

del comportamiento de la temperatura del aire ambiente, esto debido a su baja

masa térmica, dado los materiales utilizados en sus techos y paredes.


163

Finalmente, se puede concluir que observando el comportamiento de la

temperatura promedio del aire mensual de todo el edificio comparada con la

temperatura promedio del aire ambiente, se mantiene un comportamiento similar a

lo largo del año, con una diferencia máxima de 5.8 °C y una mínima de 3.9 °C

entre la temperatura del aire del edificio y la de temperatura del aire del ambiente,

siendo la del edificio siempre mayor.

5.2.2.- Cargas térmicas.

Se realizaron simulaciones para calcular las cargas térmicas para

refrigeración y calefacción necesarias para lograr temperaturas del aire al interior

dentro del rango de confort térmico en el edificio. Se muestran los resultados

anuales y mensuales para cada una de las zonas que componen el edificio.

5.2.2.1.- Cargas térmicas mensuales por zonas.

A continuación en las figuras 5.5 y 5.6 se presentan las cargas térmicas de

refrigeración y calefacción mensuales necesarias para mantener dentro del rango

de temperaturas de confort térmico a cada una de las zonas.

La figura 5.5(a) y 5.5(b) muestran las cargas térmicas para la zona 1N-

Espacio01 y 1N-Espacio02 del primer nivel del edificio. Las figuras 5.5(c) y 5.5(d)

muestran las cargas térmicas para la zona 2N-Oficina y la zona 2N-Departamento

correspondientes al segundo nivel del edificio. La figura 5.6(a) y la figura 5.6(b)

muestran las cargas térmicas para las zonas 3N-Oficina y 3N-Pasillo del tercer

nivel respectivamente. La figura 5.6(c) y la figura 5.6(d) muestran las cargas

térmicas para las zonas ubicadas fuera del edificio, que son las zonas Azotea-

Oficina y Azotea-Poliedro.


164

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 5.5.- Cargas térmicas de refrigeración y calefacción para las zonas (a) 1N-Espacio01,

(b) 1N-Espacio02, (c) 2N-Oficina y (d) 2N-Departamento.


165

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 5.6.- Cargas térmicas de refrigeración y calefacción para las zonas (a) 3N-Oficina,

(b) 3N-Pasillo, (c) Azotea-Oficina y (d) Azotea-Poliedro.


166

Para la zona 1N-Espacio01 se observa un mayor requerimiento de cargas

térmicas de refrigeración que de calefacción. Los meses cálidos que van de marzo

a junio son los más críticos, ya que requieren hasta 383.6 kWh en el mes de

mayo, el mínimo se registra en el mes de enero; sin embargo, para este mes se

requieren de 145.1 kWh de cargas de calefacción, siendo el requerimiento máximo

de este tipo de carga.

La zona crítica 1N-Espacio02 requiere de enormes cantidades de cargas de

refrigeración y calefacción. Para el mes de mayo se requiere de 3,659 kWh de

cargas de refrigeración, y para el mes de enero, la zona requiere de 2,390 kWh de

cargas de calefacción, esto debido al techo vidriado y al volumen de espacio a

acondicionar.

La zona 2N-Oficina y 2N-Departamento, se comportan de forma similar con

las zonas 3N-Oficina y 3N-Pasillo, siendo las zonas 2N-Departamento y 3N-Pasillo

las de mayor consumo de cargas térmicas debido a que están cuentan con

paredes vidriadas en la parte frontal de cada zona, con una demanda de 808.1

kWh de cargas de refrigeración máxima para la zona 2N-Departamento, mientras

que en la zona 3N-Pasillo se requieren de 353.4 kWh de cargas de calefacción

como máximo.

En la azotea del edificio se tienen las zonas Azotea-Oficina y Azotea-

Poliedro. Ambas zonas presentan paredes vidriadas en la mayoría de su área y

nula infiltración. En estas zonas se requieren más las cargas térmicas de

calefacción durante el año. La zona Azotea-Oficina requiere la máxima utilización

de cargas térmicas de refrigeración para el mes de mayo de 1049 kWh, mientras

que para calefacción en el mes de enero requiere un máximo de 1806 kWh. Para

la zona Azotea-Poliedro requiere la máxima utilización de cargas térmicas de

refrigeración para el mes de mayo de 799.8 kWh, mientras que para calefacción

en el mes de enero requiere un máximo de 1568 kWh.


167

Finalmente, la figura 5.7 muestra las cargas térmicas mensuales totales

para calefacción y refrigeración necesarias para lograr el confort térmico al interior

del edificio. Se observa que en el mes de Mayo se necesitan 9,761.1 kWh de

cargas de refrigeración para lograr mantener dentro del confort al edificio, mientras

que en el mes de Enero las cargas de calefacción son las mayores con 9,616.7

kWh. Las menores cargas de refrigeración se presentan en Enero y las de

calefacción en el mes de Mayo.

Figura 5.7.- Cargas térmicas de refrigeración y calefacción mensuales para el edificio.

Se observa que las cargas térmicas de refrigeración son más necesarias

durante los meses de verano, donde la temperatura del aire interior del edificio

supera los 40 °C. En los meses de invierno las carg as térmicas de calefacción son

requeridas, no obstante, a diferencia de las cargas de refrigeración, estas son

requeridas en horarios fuera del horario laboral, es decir, las temperaturas del aire

interior más bajas registradas se dan en la madrugada cuando el edificio se

encuentra sin personal, en cambio, el registro de las altas temperaturas del aire en

el edificio en verano, se dan en horario laboral, por lo que son más necesarias las

cargas térmicas para refrigeración en verano para lograr temperaturas del aire al

interior del edificio dentro de la zona de confort térmico.


168

5.2.2.2- Cargas térmicas anuales por zonas.

A continuación la figura 5.8 muestra las cargas térmicas anuales de

refrigeración y calefacción, necesarias para alcanzar temperaturas del aire al

interior del edificio dentro de la zona de confort térmico para cada una de las

zonas.

Figura 5.8.- Cargas térmicas de refrigeración y calefacción anuales por zonas.

Se observa que la zona que requiere más cargas térmicas de refrigeración

es la zona crítica 1N-Espacio02 con 26,990 kWh al año, así mismo, esta misma

zona, requiere de grandes cantidades de carga térmica de calefacción para lograr

temperaturas del aire al interior dentro del rango de confort térmico con 15,730

kWh al año.

Las zonas Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro requieren de mayores

cantidades de cargas térmicas de calefacción durante el año, con un máximo de

11,790 kWh, estas mismas zonas y las zonas 2N-Departamento y 3N-Pasillo son

las que más requieren cargas térmicas de refrigeración para lograr condiciones de

temperatura del aire dentro del confort térmico con un máximo de 6,896 kWh.


169

5.3.- Estudio de variación de parámetros.

Analizando las gráficas anteriores de las temperaturas del aire promedio al

interior del edificio y las cargas térmicas necesarias durante el año para cada zona

del edificio, sea de refrigeración o calefacción, se definen dos periodos durante el

año: invierno y verano. Para el periodo de invierno, son mas requeridas las cargas

de calefacción, este periodo comprenden los meses entre Octubre y Febrero,

mientras que en el periodo de verano son mas requeridas las cargas para

refrigeración, los meses comprendidos en este periodo son entre los meses de

Marzo y Septiembre.

Para estos dos periodos, se realizaron simulaciones variando parámetros

para poder obtener mejoras en el confort térmico al interior del edificio. Los

parámetros a variar son: la infiltración, el sombreado de paredes y techos

vidriados, así como la utilización de vidriado de baja emisividad y reflejantes en las

paredes y techos donde se presenta mayor incidencia de radiación solar.

5.3.1.-Definición de Casos.

Los resultados obtenidos de la variación de parámetros, se presentan en

dos partes: la primera parte corresponde a la variación de la infiltración y el

sombreado de las paredes y techos vidriados, mientras que en la segunda parte

se presentará los resultados obtenidos de las simulaciones en donde se considera

la utilización de un vidriado diferente en las paredes y techos vidriados, y la

infiltración. Los resultados se presentarán en evolución libre y con cargas térmicas

para los dos periodos del año.


170

Las superficies a considerar para el sombreamiento son las ubicadas en el

segundo nivel, la zona 2N-Departamento, y en el tercer nivel, la zona 3N-Pasillo,

ambas paredes vidriadas están orientadas al este, así mismo, se considerará el

techo inclinado y horizontal los cuales se encuentran vidriados.

El sombreamiento de las paredes y techos vidriados serán del 30%, 50% y

70%, mientras que la infiltración a variar será de 1, 3 y 6 cambios de volumen de

aire por cada hora.

Para la temporada de invierno se considerará una infiltración baja de 1

cambio de volumen de aire por hora, mientras que el porcentaje de

sombreamiento variará conforme el caso. Por otra parte, para la temporada de

verano se tendrá la variación de la infiltración y del sombreado de acuerdo a cada

caso presentado.

La descripción de cada uno de los casos se muestra en la tabla 5.1:

Tabla 5.1.- Descripción de los casos variando sombreamiento e infiltración.

Caso Temporada

Invierno Verano Sombreado Infiltración Sombreado Infiltración

1 30%

1 CVA/Hr

30% 3 CVA/Hr

2 6 CVA/Hr 3

50% 50% 3 CVA/Hr

4 6 CVA/Hr 5

70% 70% 3 CVA/Hr

6 6 CVA/Hr

Para los resultados de las simulaciones donde se utilizó un vidriado

diferente se presentan tanto en evolución libre y con cargas térmicas, se utilizaron

dos tipos de vidriado, de baja emisividad y reflectivos, variando la infiltración en las

temporadas donde se tienen las temperaturas más altas.


171

A continuación se describen las características de los dos tipos de vidrios

utilizados:

Características Vidriado Baja Emisividad

Producto: Eficient-e

Marca: Vitro

Espesor: 6 mm

Transmisión Solar: 61 % Luz 41 % Calor

Reflexión Solar: 9 % Luz 17 % Calor

En la tabla 5.2 se muestran los casos simulados para la temporada de

invierno y verano.

Tabla 5.2.- Descripción de casos utilizando vidrio de baja emisividad.

Temporada Invierno Verano

Infiltración

1 CVA/Hr 1 CVA/Hr 3 CVA/Hr 6 CVA/Hr

Características Vidriado Reflejante

Producto: Reflectasol

Marca: Vitro

Espesor: 6 mm

Transmisión Solar: 30.4 % Luz 22.7 % Calor

Reflexión Solar: 37.9 % Luz 30.4 % Calor


172

En la tabla 5.3 se muestran los casos simulados para las temporadas de

inverno y verano.

Tabla 5.3.- Descripción de casos utilizando vidrio reflejante.


Infiltración


Para cada caso y tipo de vidriado se presentan las temperaturas obtenidas

en cada zona en evolución libre, así mismo se presentan las cargas térmicas

necesarias para cada zona para lograr el confort al interior del edificio.

5.3.1.1- Evolución libre.

A continuación se presentan las temperaturas promedios mensuales de

cada zona del edificio para cada caso.

La figura 5.9 muestra las temperaturas promedios mensuales del aire al

interior de cada zona del edificio según el caso simulado. Para el caso 1, la figura

5.9(a) muestra los resultados obtenidos. La figura 5.9(b) muestra los resultados

obtenidos para el caso 2. De igual forma, los resultados obtenidos para el caso 3

se presentan en la figura 5.9(c).

La figura 5.10 muestra los resultados para los casos 4, 5 y 6. Para el caso

4, los resultados se presentan en la figura 5.10(a), los resultados del caso 5 son

presentados por la figura 5.10(b), y finalmente, los resultados del caso 6 se

presentan en la figura 5.10(c).


173

(a)

(b)

(c)

Figura 5.9.- Temperaturas promedio mensuales por zonas para (a) caso 1,

(b) caso 2 y (c) caso 3.


174

(a)

(b)

(c)

Figura 5.10.- Temperaturas promedio mensuales por zonas para (a) caso 4,

(b) caso 5 y (c) caso 6.


175

En los resultados que se obtuvieron en cada uno de los casos, se observa

que el comportamiento de la temperatura del aire al interior de cada zona está

dentro del rango de las temperaturas de confort térmico de Marzo a Junio, esta

disminución en los meses cálidos se presenta por la aplicación de sombreado en

las paredes y techos vidriados, así como el aumento de la infiltración. Sin

embargo, para los meses de invierno que van de Octubre a Febrero, disminuye la

temperatura del aire al interior del edificio estando por debajo del rango de la

temperaturas de confort térmico.

En la figura 5.9(a), para el Caso 1, se observa que en el mes de Marzo hay

una disminución máxima en la temperatura del aire al interior del edificio de 2.6 °C

lo que representa una disminución de 10.9 % con respecto a las temperaturas del

aire al interior en la situación actual del edificio. También para el caso 2 se

presenta una disminución de 3.4 °C como se observa en la figura 5.9(b), esto es

una reducción del 14.1 %.

Para el caso 3 y 4, los porcentajes de disminución son de 16.1 % y 18.2 %

respectivamente. Mientras que para los casos 5 y 6, la disminución máxima de la

temperatura promedio del aire al interior del edificio fueron de 4.6 °C y 4.9 °C, lo

que corresponde a una disminución de 19.2 % y 20.6 % con respecto a las

obtenidas en la situación actual.

Los meses donde se presentan mayor temperatura del aire en el interior del

edificio son Abril, Mayo y Junio, y las zonas más críticas son la 1N-Espacio02, 2N-

Departamento, 3N-Pasillo y las ubicadas en la azotea que son Azotea-Oficina y

Azotea-Poliedro. Se observa que entre mayor sea el porcentaje de sombreado y la

infiltración, en la temporada de verano la temperatura del aire disminuirá para

cada zona del edificio, esto se puede observar en la figura 5.11.


176

En la figura 5.11 se presentan las temperaturas promedio mensuales del

aire al interior edificio, considerando las ocho zonas que lo componen, para cada

uno de los casos simulados, junto con la temperatura promedio mensual del aire

ambiente.

Figura 5.11.- Temperaturas promedio mensuales del interior del edificio para cada caso simulado.

Se observa que, durante los meses de Marzo a Junio, tanto el sombreado

de los techos y paredes vidriadas, como el aumento de la infiltración, disminuyen

la temperatura promedio del aire al interior del edificio con respecto a la situación

actual, favoreciendo en los meses de temperaturas altas, pero en la temporada de

invierno, en los meses de Octubre a Febrero, donde se requiere tener

temperaturas del aire al interior del edificio más altas que las de la temperatura del

aire ambiente, también disminuyen. La disminución de la temperatura del aire al

interior del edificio más alta obtenida fue de 4.9 °C lo que equivale a una reducción

de 20.6 % con respecto a la situación actual.

A continuación, en la figura 5.12, se presentan las temperaturas promedios

del aire al interior de cada zona del edificio, obtenidas utilizando un vidriado

diferente al original, en este caso es un vidriado de baja emisividad (Tabla 5.2).


177

(a)

(b)

(c)

Figura 5.12.- Temperaturas promedio mensuales por zonas para los casos con vidriado de baja

emisividad con una infiltración en verano de (a) 1 CVA/Hr, (b) 3 CVA/Hr y (c) 6 CVA/Hr.


178

La figura 5.12(a) muestra las temperaturas promedio mensuales para cada

zona del edificio y la temperatura promedio mensual del ambiente, considerando

una infiltración en la temporada de verano de 1 CVA/Hr.

Para el caso donde se considera una infiltración de 3 CVA/Hr en la

temporada de verano, la figura 5.12(b) muestran las temperaturas promedio

mensuales para cada zona del edificio y la temperatura promedio mensual del

medio ambiente.

La figura 5.12(c) muestra las temperaturas promedio mensuales para cada

zona del edificio y la temperatura promedio mensual del medio ambiente, estas

temperaturas son para el caso donde se considera una infiltración de 6 CVA/Hr

para la temporada de verano.

Considerando una infiltración de 1 CVA/Hr las temperaturas del aire al

interior del edificio en los meses de verano alcanzan aproximadamente los 26 °C

en algunas zonas, utilizando el mismo vidriado de baja emisividad, pero variando

la infiltración a 3 CVA/Hr se obtuvieron temperaturas del aire al interior del edificio

cercanas a los 24 °C, lo que representa una disminu ción en la temperatura del aire

al interior de aproximadamente 2 °C, esto al aument ar la infiltración de 1 CVA/Hr a

3 CVA/Hr. Para el caso donde la infiltración se consideró de 6 CVA/Hr, la

temperatura máxima registrada fue de 23 °C, siguien do el comportamiento a la

baja en las temperaturas del aire al interior.

Las zonas más críticas donde se tienen las temperaturas del aire al interior

del edificio más altas son la 2N-Oficina, 3N-Pasillo, 1N-Espacio01 y las ubicadas

en la azotea del edificio, que son Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro.


179

La figura 5.13 muestra las temperaturas promedio mensuales del aire al

interior del edificio de los tres casos simulados, la temperatura promedio mensual

del aire ambiente y la temperatura promedio mensual del aire al interior del edificio

en su situación actual.

Figura 5.13.- Temperaturas promedio mensuales utilizando vidriado de baja emisividad.

Se observa que la disminución máxima de la temperatura promedio del aire

al interior del edificio es de 16.02 % en el mes de Marzo, para el caso donde se

tiene una infiltración de 6 CVA/Hr para la temporada de verano, lo que equivale a

una disminución máxima de la temperatura del aire al interior del edificio de

aproximadamente 3.8 °C. Se observa que los meses de Noviembre a Febrero, las

temperaturas promedio del aire al interior del edificio están por debajo de las

temperaturas del rango de la zona de confort térmico, mientras que los meses de

verano se mantienen dentro de la zona de confort térmico.

A continuación, la figura 5.14 presenta las temperaturas promedio

mensuales del aire al interior de cada zona del edificio utilizando un vidriado

diferente al original, en estos casos se utilizó un vidriado reflejante (Ver Tabla 5.3).


180

(a)

(b)

(c)

Figura 5.14.- Temperaturas promedio mensuales por zonas para los casos con vidriado reflejante

con una infiltración en verano de (a) 1 CVA/Hr, (b) 3 CVA/Hr y (c) 6 CVA/Hr.


181

La figura 5.14(a) muestra las temperaturas del aire promedio mensuales

para cada zona del edificio junto con la temperatura promedio mensual del aire

ambiente para el caso donde se considera una infiltración de 1 CVA/Hr. De igual

forma para el caso donde se considera una infiltración de 3 CVA/Hr la figura

5.14(b) muestra las temperaturas correspondientes. En la figura 5.14(c) se

presentan estas temperaturas para el caso donde se considera una infiltración de

6 CVA/Hr, siendo en este caso se presentan las temperaturas menores en los

meses de verano.

En los meses de verano, para una infiltración de 1 CVA/Hr, las

temperaturas del aire al interior del edificio alcanzan aproximadamente los 25 °C,

utilizando el vidriado reflejante. Sin embargo, variando la infiltración a 3 CVA/Hr se

obtuvieron temperaturas del aire al interior del edificio cercanas a los 24 °C, lo que

representa una disminución en la temperatura del aire al interior de

aproximadamente 1 °C. Para el caso donde la infiltr ación se consideró de 6

CVA/Hr, la temperatura máxima registrada fue de 23 °C, una disminución de 2 °C

con el caso donde se consideró una infiltración de 1 CVA/Hr.

Las zonas 2N-Oficina, 3N-Pasillo, 1N-Espacio01 y las ubicadas en la azotea

del edificio, que son Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro, son las que presentan

temperaturas promedio del aire al interior mayores en la temporada de verano,

alrededor de 23 °C a 25 °C. La mayor disminución de temperatura fue cuando se

consideró una infiltración de 6 CVA/Hr, no obstante las temperaturas en la

temporada de invierno son menores en los tres casos.


182

En la figura 5.15, se muestran las temperaturas promedio mensuales del

aire al interior del edificio en la situación actual y para los tres casos simulados

utilizando vidriado reflejante y la temperatura promedio del medio ambiente.

Figura 5.15.- Temperaturas promedio mensuales utilizando vidriado reflejante.

En todos los casos simulados con el vidriado reflejante las temperaturas del

aire al interior están dentro del rango de las temperaturas de la zona de confort

térmico, excepto para los meses de Noviembre a Febrero, donde las temperaturas

del aire al interior del edificio están por debajo del rango mínimo de la zona de

confort térmico, es decir, por debajo de 19 °C, por lo que será necesario

suministrar cargas de calefacción. Las temperaturas mayores del aire al interior

del edificio obtenidas con el vidriado reflejante son considerando una infiltración de

1 CVA/Hr, mientras que para mayor infiltración las temperaturas del aire al interior

del edificio disminuirán.


183

Se observa que en el mes de Marzo la disminución máxima de la

temperatura promedio del aire al interior del edificio fue de 16.6 % para el caso

donde se tiene una infiltración de 6 CVA/Hr, lo que equivale a una disminución

máxima de la temperatura de 4.1 °C.

En los meses de Enero, Febrero, Noviembre y Diciembre, las temperaturas

promedio del interior del edificio en algunos casos están por debajo de la

temperatura mínima de la zona de confort.

Finalmente, en la figura 5.16 se presentan las comparaciones entre las

temperaturas promedio mensuales del aire al interior del edificio para los

diferentes casos simulados: (Tabla 5.1, Tabla 5.2 y Tabla 5.3), así también se

presentan las temperaturas promedio mensuales del aire al interior del edificio en

su situación actual y la temperatura promedio mensual del aire ambiente.

Figura 5.16.- Temperaturas promedio mensuales del edificio para cada uno de los casos

simulados.


184

Se observa que la máxima disminución de la temperatura mensual del aire

al interior del edificio de 4.9 °C se da para el ca so 6, el cual tiene un sombreado de

70% del área total y una infiltración en verano de 6 CVA/Hr. El caso 1 es el que

menor porcentaje de reducción de temperatura promedio mensual del aire al

interior del edificio presentó, con un 5.6%, lo que representa una disminución de

0.9 °C en la temperatura promedio del aire al inter ior con respecto a la

temperatura actual.

Tanto el sombreamiento de los techos y paredes vidriados para la

temporada de verano, como el uso de un vidriado reflejante y de baja emisividad,

en conjunto con el cambio en los valores de la infiltración del edificio, disminuyen

la temperatura del aire al interior. Caso contrario para los meses de invierno, como

lo son de Noviembre a Febrero, donde se obtuvieron temperaturas del aire al

interior del edificio menores a las registradas en la situación actual, lo que

ocasiona la necesidad de la utilización de equipos para calefacción.

5.3.1.2.- Cargas Térmicas.

Considerando las cargas térmicas necesarias para lograr el confort térmico

al interior del edificio, las suposiciones fueron que la infiltración es mínima durante

el año y no existen espacios abiertos entre las zonas del edificio. La figura 5.17

presenta las cargas térmicas anuales para calefacción y refrigeración totales del

edificio necesarios en la situación actual, también se presentan los casos

considerando sombreamiento en las paredes y techos vidriados, que van del 30%,

50% y 70%, así también considerando la utilización de vidriado de baja emisividad

y reflejantes. Las barras de color rojo representan las cargas de calefacción y las

de color azul representan las cargas de refrigeración.


185

Figura 5.17.- Cargas térmicas totales anuales necesarias en el edificio para lograr el confort al

interior.

En el caso de la situación actual, durante el año el edificio requeriría

38,533.5 kWh para calefacción y 56,347.1 kWh para refrigeración, para mantener

las condiciones del aire al interior del edificio dentro de la zona de confort térmico.

Para el Caso 1 (Tabla 5.1) considerando el sombreado del 30% del área de

las paredes y techos vidriados se obtuvo una disminución de 49.8% en las cargas

de refrigeración, y un aumento de 12.1% en las cargas de calefacción para el

periodo simulado. Para el caso 2 (Tabla 5.2) considerando el sombreado de 50%

del área, se reducen las cargas de refrigeración en un 77.4%, y las cargas de

calefacción aumentan un 23.4%. Para el caso 3 (Tabla 5.1) considerando un 70%

de sombreado, las cargas de refrigeración disminuyen un 94.1%, mientras que las

cargas de calefacción aumentan un 40.9%. En el caso de la utilización de vidrios

de baja emisividad (Tabla 5.2) se logró una disminución de 62.3% para las cargas

de refrigeración y un aumento de 15.8% para las cargas de calefacción para el

edificio. Mientras que con la utilización de vidrios reflejantes (Tabla 5.3) se obtuvo

una disminución de 65.1% en las cargas de refrigeración y un aumento de 19.5%

en las cargas de calefacción para el edificio durante todo el año.


186

Se observa que el comportamiento de las cargas térmicas durante el año es

inversamente proporcional; al disminuir las cargas de refrigeración se incrementan

las cargas de calefacción, esto se debe a la baja masa térmica de la envolvente

del edificio.

Por ello, debido a que la masa térmica representa la resistencia de un

cuerpo a un cambio de temperatura cuando la temperatura ambiente cambia, esta

característica es importante para el confort térmico en el edificio, ya que los

edificios de baja masa térmica se calientan rápidamente debido a la radiación

incidente solar y se enfrían rápidamente por la noche.

En la figura 5.18 se presenta la variación de las cargas térmicas de

calefacción y refrigeración en función del porcentaje de sombreamiento.

Figura 5.18.- Cargas térmicas totales en función del sombreamiento.

Se observa que al aumentar el sombreado a 100 % las cargas de

refrigeración disminuyen en 60.1 % y las cargas de calefacción aumentan 13.4 %.


187

La figura 5.19(a) presenta las cargas térmicas de calefacción necesarias en

el año para cada zona del edificio para todos los casos simulados y la figura

5.19(b) presentan las cargas de refrigeración anuales para cada zona, dichas

cargas térmicas son necesarias para lograr condiciones de temperatura del aire al

interior del edificio dentro del rango de temperaturas de la zona de confort térmico.

(a)

(b)

Figura 5.19.- Cargas térmicas anuales por zonas de (a) Calefacción, (b) Refrigeración.


188

El sombreamiento de las paredes y techos, así como la utilización de vidrios

de baja emisividad y reflejantes disminuyen las cargas térmicas de refrigeración,

aunque se presenta un ligero incremento en las cargas térmicas de calefacción,

que se presenta en la zona más crítica, la zona 1N-Espacio02, con un incremento

máximo en las cargas de calefacción de 26.8 %, en el caso donde se utiliza un

sombreado de 70 % del área total de paredes y techos vidriados; mientras que

presenta un disminución máxima de 91.5 % en las cargas de refrigeración para el

mismo porcentaje de sombreado. Para esto, el sombreado es recomendable para

la temporada de verano donde se tendría una disminución en las cargas térmicas

de refrigeración.

5.4.- Análisis de Días Característicos.

Para analizar el comportamiento térmico del edificio en días específicos, se

seleccionaron dos días característicos: el día cálido al interior del edificio en horas

laborales y el día frío en horario de labores en el edificio, considerando la variación

de parámetros como son la temperatura del aire ambiente, la humedad relativa, la

velocidad del viento y la radiación solar incidente para cada uno de los días.

5.4.1.- Análisis en día cálido.

Para el análisis del día cálido se consideró el día 7 de mayo, que va de la

hora 3024 a la 3047 del año. En la figura 5.20(a) se presenta la variación de la

temperatura del aire ambiente para cada una de las zonas del edificio en la

situación actual. La figura 5.20(b) muestra la temperatura promedio del interior del

edificio en la situación actual y la temperatura del aire ambiente registrada durante

el día cálido.


189

(a)

(b)

Figura 5.20.- Temperaturas en día cálido. (a) Temperatura horaria por zonas durante el día

cálido, (b) Temperatura promedio del interior del edificio y la temperatura ambiente en el día cálido.


190

En la figura 5.20(a) se observa que la zona 1N-Espacio02 registra las

temperaturas del aire al interior más altas durante el día, cercanas a los 50 °C

entre las 14 y 16 horas, seguida de la zona 2N-Departamento, Azotea-Poliedro y

Azotea-Oficina, que son zonas en las que se tiene un área vidriada considerable.

A partir de las 8 horas hasta las 19 horas, la mayoría de las zonas están fuera del

rango de las temperaturas de la zona de confort térmico, teniendo el

comportamiento similar al de la temperatura del aire ambiente.

En la figura 5.20(b) se observa el comportamiento de la temperatura

promedio del aire al interior del edificio en la situación actual con respecto a la

temperatura del aire ambiente durante el día cálido. Se observa que para este día

la temperatura promedio del aire al interior del edificio se encuentra dentro del

rango de las temperaturas de la zona de confort térmico las primeras horas del

día, de las 0 horas a las 8 horas, posterior a esta hora la temperatura promedio del

aire al interior aumenta por arriba de los 26 °C ha sta descender a las 21 horas y

ubicarse dentro de la zona de confort térmico. Es evidente que el uso de equipo de

refrigeración es necesario para este día, debido a que se presentan las altas

temperaturas en horario laboral.

La figura 5.21 presenta las temperaturas promedio del aire al interior del

edificio para los casos simulados, dividiendo los resultados en tres partes: la figura

5.21(a) presentan las temperaturas promedio del aire al interior de la edificación

para los casos donde se realizó la variación del porcentaje de sombreado y la

infiltración, la figura 5.21(b) presenta los resultados obtenidos para los casos

donde se utilizó un vidriado de baja emisividad, y por último, la figura 5.21(c)

presentan los resultados de las temperaturas promedio del aire al interior para los

casos donde se utilizó un vidriado reflejante.


191

(a)

(b)

(c)

Figura 5.21.- Temperatura promedio del edificio en el día más cálido. (a) Casos aplicando

sombreamiento, (b) Casos con vidriado de baja emisividad. (c) Casos con vidriado reflejante.


192

En la figura 5.21(a) se presentan las temperaturas promedio del aire al

interior edificio en su situación actual y las temperaturas promedio del aire

ambiente para cada uno de los casos donde se varió el área de sombreamiento y

la infiltración (Tabla 5.1). Se observa la tendencia de la temperatura promedio del

aire al interior del edificio similar a la de la curva de la temperatura del aire

ambiente, esto debido a la baja masa térmica de la envolvente del edificio y a su

bajo tiempo de retraso. En estos casos se obtuvo una disminución máxima de la

temperatura del edificio de 6.6 °C para el caso don de se tiene 70% de área

sombreada y una infiltración de 6 CVA/Hr.

La figura 5.21(b) presenta las temperaturas promedio del aire al interior del

edificio en la situación actual y las de los casos simulados utilizando vidriado de

baja emisividad (Tabla 5.2). Para estos casos se obtuvo una disminución máxima

de la temperatura del edificio de 4.3 °C, considera ndo una infiltración de 6 CVA/Hr.

La figura 5.21(c) muestra las temperaturas promedio del interior del edificio

para los casos simulados utilizando un vidriado reflejante (Tabla 5.3). Se obtuvo

una disminución máxima de 4.7 °C en el caso donde s e considera una infiltración

de 6 CVA/Hr en la temporada de verano.

Se observa que un sombreado mayor a 50 % del área vidriada con

una infiltración en la temporada de verano de 6 CVA/Hr disminuye las

temperaturas promedio del aire al interior del edificio de manera similar que

el utilizar un vidriado de baja emisividad o reflejante.


193

5.4.2.- Análisis en día frío.

Se consideró el día 4 de noviembre debido a las bajas temperaturas del aire

ambiente. La figura 5.22(a) presenta la temperatura del aire al interior de cada

zona del edificio en la situación actual y en la figura 5.22(b) presenta la

temperatura promedio del aire al interior del edificio en la situación actual y la

temperatura del aire ambiente.

(a)

(b)

Figura 5.22.- Temperaturas en día frío. (a) Temperatura horaria por zonas durante el día

frío, (b) Temperatura promedio del interior del edificio y la temperatura ambiente en el día frío.


194

En la figura 5.22(a) se observa que en el día más frío la mayor parte del

tiempo las temperaturas del aire de cada una de las zonas del edificio se

encuentra por debajo del rango de la zona confort térmico, es decir, por debajo de

los 19 °C. De las 0 horas a las 11 horas todas las zonas presentan temperaturas

por debajo de las de confort térmico, siendo las zonas 2N-Oficina, 3N-Pasillo,

Azotea-Oficina y Azotea-Poliedro las que menores temperaturas registran del aire

al interior. No obstante que se registran bajas temperaturas del aire ambiente, la

zona 1N-Espacio02 presenta temperaturas del aire al interior por arriba de la zona

de confort térmico, registrando cerca de 30 °C a la s 14 horas, esto debido a su

techo y paredes vidriados y al volumen que ocupa la zona. Después de las 18

horas las temperaturas descienden hasta llegar a los 9 °C para las zonas de la

azotea alrededor de las 23 horas.

La figura 5.22(b) muestra claramente como el comportamiento de la

temperatura promedio del aire al interior del edificio es similar al de la temperatura

del aire ambiente, teniendo de las 11 horas a las 17 horas condiciones de confort

térmico al interior del edificio. Las temperaturas más bajas registradas para el aire

ambiente son de 6.3 °C para la noche, mientras que la temperatura del aire

ambiente más alta es de 14.8 °C. Esto muestra la ne cesidad de la utilización de

equipos de calefacción en horario laboral para lograr temperaturas del aire al

interior más altas que las que se tienen y poder estar dentro del rango de

temperaturas de la zona de confort térmico.

En la figura 5.23 se presentan las temperaturas obtenidas para todos los

casos simulados para el día frío. La figura 5.23(a) se presentan las temperaturas

obtenidas considerando la variación del sombreado en techos y paredes vidriados

en el edificio. La figura 5.23(b) presenta los resultados obtenidos con la utilización

de un vidriado de baja emisividad y la figura 5.23(c) muestra los resultados para

los casos donde se utilizo un vidriado reflejante.


195

(a)

(b)

(c)

Figura 5.23.- Temperatura promedio del edificio en el día más frío. (a) Casos aplicando

sombreamiento, (b) Casos con vidriado de baja emisividad. (c) Casos con vidriado reflejante.


196

En la figura 5.23(a) se muestran los resultados de los casos donde se utilizó

sombreado de las paredes y techos vidriados y para diferentes infiltraciones. Se

obtuvo una disminución máxima de la temperatura de 4.8 °C para el caso con

sombreamiento del 70% del área e infiltración máxima de 6 CVA/Hr para la

temporada de verano. El mejor caso para la temporada de invierno es el que

presenta una disminución mínima, como lo es el caso con 30% de área

sombreado e infiltración mínima de 1 CVA/Hr, con un incremento de la

temperatura de 2.1 °C con respecto a la temperatura actual, y así, la temperatura

esta dentro de la zona de confort.

En la figura 5.23(b) se presentan las temperaturas promedio del aire al

interior del edificio para los casos donde se consideró un vidriado de baja

emisividad. Las temperaturas obtenidas están por debajo de la temperatura del

aire al interior del edificio en su situación actual, por lo que el mejor caso es donde

se considera una infiltración de 1 CVA/Hr teniendo una disminución de 1.9 °C

como máximo. La figura 5.23(c) presenta los resultados para los casos donde se

consideró un vidriado reflejante, las temperaturas obtenidas están debajo de las

obtenidas en la situación actual, por lo que el mejor caso es donde se considera

una infiltración mínima de 1 CVA/Hr, presentando una disminución de la

temperatura del aire al interior del edificio de 2.2 °C.

De los casos anteriores, se observa que para la mayoría de los casos las

temperaturas promedio del aire al interior del edificio están por debajo del rango

de confort térmico, menores a 19 °C. Para estos cas os en el día frío se mantiene

una mínima infiltración para que las temperaturas no disminuyan y permanezcan

dentro de la zona de confort térmico.


197

5.5.- Acciones para mejora del comportamiento térmi co del

edificio.

En este apartado, se describen algunas acciones que podrían beneficiar el

comportamiento térmico del edificio.

• Para disminuir las ganancias de la energía solar incidente en el edificio

sobre las paredes y techos vidriados, se recomienda el sombreamiento, la

utilización de vidrios con filtros solares, sistemas de lamas, el uso de

mallasombra, o la utilización de materiales diferentes al vidriado, como

puede ser el Multymuro que ya fue utilizado en el edificio para su estructura.

Figura 5.24.- Mallasombra.

Figura 5.25.- Sistema de lamas para sombreamiento en ventanas.

Figura 5.26.- Películas para ventanas con filtros solares.


198

• El cambio del vidriado actual por un vidriado de baja emisividad o reflejante,

sin embargo es una opción costosa. Como se observa de los resultados, el

sombreamiento de 50% del área ocupada por el techo y las paredes

vidriadas puede ser la opción más adecuada.

Figura 5.27.- Vidriado de baja emisividad.

Figura 5.28.- Vidriado reflejante.


199

• Para disminuir las temperaturas del aire al interior del edificio en temporada

de verano se puede controlar la infiltración o ventilación. Debido a las

características geométricas del edificio, se podría utilizar ventanas o

aperturas en el techo, para colocar extractores de aire.

Figura 5.29.- Extractores de aire.

Figura 5.30.- Techo con aperturas de ventilación móviles.

• En la temporada de invierno, se limita la infiltración, y se sugiere usar

cortinas para cubrir las ventanas por la noche o en su defecto diseñar un

invernadero para atrapar el calor por el día y después abrirlo por la noche

hacia las otras zonas del edificio para suministrar calor.

Capítulo VI.- Conclusiones y recomendaciones

200

Capítulo VI.- Conclusiones y recomendaciones.

Por último en este trabajo se formulan las conclusiones finales del estudio

realizado y se aportan recomendaciones las cuales se sugieren para estudios

futuros..


201

6.1.- Conclusiones.

• El edificio actualmente presenta un comportamiento térmico fuera del rango

confort térmico. La temperatura del aire al interior más alta se presenta en

la zona 1N-Espacio02, en el mes de Mayo con 49.1 °C . Esta zona es la

más crítica debido al vidriado de su techo y las paredes, así mismo por el

gran volumen que ocupa. Las zonas que mayores cargas térmicas de

refrigeración requieren para lograr condiciones de confort térmico son 1N-

Espacio02, 2N-Departamento, 3N-Pasillo, Azotea-Oficina y Azotea-

Poliedro. Actualmente el edificio requeriría 38,533.5 kWh de cargas

térmicas para calefacción y de 56,347 kWh para refrigeración para lograr

condiciones dentro de la zona de confort térmico.

• En el caso de la utilización de sombreado con 30%, 50% y 70% del área de

las paredes y techos se obtuvo una disminución máxima en el promedio

mensual de la temperatura del edificio de 2.4 °C, 3 .6 °C y 4.3 °C,

respectivamente.

• Los resultados obtenidos con la utilización de vidrios reflejantes fueron una

disminución máxima en la temperatura promedio mensual del edificio de 2.3

°C, manteniendo la infiltración en verano de 1 CVA/ Hr, aumentando la

infiltración en verano en 6 CVA/Hr se logra una disminución máxima de 3.6

°C, en la temperatura promedio mensual del edificio .

• Con la utilización de vidrios de baja emisividad se obtuvo una disminución

máxima en la temperatura promedio mensual del edificio de 1.9 °C,

manteniendo la infiltración en verano de 1 CVA/Hr; y una disminución

máxima de 3.5 °C, con una infiltración en verano de 6 CVA/Hr.

• En la situación actual las cargas térmicas totales necesarias para mantener

el edificio dentro de la zona de confort es de 94,880.5 kWh, para un

sombreado de 30% del área de 71,450.8 kWh, y va disminuyendo hasta un

39.2% con un total 57,630.2 kWh para un sombreado de 70%.


202

• Con la utilización de vidrios de baja emisividad las cargas térmicas

necesarias son de 65,893.81 kWh, lo que representa una disminución de

30.55%, mientras que con la utilización de vidriado reflejante las cargas

térmicas son de 65,715.94 kWh, una disminución de 30.73% en

comparación con las cargas requeridas en la situación actual.

• Para los meses de verano tener un área con mayor sombreamiento y una

infiltración alta reduce las temperaturas del aire al interior de las zonas, al

igual que el utilizar vidrios de baja emisividad o reflejantes; en cambio, en

los meses de invierno, una infiltración mínima y un área sombreada

pequeña es conveniente, con el fin de tener ganancias de energía al interior

del edificio y mantener temperaturas dentro de la zona de confort térmico.

• Se observa que con el sombreamiento, la curva de las cargas para

refrigeración es más pronunciada que la curva de las cargas para

calefacción, indicando que la reducción de cargas para refrigeración es más

conveniente aunque las cargas para calefacción aumenten ligeramente.

• Con este estudio se muestra que los edificios de baja masa térmica o

vidriados como es el caso de estudio, deben ser evitados, si se quiere

lograr un ahorro energético en climas como el de la ciudad de México, o en

climas cálidos.


203

6.2.- Recomendaciones.

1. Realizar estudios experimentales en el edificio, para comparar los datos

obtenidos de las simulaciones realizadas en este trabajo.

2. Generar normas para aplicar a edificación vidriadas y así disminuir el

consumo energético generado por la utilización de equipos de HVAC.

3. Realizar estudios de aprovechamiento del recurso solar incidente sobre las

paredes y techos del edificio, considerando la utilización de paneles solar,

celdas fotovoltaicas, calentadores de agua, entre otros.

4. Aplicar el procedimiento utilizado en este trabajo para edificios localizados

en diferentes tipos de clima.

5. Realizar estudios con técnicas pasivas aplicados a edificios de baja masa

térmica para ver en qué condiciones es posible disminuir al mínimo el uso

de de HVAC, y realizar recomendaciones para este tipo de edificios en

cuanto a normatividad.

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Anexos

211

Anexos

Anexos

212

Anexo I.- Situación Actual.- Las figuras A1.2 – A1.11 presentan las temperaturas máximas, temperaturas mínimas y cargas térmicas de calefacción y refrigeración para cada zona del edificio en su situación actual.

Figura A1.1.- Temperaturas mínimas mensuales registradas.

Figura A1.2.- Temperaturas máximas mensuales registradas.

Figura A1.3.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración anuales por zonas del edificio.

Anexos

213

Cargas térmicas mensuales por zonas.

Figura A1.4.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 1N-Espacio01.

Figura A1.5.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 1N-Espacio02.

Figura A1.6.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 2N-Oficina.

Anexos

214

Figura A1.7.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 2N-Departamento.

Figura A1.8.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 3N-Oficina.

Figura A1.9.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona 3N-Pasillo.

Anexos

215

Figura A1.10.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona Azotea-Oficina.

Figura A1.11.-Cargas térmicas para calefacción y refrigeración mensuales Zona Azotea-Poliedro.

Anexos

216

Anexo II Variación de Parámetros: Sombreamiento e infiltraci ón. A continuación las Figuras A2.1 – A2.28 presentan las temperaturas mínimas y máximas mensuales registras y las cargas térmicas para cada caso como se muestra en la Tabla A1.1.

Tabla A2.1.-Descripción de casos variando sombreamiento e infiltración.

Caso 1

Figura A2.1.-Temperaturas máximas mensuales registradas.

Figura A2.2.-Temperaturas mínimas mensuales registradas.

Caso Temporada

Invierno Verano Sombreado Infiltración Sombreado Infiltración

1 30%

1 CVA/Hr

30% 3 CVA/Hr

2 6 CVA/Hr 3

50% 50% 3 CVA/Hr

4 6 CVA/Hr 5

70% 70% 3 CVA/Hr

6 6 CVA/Hr

Anexos

217

Caso 2



Caso 3


Anexos

218


Caso 4



Anexos

219

Caso 5



Caso 6


Anexos

220


Cargas térmicas mensuales para calefacción por zonas.

Figura A2.13.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 1N-Espacio01.

Figura A2.14.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 1N-Espacio02.

Anexos

221

Figura A2.15.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 2N-Oficina.

Figura A2.16.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 2N-Departamento.

Figura A2.17.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 3N-Oficina.

Anexos

222

Figura A2.18.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona 3N-Pasillo.

Figura A2.19.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona Azotea-Oficina.

Figura A2.20.-Cargas térmicas mensuales de calefacción Zona Azotea-Poliedro.

Anexos

223

Cargas térmicas mensuales para refrigeración por zonas.

Figura A2.21.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 1N-Espacio01.

Figura A2.22.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 1N-Espacio02.

Figura A2.23.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 2N-Oficina.

Anexos

224

Figura A2.24.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 2N-Departamento.

Figura A2.25.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 3N-Oficina.

Figura A2.26.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona 3N-Pasillo.

Anexos

225

Figura A2.27.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona Azotea-Oficina.

Figura A2.28.-Cargas térmicas mensuales de refrigeración Zona Azotea-Poliedro.

Anexos

226

Anexo III Variación de Parámetros: Vidriado de Baja Emisivida d. Las figuras A3.1 – A3.15 presentan las temperaturas máximas y mínimas registradas y las cargas térmicas obtenidos de las simulaciones utilizando un vidriado de baja emisividad para cada uno de los casos los cuales se describen en la Tabla A3.1.

Tabla A3.1.- Descripción de casos utilizando vidriado de baja emisividad.


Infiltración


Infiltración en verano de 1 CVA/Hr.



Anexos

227






Anexos

228


Cargas térmicas anuales por zonas.

Figura A3.7.- Cargas térmicas anuales por zonas.


Figura A3.8.- Cargas térmicas mensuales Zona 1N-Espacio01.

Anexos

229


Figura A3.10.- Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Oficina.

Figura A3.11.- Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Departamento.

Anexos

230


Figura A3.13.- Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Pasillo.

Figura A3.14.- Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Oficina.

Anexos

231

Figura A3.15.- Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Poliedro.

Anexos

232

Anexo IV Variación de Parámetros: Vidriado Reflejante. Las figuras A4.1 – A4.15 presentan las temperaturas máximas y mínimas registradas y las cargas térmicas obtenidos de las simulaciones utilizando un vidriado reflejante para cada uno de los casos los cuales se describen en la Tabla A3.1.

Tabla A4.1.- Descripción de casos utilizando vidriado reflejante.


Infiltración





Anexos

233






Anexos

234


Cargas térmicas anuales por zonas.

Figura A4.7.- Cargas térmicas anuales por zonas.



Anexos

235



Figura A4.11.- Cargas térmicas mensuales Zona 2N-Departamento.

Anexos

236


Figura A4.13.- Cargas térmicas mensuales Zona 3N-Pasillo.

Figura A4.14.- Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Oficina.

Anexos

237

Figura A4.15.- Cargas térmicas mensuales Zona Azotea-Poliedro.

Anexos

238

Anexo V Reconocimientos Obtenidos con la Presentación de es te Trabajo. A continuación las Figuras 5.1 y 5.2 presentan los reconocimientos otorgados por la presentación del trabajo desarrollado en esta tesis en dos diferentes congresos.

Figura A5.1.- 3er. Congreso Internacional de Energías Alternativas CINEA 2011

Anexos

239

Figura A5.2.- IX Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico CIINDET 2011

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TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS - cenidet.edu.mx Luis Javier... · Fundamentos Básicos. 2.1 Conductividad en un cuerpo homogéneo. 46 2.2 Convección superficial. 48 2.3 Radiación