análisis del desempeño térmico de los sistemas ... · edificios de oficinas. nazi et al. (2015)...

IngenIeriacutea InvestIgacIoacuten y tecnologiacutea

volumen XIX (nuacutemero 3) julio-septiembre 2018 279 -289ISSN 2594-0732 FI-UNAM artiacuteculo arbitradoRecibido 10 de noviembre de 2016 Reevaluado 13 de enero de 2017 y 03de julio de 2017 Aceptado 12 d septiembre de 2017Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 40 International (CC BY-NC-ND 40) licenseDOI httpdxdoiorg1022201fi25940732e201819n3024

Resumen

Se realizoacute el anaacutelisis teacutermico de un edificio de oficinas de tres plantas y 5500 m2 mediante el uso de un software de simulacioacuten dinaacute-mica En el estudio se realizoacute un anaacutelisis del consumo energeacutetico anual por climatizacioacuten artificial variando los sistemas constructivos del edificio El edificio estudiado se localiza en una regioacuten con clima BS1kw de acuerdo con la clasificacioacuten Koumlppen Este clima comuacutenmente referido como estepario presenta condiciones en las cuales se requiere el uso de calefaccioacuten y refrigeracioacuten para pro-veer de confort teacutermico adecuado a traveacutes del antildeo Para este clima es posible incorporar diversas estrategias que contribuyan al ahorro energeacutetico El anaacutelisis incorpora conceptos de arquitectura bioclimaacutetica y una seleccioacuten de materiales de construccioacuten y acristalado comuacutenmente utilizados Para analizar el comportamiento teacutermico del edificio se implementaron diferentes sistemas de acristalado sobre el disentildeo arquitectoacutenico propuesto se establecioacute un rango de confort al interior del edificio que a su vez funge como control de las temperaturas de operacioacuten del equipo de climatizacioacuten Los resultados muestran temperaturas promedio hora-rias y de consumo energeacutetico debido al acondicionamiento del aire de un antildeo tiacutepico Este trabajo se enfoca en argumentar que es posible disminuir el consumo energeacutetico de una edificacioacuten planeada o existente mediante la evaluacioacuten de diversos sistemas cons-tructivos convencionales comercialmente disponibles sin modificar la geometriacutea de la edificacioacutenDescriptores Simulacioacuten dinaacutemica comportamiento teacutermico edificaciones

Abstract

A thermal analysis of an office building was performed with the use of a dynamic simulation software This work focuses on the analysis of the constructive system contribution to the thermal performance of a 5500 m2 building The studied building is located in a region within the BS1kw climate according to the Koumlppen climate classification In this climate commonly referred as steppe both air cooling and heating is needed in order to provide a satisfactory thermal comfort condition throughout the year Within this weather is possible to incorporate several energy saving strategies so the heat gains and losses can be reduced The analysis starts with basic bioclimatic incorporations and the selection of common construction and glazing materials In order to analyze the thermal behavior of the building the implementation of different glazing materials at the designed building were proposed and the comfort temperature range was established as an operating parameter for the air conditioning units The results show hourly mean tempera-tures and energetic demands due to air conditioning during the course of a year This study is focused in discussing the possibility to reduce the energy requirement of a planned or existing building by evaluating several conventional and commercially available constructive systems without modifying the geometry of the buildingKeywords Glazing windows dynamic simulation thermal behavior

Anaacutelisis del desempentildeo teacutermico de los sistemas constructivos de un edificio de oficinas mediante simulaciones dinaacutemicasThermal analysis of constructive systems at an office building through dynamic simulations

Rodriacuteguez-Muntildeoz Norma AlejandraConsejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea MeacutexicoCentro de Investigacioacuten en Materiales Avanzados Meacutexico Departamento de Ingenieriacutea Sustentable Correo normarodriguezcimavedumx

Naacutejera-Trejo MarioCentro de Investigacioacuten en Materiales Avanzados Meacutexico Departamento de Ingenieriacutea Sustentable Correo marionajeracimavedumx

Martiacuten-Domiacutenguez Ignacio RamiroCentro de Investigacioacuten en Materiales Avanzados Meacutexico Departamento de Ingenieriacutea SustentableCorreo ignaciomartincimavedumx

Anaacutelisis del desempentildeo teacutermico de los sistemAs constructivos de un edificio de oficinAs mediAnte simulAciones dinaacutemicAs

IngenIeriacutea InvestIgacIoacuten y tecnologiacutea volumen XIX (nuacutemero 3) julio-septiembre 2018 279-289 ISSN 2509-0732 FI-UNAM280

DOI httpdxdoiorg1022201fi25940732e201819n3024

IntroduccIoacuten

Uso de energiacutea en edificaciones

En las uacuteltimas deacutecadas la poblacioacuten mundial ha crecido de manera importante alcanzaacutendose la cifra de 73 mil millones de habitantes en el 2015 (United Nations 2015) Este aumento ha provocado entre otros efectos el aumento de la demanda de toda clase de recursos y contaminacioacuten derivada de su uso y explotacioacuten Ob-servamos que la demanda energeacutetica ha aumentado por ejemplo el consumo de China se ha duplicado (IEA 2008) mientras que de manera global se predice que el consumo energeacutetico de paiacuteses en viacuteas de desarro-llo aumentaraacute 3 anual entre 2004 y 2020 (FAO 2008) Existen paraacutemetros que correlacionan el aumento en la poblacioacuten mundial y la demanda de energiacutea mundial tal como el PIB (Producto Interno Bruto) J Darmstad-ter sugiere que a traveacutes del tiempo la relacioacuten de consu-mo entre sociedades con aumento en el PIB y la demanda energeacutetica han prevalecido (Darmstadter 2004) El Panel Intergubernamental del Cambio Climaacute-tico (IPCC) publicoacute un artiacuteculo dirigido al papel que tienen los individuos sobre el cambio climaacutetico decla-rando que las emisiones de efecto invernadero se incre-mentaron cerca de 70 entre 1970 y 2004 (IPCC 2007) La demanda energeacutetica de los edificios entre 1990 y 2005 ha crecido raacutepidamente donde los paiacuteses de la OCDE han incrementado en 23 y 54 el uso de ener-giacutea primaria y electricidad respectivamente (IEA 2008) La eficiencia energeacutetica juega un rol criacutetico en li-mitar el crecimiento de la demanda energeacutetica mun-dial restriccioacuten que llega hasta 30 para el 2040 Sin embargo esto se lograraacute uacutenicamente establecieacutendose metas y regulaciones eneacutergicas alrededor del mundo

El trabajar en el disentildeo de edificaciones sustenta-bles la ejecucioacuten de medidas de ahorro energeacutetico y la aplicacioacuten de conceptos bioclimaacuteticos son totalmente pertinentes La edificacioacuten sustentable utiliza praacutecticas y materiales respetuosos con el medio ambiente en to-das sus fases planeacioacuten disentildeo construccioacuten opera-cioacuten etceacutetera (Aacutelvarez 2013) La eficiencia del uso de recursos en una edificacioacuten contempla la reduccioacuten de demanda energeacutetica en la fase de operacioacuten teniendo que las localidades donde se requiere el uso de climati-zacioacuten artificial calefaccioacuten y refrigeracioacuten son las que presentan mayor potencial de ahorro

La tendencia actual es que el arquitecto disentildea los espacios y el ingeniero define las instalaciones requeri-das La arquitectura bioclimaacutetica no solo debe basarse en el disentildeo arquitectoacutenico y seleccioacuten de materiales de construccioacuten para alcanzar el confort teacutermico sino debe

incluir que la demanda energeacutetica requerida para en-friar y calentar la edificacioacuten sea la miacutenima posible (Gi-voni 1994) En Latinoameacuterica el disentildeo bioclimaacutetico es frecuentemente subestimado como una praacutectica vaacutelida dentro de las firmas arquitectoacutenicas donde los estudios de eficiencia energeacutetica o de edificacioacuten sustentable ge-neralmente se basan solo en la identificacioacuten aplicacioacuten de conceptos y adicioacuten de estrategias es decir aplica-cioacuten de medidas cualitativas sin considerar que es ne-cesario calcular el desempentildeo teacutermico y energeacutetico de cada uno de los elementos antildeadidos Es por esto que es necesario establecer una metodologiacutea que permita se-leccionar las estrategias que consideren la arquitectura bioclimaacutetica pero evaluando su impacto Esta evalua-cioacuten es posible que se efectue previo a la construccioacuten de la edificacioacuten mediante simulacioacuten dinaacutemica e idealmente tanto para cuantificar la eficacia teacutecnica de la estrategia como la econoacutemica y asiacute conjuntar las ven-tajas de la aplicacioacuten de la arquitectura bioclimaacutetica con la utilidad de cuantificar de forma ingenieril su imple-mentacioacuten

estrategias de ahorro energeacutetico en edificaciones

La localizacioacuten orientacioacuten distribucioacuten de espacios asiacute como el aprovechamiento de las propiedades teacutermi-cas y oacutepticas de los materiales de construccioacuten son ca-racteriacutesticas que contribuiraacuten a conformar la demanda energeacutetica del edificio (Motawa y Oladokun 2015) Be-ktas et al (2011) dividen los paraacutemetros que alteran los requerimientos energeacuteticos del edificio como los paraacute-metros medioambientales y los de disentildeo clasificados como fiacutesicos y artificiales respectivamente Dentro de los paraacutemetros fiacutesicos el autor resalta la importancia de la temperatura horaria exterior la radiacioacuten solar y la velocidad y direccioacuten del viento mientras que los arti-ficiales se refieren a la forma del edificio proporcioacuten de acristalado orientacioacuten propiedades de materiales y la distancia entre los edificios

Aksoy e Inalli (2006) estudiaron el impacto de estra-tegias pasivas en la demanda del sistema de calefac-cioacuten mediante un meacutetodo de diferencias finitas Las estrategias examinadas fueron la orientacioacuten y factor de forma encontrando que el mejor factor de forma es 11 es decir edificios de forma cuadrada Sadineni et al (2011) realizan una revisioacuten de componentes pasivos de la envolvente analizando el estado del arte y propieda-des de muros ventanas y puertas (acristalado y mar-cos) y cubierta Sentildeala que los elementos pasivos de una fachada son altamente sensibles a factores meteo-roloacutegicos por lo que el disentildeador y planificador de la edificacioacuten deberaacute tener un amplio conocimiento de los

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RodRiacuteguez-Muntildeoz NoRMa alejaNdRa NaacutejeRa-TRejo MaRio MaRTiacuteN-doMiacuteNguez igNacio RaMiRo

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elementos climaacuteticos Adicionalmente para llevar a cabo un proyecto exitosamente es recomendable anali-zar exhaustivamente la factibilidad econoacutemica resul-tante de la aplicacioacuten de las estrategias seleccionadas

Uso de software para anaacutelisis energeacutetico de edificaciones

Existen diversos estudios donde se utilizan herramien-tas de simulacioacuten para cuantificar la demanda energeacuteti-ca y el confort teacutermico en el interior de edificios Crawley et al (2008) realizaron un resumen donde comparan las capacidades de las herramientas y soft-ware disponibles durante los uacuteltimos 50 antildeos Los auto-res mencionan que aunque estos programas se han desarrollado mejorado y utilizado por la comunidad para el disentildeo de edificaciones encontraron que al gru-po dedicado a la simulacioacuten le falta tener un lenguaje claro y uniforme para describir las caracteriacutesticas ofre-cidas A su vez Li et al (2014) cuestionan los alcances de las herramientas de simulacioacuten energeacutetica en edifica-ciones al establecer dos hipoacutetesis que examinan las di-ferencias entre la informacioacuten medida y calculada con las herramientas de simulacioacuten La primera hipoacutetesis se refiere a los errores incurridos por asumir la ocupacioacuten de la edificacioacuten mientras que la segunda establece que al utilizarse un modelo energeacutetico que fue disentildeado para otra estrategia de conservacioacuten de energiacutea resulta-raacuten predicciones estadiacutesticamente incorrectas

Autores como Nazi et al (2015)y Li et al (2014) utili-zan Design Builder para cuantificar energiacutea anual de edificios de oficinas Nazi et al (2015) aplican metodolo-giacuteas para reducir la carga de refrigeracioacuten en el verano alcanzando una reduccioacuten del consumo energeacutetico del edificio de 4585 mediante el ajuste de la temperatura de operacioacuten de los sistemas de enfriamiento y la modi-ficacioacuten de los sistemas de iluminacioacuten y acristalado Moreci et al (2016) realizaron simulaciones con TRN-SYS para establecer correlaciones simples para determi-nar las cargas de calefaccioacuten de edificios no residenciales para siete paiacuteses europeos El estudio se realizoacute con el fin de proveer con informacioacuten a gerentes o planifica-dores energeacuteticos sobre la demanda de calefaccioacuten de un edificio ideal puesto en diferentes ubicaciones geo-graacuteficas tomando en cuenta la normatividad reciente para cada sitio En publicaciones de Florides et al (2002) y Gieseler et al (2004) se analiza la viabilidad econoacutemi-ca del establecimiento de estrategias de ahorro energeacute-tico sobre el consumo de energiacutea Mediante simulacioacuten dinaacutemica con TRNSYS Sadineni et al (2011) realizan caacutelculos similares utilizando el programa computacio-nal Energy-10

propiedades de los sistemas constrUctivos y componentes

Desde hace deacutecadas se visualizaba la importancia que tiene la eleccioacuten del acristalado en una edificacioacuten en donde algunos retos que se concebiacutean eran el mejora-miento de calidad de la iluminacioacuten y aislamiento al ruido la prevencioacuten de la fluctuacioacuten de la temperatura en las superficies interiores y la reduccioacuten de peacuterdidas y ganancias de calor a traveacutes del cristal entre otros Ac-tualmente existe gran variedad de tipos de cristales con propiedades oacutepticas muy diferentes que permiten seleccionar los maacutes adecuados al tipo de aplicacioacuten re-querida El conocimiento de las propiedades teacutermicas y oacutepticas seraacute clave para el entendimiento y seleccioacuten del tipo de cristal adecuado para cierta edificacioacuten (Orlov et al 1998)

Baetens et al (2010) concluyen de una revisioacuten de literatura que las ventanas electrocroacutemicas son las maacutes prometedoras comercialmente ya que pueden reducir hasta 26 el consumo de energiacutea requerida para ilumi-nacioacuten y hasta 20 el consumo energeacutetico por refrige-racioacuten cuando se utilizan en climas caacutelidos A reserva de realizar maacutes investigaciones para climas templados Sweitzer et al (1987) estudiaron el efecto de cristales de baja emisividad (low-e) en edificios no residenciales concluyendo que es posible ahorrar energiacutea para ilumi-nacioacuten y refrigeracioacuten en climas caacutelidos y templados cuidando que las propiedades de transmisividad solar sean las adecuadas En climas templados los recubri-mientos de baja emisividad contribuyen a reducir los costos de calefaccioacuten disminuyendo la condensacioacuten e incrementaacutendose el confort teacutermico

caacutelcUlo de demanda energeacutetica

Li et al (2014) consideran los consumos de calefaccioacuten refrigeracioacuten iluminacioacuten y equipo de coacutemputo y de oficina demostrando que este edificio de oficinas se en-cuentra dentro de una clasificacioacuten de bajo consumo energeacutetico consumiendo 1 099 12374 kWh al antildeo lo que representa un iacutendice de consumo de energiacutea de 9994 kWhm2 En un estudio previo de los mismos au-tores se analizoacute el impacto de la seleccioacuten de materiales de construccioacuten sobre el consumo energeacutetico de otro edificio dentro del mismo complejo Como resultado se logroacute reducir la demanda de refrigeracioacuten anual hasta 37 mediante la seleccioacuten de los materiales y la imple-mentacioacuten de una estrategia de ventilacioacuten

Ihara et al (2015) se enfocaron en componentes de la envolvente que afectan la demanda energeacutetica Se calcu-loacute la demanda energeacutetica de calefaccioacuten y refrigeracioacuten con la herramienta de simulacioacuten WUFI Plus Las varia-




ciones de fachada que estudiaron los autores son la re-flectividad solar y valor U de materiales de elementos opacos y SHGC (Solar Heat Gain Coefficient) de venta-nas Los autores encontraron que la reduccioacuten de SHGC de las ventanas fue la estrategia que impactoacute mayormen-te en la reduccioacuten de la demanda energeacutetica anual segui-do de la reduccioacuten del valor U de las ventanas

Hee et al (2015) analizan a detalle los efectos sobre el ahorro energeacutetico obtenido por la seleccioacuten de dife-rentes tipos de acristalado tomando en cuenta los efec-tos contradictorios entre el ahorro energeacutetico obtenido en climatizacioacuten y del mayor gasto por iluminacioacuten artificial derivada de la seleccioacuten de los cristales Den-tro de su publicacioacuten incluyen una seccioacuten de lecciones aprendidas donde sentildealan que aunque la variedad de cristales disponibles en el mercado es amplia y tecnoloacute-gicamente avanzada el entendimiento de la aplicacioacuten de ciertos cristales puede traer conclusiones contradic-torias por lo que recomienda un proceso de optimiza-cioacuten para su aplicacioacuten Y al igual que Sadineni et al (2011) hacen eacutenfasis en el requerimiento de un buen conocimiento del clima de la regioacuten ya que el desempe-ntildeo de los cristales es altamente dependiente de el

En este estudio se llevoacute a cabo un anaacutelisis del com-portamiento teacutermico de una edificacioacuten tomaacutendose en cuenta las condiciones climaacuteticas del lugar geometriacutea de la edificacioacuten propiedades de los materiales rango de confort teacutermico horario de ocupacioacuten y condiciones

de operacioacuten de los sistemas de climatizacioacuten Se reali-zoacute el anaacutelisis del edificio asumiendo la utilizacioacuten de materiales comunes disponibles en la localidad La fi-nalidad de este trabajo es demostrar que es posible me-jorar el desempentildeo teacutermico y disminuir el consumo energeacutetico de una edificacioacuten llevando a cabo su estu-dio sin cambiar el disentildeo arquitectoacutenico propuesto y sin proponer la utilizacioacuten de materiales nuevos En este trabajo se implementaron una serie de combinacio-nes de materiales y sistemas constructivos para poste-riormente cuantificar la mejora o deterioro de la eficiencia energeacutetica de la envolvente considerando que una estrategia uacutetil en tiempo de invierno puede afectar el comportamiento teacutermico de la edificacioacuten Esta estrategia se siguioacute sin demeritar la importancia de la adecuacioacuten del proyecto arquitectoacutenico y el uso de materiales novedosos sino como un primer paso para la mejora del comportamiento de la edificacioacuten

condIcIones de operacIoacuten del sIstema y metodologiacutea

Este estudio se enfoca en analizar la contribucioacuten que tienen los sistemas constructivos sobre el comporta-miento teacutermico de un edificio de tres plantas a traveacutes del software de simulacioacuten dinaacutemica TRNSYS 17 El edificio comprende tres plantas soacutetano planta baja y planta alta se dividioacute en zonas teacutermicas las cuales faci-litan la evaluacioacuten y anaacutelisis (Figura 1)

Figura 1 Zonas teacutermicas definidas a) soacutetano b) primera planta y c) segunda planta

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El anaacutelisis bioclimaacutetico y el estudio del desempentildeo teacutermico de la edificacioacuten requiere datos climaacuteticos del sitio de estudio a lo largo de todo el antildeo para modelar la interaccioacuten clima y envolvente de la edificacioacuten Para realizar el anaacutelisis de un antildeo especiacutefico se trabajoacute con los datos de ese antildeo Pero si se busca una estimacioacuten a largo plazo se usa un antildeo representativo de las condi-ciones climaacuteticas promedio (Sengupta et al 2015) Un dato popular obtenido por modelacioacuten es el TMY (Antildeo meteoroloacutegico tiacutepico) de una ubicacioacuten especiacutefica

El conjunto de datos que integra el TMY se disentildeoacute originalmente para simplificar el caacutelculo de la climatiza-cioacuten de las edificaciones El TMY tipifica las condiciones meteoroloacutegicas a un sitio de intereacutes y estaacute basado en va-rios antildeos de datos meteoroloacutegicos Crawley et al (2008)describen que el meacutetodo TMY produce antildeos sinteacuteticos que representan las variables meteoroloacutegicas de manera maacutes apropiada y haraacuten predicciones de resultados maacutes cercanos a los promedios a largo plazo Remund (2015) habla sobre su faacutecil uso y una baja variacioacuten de la incerti-dumbre de 2-10 Autores como Hong et al (2013) y Crawley et al (2008) coinciden con que Meteonorm y el TMY son las herramientas maacutes adecuadas a la hora de pensar en datos de entrada para la simulacioacuten de energiacutea de edificaciones por ser la representacioacuten maacutes cercana a los patrones tiacutepicos de clima

Del reporte del IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) se incluyeron el promedio de 18 mo-delos de prediccioacuten climaacutetica y tres escenarios de cam-bio climaacutetico en Meteonorm Estos tres escenarios B1 A1B y A2 estaacuten disponibles para predicciones futuras Las anomaliacuteas de temperatura precipitacioacuten radiacioacuten global para los periodos 2011-2030 2046-2065 2080-2099 se usaron para el caacutelculo de los periodos de tiempo futuros De acuerdo con estos caacutelculos se encontroacute que la prediccioacuten de los cambios en la radiacioacuten global al 2100 en todos los escenarios son pequentildeos comparados con los cambios de temperatura Estas variaciones se encuentran en el rango desde un deacutecimo hasta un pun-to porcentual Sin embargo es importante resaltar que las variaciones de los uacuteltimos 50 antildeos se han subestima-do por los modelos anteriormente utilizados

Los paraacutemetros climaacuteticos que se tomaron en cuenta en este estudio son temperaturas horarias promedio humedad radiacioacuten solar y velocidad del viento las cuales se introdujeron en forma de TMY (Typical Me-teorological Year) a traveacutes del software Meteonorm Por tratarse de un edificio de oficinas se establecieron los diacuteas de ocupacioacuten de lunes a viernes en un horario de 0700 a 1900 horas por lo que el resto del tiempo la climatizacioacuten permanece apagada como sucede de igual forma para los fines de semana El establecimien-

to de la ocupacioacuten de la edificacioacuten limita el uso de los sistemas de acondicionamiento de aire a estos periodos Se establecioacute un rango de operacioacuten de los sistemas de climatizacioacuten de 20 a 28degC donde se cuantifica la ener-giacutea necesaria para calentar o enfriar cada zona teacutermica al momento de incumplirse con este paraacutemetro

Un sistema constructivo es un conjunto de materia-les caracteriacutesticos para un tipo de construccioacuten Actual-mente el sistema constructivo tradicional se refiere al proceso constructivo cuyo objetivo es la realizacioacuten de muros de ladrillo piedra bloques u hormigoacuten armado En este trabajo se implementaron los sistemas construc-tivos y corridas de simulacioacuten para conocer el compor-tamiento teacutermico y energeacutetico del edificio las cuales se detallan en la Tabla 1 en donde se observa que se eva-luaraacute el efecto que tiene la seleccioacuten de impermeabili-zante sobre la cubierta del sistema constructivo de muros y de los cristales de las ventanas Las propieda-des teacutermicas y oacutepticas de los diferentes impermeabili-zantes muros y cristales utilizados se detallan en las Tablas 2 3 y 4 respectivamente

El caso inicial se simuloacute sin considerar sistemas de climatizacioacuten artificial obtenieacutendose el confort y tem-peraturas promedio del interior representaacutendose uacuteni-camente la proteccioacuten brindada por la envolvente bajo las condiciones climaacuteticas de un antildeo tiacutepico Las corridas de simulacioacuten posteriores se realizan con el fin de cuan-tificar la demanda energeacutetica del edificio debida al uso de sistemas de acondicionamiento cuando las condicio-nes de confort establecidas no se cumplen variando la configuracioacuten de cubierta muros y acristalado

La geometriacutea del edificio se creoacute utilizando el soft-ware Google SketchUp 8 y la informacioacuten se extrajo uti-lizando planos de AutoCAD Ademaacutes de la geometriacutea las dimensiones de la cristaleriacutea la orientacioacuten el som-breado y las zonas teacutermicas del edificio son caracteriacutesti-cas que se definieron en SketchUp mediante el modulo antildeadido de TRNSYS En TRNBuild se realiza la impor-tacioacuten del modelo del edificio para posteriormente mo-dificar las propiedades fiacutesicas de los materiales tales como espesor densidad capacidad caloriacutefica conduc-tividad teacutermica coeficiente de absortancia y emisividad de la superficie Este moacutedulo de TRNSYS cuenta con la posibilidad de realizar un balance de energiacutea basado en el control de temperatura del nodo de aire en la zona teacutermica El rango utilizado para el control de tempera-tura se establece como 20degC para la calefaccioacuten y 28degC para la refrigeracioacuten De esta forma el moacutedulo cuantifi-ca de manera simplificada el consumo energeacutetico por climatizacioacuten artificial Usando TRNSYS Simulation Studio se incorpora la informacioacuten climatoloacutegica y se manipula la informacioacuten de salida de la edificacioacuten




Tabla 1 Establecimiento de los casos de estudio

Clave Muros Cristal Cubierta

Evaluacioacuten impermeabilizantes

IMP-01Block concreto Cristal claro

convencional

Impermeabilizante Terracota

IMP-02 Impermeabilizante Blanco reflectivo

Evaluacioacuten uso de materiales de construccioacuten

MURO-01 Block concreto Cristal claro convencional


MURO-02 Hebel Cristal claro convencional

MURO-03Block concreto + 00254 m de poliestireno

Cristal claro convencional

Evaluacioacuten tipo de acristalado en ventanas

CRISTAL-01 Block concreto Cristal claro convencional

CRISTAL-02 Block concreto Cristal claro

CRISTAL-03 Block concreto Cristal control solar

CRISTAL-04 Block concreto Cristal baja emisividad 1


Tabla 2 Propiedades teacutermicas y oacutepticas de los materiales en cubierta

Clave Composicioacuten de cubierta

Espesor(m)

Conductividad teacutermicak (Wm K)

Emisividad(e)

Absortividad(a)

Reflectividad(r)

IMP-01

I Terracota 00254 0100

035 060 040Concreto 01000 1400

Metal deck 00100 4528

IMP-02

I Blanco reflectivo 00254 0063

085 030 070Concreto 01000 1400


Tabla 3 Propiedades teacutermicas de los materiales en muros

CLAVE Configuracioacuten muro Espesor (m) Conductividad teacutermicak (Wm K)

MURO-01exterior Block de

concreto 02000 163

interior Yeso 00130 016

MURO-02

exterior Poliestireno 00254 017

centro Block de concreto 02000 163


MURO-03exterior Hebel 01500 048


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dIscusIoacuten y anaacutelIsIs de resultados

Con el fin de demostrar que el consumo energeacutetico de una edificacioacuten se puede reducir al realizar la seleccioacuten de materiales aun con disponibilidad limitada de ellos se realizoacute el anaacutelisis detallado del comportamiento teacuter-mico a traveacutes de simulaciones dinaacutemicas presentaacutendose el requerimiento energeacutetico de los sistemas de calefac-cioacuten y refrigeracioacuten de un edificio de tres plantas y 5500 m2 de superficie De acuerdo con la evaluacioacuten del com-portamiento de temperaturas dentro del edificio base mostrado en la Figura 2 se decidioacute evaluar los siguientes componentes constructivos cubierta (impermeabilizan-te) muros y acristalado En la Figura 2 se grafican las temperaturas interior (Ti) y ambiental (Ta) obtenieacutendose Ti promedio miacutenima y maacutexima anuales de 225 45 y 334degC respectivamente mientras que las Ta promedio miacutenima y maacutexima anuales fueron de 185 -38 y 353degC En el antildeo tiacutepico analizado se encontroacute que durante un total de 2070 horas al antildeo se tendraacuten condiciones fuera del rango de confort establecido por lo que se requeriraacute del uso de los sistemas de climatizacioacuten

En las Figuras 3 4 y 5 se realiza una comparacioacuten del consumo de energiacutea anual para los diferentes siste-mas estudiados (la nomenclatura de los sistemas eva-luados puede encontrarse en la Tabla 1)

Para el anaacutelisis de cubierta (Figura 3) se selecciona-ron dos impermeabilizantes color terracota y color blanco con propiedades reflectivas Ademaacutes se conside-raron dos condiciones de sombreado en los lucernarios debido a que estos representan peacuterdidas y ganancias de calor significativas En la Figura 3 las claves (a) y (b) en el anaacutelisis de cubierta se refieren a lucernarios sin som-breado y con sombreado respectivamente En la com-paracioacuten de energiacutea requerida los casos IMP-b (con sombreado) son efectivos para la reduccioacuten del requeri-miento de energiacutea para refrigerar reducieacutendose hasta un 31 y 44 la demanda cuando se compara contra los casos IMP-a (sin sombreado) Sin embargo la medida resulta contraproducente al examinar los consumos por calefaccioacuten donde la misma medida que ahorra 44 de energiacutea requiere 26 maacutes energiacutea que el caso base (IMP-01-a sin sombreado e impermeabilizante terraco-ta) Al realizar la suma anual de los consumos se obser-

Tabla 4 Propiedades de cristales

CLAVE Espesor(m)

Coeficiente de ganancia solar

SHGC

Factor U(Wm2K)

Emisividad(e)

Interior Exterior

CRISTAL-01 0016 0855 568 084 084

CRISTAL-02 0016 0696 514 084 084

CRISTAL-03 0016 0495 542 084 084

CRISTAL-04 0016 0472 540 067 084

CRISTAL-05 0016 0612 204 084 088

Figura 2 Temperaturas interiores promedio alcanzadas en el edificio base sin climatizar




va que para esta configuracioacuten de edificio y clima la estrategia que funciona mejor es IMP-01-b con som-breado e impermeabilizante terracota) el cual dismi-nuiraacute hasta 463 el consumo de energiacutea del edificio

Para el anaacutelisis de muros (Figura 4) el sistema cons-tructivo que resultariacutea en un menor consumo energeacuteti-co es el MURO-02 (bloque de concreto y poliestireno) Este sistema reduce 188 el consumo energeacutetico anual Este sistema resulta efectivo especialmente para la re-duccioacuten de la demanda energeacutetica por calefaccioacuten con una reduccioacuten de 23 de la demanda prevista Esta me-jora se debe principalmente a la inclusioacuten del material aislante (poliestireno k=017 Wm K) en el sistema constructivo Por lo que este sistema reduciriacutea de mane-

ra importante las peacuterdidas de calor a traveacutes de la envol-vente del edificio en los meses friacuteos

Por uacuteltimo se analizaron cinco sistemas de acristala-do (Figura 5) donde todos resultan favorables para la reduccioacuten del flujo de calor al interior del edificio Sin embargo al cuantificar el consumo de energiacutea corres-pondiente a calefaccioacuten se observa que todos los siste-mas analizados consumen maacutes energiacutea respecto al sistema de acristalado convencional esto principalmente a los valores bajos del coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC) que poseen los demaacutes cristales Un alto coeficiente SHGC nos indica que el cristal permitiraacute ma-yores ganancias de calor mientras que un coeficiente bajo permitiraacute poco flujo de calor En el caso del sistema

Figura 3 Comparativo de consumo energeacutetico anual en cubierta

Figura 4 Comparativo de consumo energeacutetico anual en muro

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convencional este tiene un coeficiente de 0855 indican-do mayores ganancias de calor lo cual se traduciraacute en una demanda de calefaccioacuten menor El sistema CRIS-TAL-03 tiene un SHGC menor (0472) observaacutendose que es el sistema que tendriacutea mayor demanda de calefac-cioacuten (68986 kWh) Cuando se realiza un balance de con-sumo anual de ambos requerimientos (refrigeracioacuten y calefaccioacuten) el sistema CRISTAL-02 (Cristal claro) logra reducir en 34 la demanda energeacutetica anual respecto al caso base CRISTAL-01(Cristal convencional)

conclusIones

En este estudio se examinoacute el desempentildeo teacutermico de sistemas constructivos propuestos para un edificio de oficinas en clima BS mediante simulacioacuten dinaacutemica con el software TRNSYS Se propusieron dos sistemas cons-tructivos para cubierta tres para muro y tres de acrista-lado para un edificio de tres plantas (5500 m2)

Uno de los objetivos de este trabajo fue visualizar que es posible disminuir el consumo energeacutetico de una edificacioacuten auacuten con disponibilidad limitada de mate-riales de construccioacuten Con los resultados derivados del estudio se demostroacute que no es necesario realizar un es-tudio complejo para reducir el consumo de energiacutea por concepto de refrigeracioacuten y calefaccioacuten manteniendo el confort en su interior

De acuerdo con el anaacutelisis efectuado se encontroacute que de los tres elementos variados (impermeabilizante muro y cristal) el elemento que tiene mayor impacto so-bre la disminucioacuten del consumo energeacutetico es el aisla-miento de los muros mientras que el elemento que en segundo teacutermino mejora el desempentildeo teacutermico fue la

aplicacioacuten de un impermeabilizante color terracota Por uacuteltimo la consideracioacuten de los diferentes cristales en las ventanas tiene un menor impacto en este edificio Esto da una pauta inicial para decidir queacute elementos constructivos tienen mayor impacto en el comporta-miento teacutermico de una edificacioacuten principalmente cuando es necesario priorizar la seleccioacuten de materiales debido a restricciones presupuestales

Finalmente al analizar el consumo energeacutetico anual del edificio base contra el del edificio propuesto los re-sultados demuestran que el consumo energeacutetico por refrigeracioacuten se logra reducir en mayor cantidad que por calefaccioacuten No obstante la reduccioacuten en el gasto operativo anual respecto a la edificacioacuten propuesta es de hasta 255 lograacutendose asiacute el objetivo principal de este anaacutelisis

Es importante hacer eacutenfasis en que el anaacutelisis de una edificacioacuten debiera realizarse siempre de forma anual ya que frecuentemente se analiza la incorporacioacuten de una o varias estrategias enfocadas a mejorar las condi-ciones de verano o invierno sin tomar en cuenta que dichas estrategias ayudan a mejorar el desempentildeo teacuter-mico en invierno pero afectan el de verano y viceversa lo cual trae como consecuencia la neutralizacioacuten de las ganancias o ahorros prometidos por la incorporacioacuten de alguna de las estrategias

agradecImIentos

Se agradece el apoyo econoacutemico recibido por parte del Centro Mexicano de Innovacioacuten en Energiacutea Solar (Ce-MIE-Sol) A traveacutes del Proyecto P13 ldquoLaboratorios de pruebas para baja y media temperatura laboratorio para

Figura 5 Comparativo de consumo energeacutetico anual en ventana




el disentildeo e integracioacuten de sistemas termo solares asistido por computadorardquo Perteneciente a la Convocatoria 2013-02 del FONDO SECTORIAL CONACYT - SENER - SUSTENTABILIDAD ENERGEacuteTICA Para el desarrollo y presentacioacuten de este trabajo Asimismo al proyecto FOMIX-Durango DGO-2014-01-229107 ldquoCreacioacuten del Centro de Innovacioacuten y Competitividad en Energiacuteas Re-novables y Medio Ambiente de Durangordquo

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Este artiacuteculo se cita

Citacioacuten estilo Chicago

Rodriacuteguez-Muntildeoz Norma Alejandra Mario Naacutejera-Trejo Ignacio Ra-miro Martiacuten-Domiacutenguez Anaacutelisis del desempentildeo teacutermico de los siste-mas constructivos de un edificio de oficinas mediante simulaciones dinaacutemicas Ingenieriacutea Investigacioacuten y Tecnologiacutea XIX 03 (2018) 279-289

Citacioacuten estilo ISO 690

Rodriacuteguez-Muntildeoz NA Naacutejera-Trejo M Martiacuten-Domiacutenguez IR Anaacutelisis del desempentildeo teacutermico de los sistemas constructivos de un edificio de oficinas mediante simulaciones dinaacutemicas Ingenieriacutea In-vestigacioacuten y Tecnologiacutea volumen XIX (nuacutemero 3) julio-septiembre 2018 279-289

semblanzas de los autores

Rodriacuteguez-Muntildeoz Norma Alejandra Ingeniera Quiacutemica con Maestriacutea y Doctorado en Ciencias de la Ingenieriacutea de la Universidad de Sonora Fue posdoctorante dentro del proyecto de Laboratorio Nacional de Sistemas de Concenetracioacuten Solar y Quiacute-mica Solar (LACyQS) del Instituto de Energiacuteas Renovables de la UNAM Actual-mente es investigador de Caacutetedras CONACYT en el Departamento de Ingenieriacutea Sustentable del Centro de Investigacioacuten en Materiales Avanzados en Durango Naacutejera-Trejo Mario Teacutecnico Titular B en CIMAV-Unidad Durango Es Ingeniero Electromecaacutenico con especialidad en manufactura avanzada Cuenta con Maes-triacutea en Ciencia y Tecnologiacutea Ambiental y participoacute en el anaacutelisis teacutermico de los edificios en construccioacuten de la Unidad Durango Participa en el proyecto CEMIE-SOL P13 Creacioacuten del laboratorio para disentildeo termo-solar asistido por computa-dora Asimismo en el proyecto de evaluacioacuten del desempentildeo de recubrimientos reflejantesemisivos para techos de viviendas de la empresa COMEX

Martiacuten-Domiacutenguez Ignacio Ramiro Investigador en CIMAV-Unidad Durango Ingenie-ro Mecaacutenico por el Instituto Tecnoloacutegico de Durango Doctorado en Termocien-cias por la Universidad de Windsor Canadaacute Sus liacuteneas de investigacioacuten son Modelacioacuten simulacioacuten y disentildeo de sistemas termo mecaacutenicos aplicaciones de la energiacutea solar teacutermica docencia en temas de termofluidos transferencia de calor energiacutea solar y simulacioacuten computacional de sistemas de energiacutea ldquo




IntroduccIoacuten

Uso de energiacutea en edificaciones

En las uacuteltimas deacutecadas la poblacioacuten mundial ha crecido de manera importante alcanzaacutendose la cifra de 73 mil millones de habitantes en el 2015 (United Nations 2015) Este aumento ha provocado entre otros efectos el aumento de la demanda de toda clase de recursos y contaminacioacuten derivada de su uso y explotacioacuten Ob-servamos que la demanda energeacutetica ha aumentado por ejemplo el consumo de China se ha duplicado (IEA 2008) mientras que de manera global se predice que el consumo energeacutetico de paiacuteses en viacuteas de desarro-llo aumentaraacute 3 anual entre 2004 y 2020 (FAO 2008) Existen paraacutemetros que correlacionan el aumento en la poblacioacuten mundial y la demanda de energiacutea mundial tal como el PIB (Producto Interno Bruto) J Darmstad-ter sugiere que a traveacutes del tiempo la relacioacuten de consu-mo entre sociedades con aumento en el PIB y la demanda energeacutetica han prevalecido (Darmstadter 2004) El Panel Intergubernamental del Cambio Climaacute-tico (IPCC) publicoacute un artiacuteculo dirigido al papel que tienen los individuos sobre el cambio climaacutetico decla-rando que las emisiones de efecto invernadero se incre-mentaron cerca de 70 entre 1970 y 2004 (IPCC 2007) La demanda energeacutetica de los edificios entre 1990 y 2005 ha crecido raacutepidamente donde los paiacuteses de la OCDE han incrementado en 23 y 54 el uso de ener-giacutea primaria y electricidad respectivamente (IEA 2008) La eficiencia energeacutetica juega un rol criacutetico en li-mitar el crecimiento de la demanda energeacutetica mun-dial restriccioacuten que llega hasta 30 para el 2040 Sin embargo esto se lograraacute uacutenicamente establecieacutendose metas y regulaciones eneacutergicas alrededor del mundo

El trabajar en el disentildeo de edificaciones sustenta-bles la ejecucioacuten de medidas de ahorro energeacutetico y la aplicacioacuten de conceptos bioclimaacuteticos son totalmente pertinentes La edificacioacuten sustentable utiliza praacutecticas y materiales respetuosos con el medio ambiente en to-das sus fases planeacioacuten disentildeo construccioacuten opera-cioacuten etceacutetera (Aacutelvarez 2013) La eficiencia del uso de recursos en una edificacioacuten contempla la reduccioacuten de demanda energeacutetica en la fase de operacioacuten teniendo que las localidades donde se requiere el uso de climati-zacioacuten artificial calefaccioacuten y refrigeracioacuten son las que presentan mayor potencial de ahorro

La tendencia actual es que el arquitecto disentildea los espacios y el ingeniero define las instalaciones requeri-das La arquitectura bioclimaacutetica no solo debe basarse en el disentildeo arquitectoacutenico y seleccioacuten de materiales de construccioacuten para alcanzar el confort teacutermico sino debe

incluir que la demanda energeacutetica requerida para en-friar y calentar la edificacioacuten sea la miacutenima posible (Gi-voni 1994) En Latinoameacuterica el disentildeo bioclimaacutetico es frecuentemente subestimado como una praacutectica vaacutelida dentro de las firmas arquitectoacutenicas donde los estudios de eficiencia energeacutetica o de edificacioacuten sustentable ge-neralmente se basan solo en la identificacioacuten aplicacioacuten de conceptos y adicioacuten de estrategias es decir aplica-cioacuten de medidas cualitativas sin considerar que es ne-cesario calcular el desempentildeo teacutermico y energeacutetico de cada uno de los elementos antildeadidos Es por esto que es necesario establecer una metodologiacutea que permita se-leccionar las estrategias que consideren la arquitectura bioclimaacutetica pero evaluando su impacto Esta evalua-cioacuten es posible que se efectue previo a la construccioacuten de la edificacioacuten mediante simulacioacuten dinaacutemica e idealmente tanto para cuantificar la eficacia teacutecnica de la estrategia como la econoacutemica y asiacute conjuntar las ven-tajas de la aplicacioacuten de la arquitectura bioclimaacutetica con la utilidad de cuantificar de forma ingenieril su imple-mentacioacuten

estrategias de ahorro energeacutetico en edificaciones

La localizacioacuten orientacioacuten distribucioacuten de espacios asiacute como el aprovechamiento de las propiedades teacutermi-cas y oacutepticas de los materiales de construccioacuten son ca-racteriacutesticas que contribuiraacuten a conformar la demanda energeacutetica del edificio (Motawa y Oladokun 2015) Be-ktas et al (2011) dividen los paraacutemetros que alteran los requerimientos energeacuteticos del edificio como los paraacute-metros medioambientales y los de disentildeo clasificados como fiacutesicos y artificiales respectivamente Dentro de los paraacutemetros fiacutesicos el autor resalta la importancia de la temperatura horaria exterior la radiacioacuten solar y la velocidad y direccioacuten del viento mientras que los arti-ficiales se refieren a la forma del edificio proporcioacuten de acristalado orientacioacuten propiedades de materiales y la distancia entre los edificios

Aksoy e Inalli (2006) estudiaron el impacto de estra-tegias pasivas en la demanda del sistema de calefac-cioacuten mediante un meacutetodo de diferencias finitas Las estrategias examinadas fueron la orientacioacuten y factor de forma encontrando que el mejor factor de forma es 11 es decir edificios de forma cuadrada Sadineni et al (2011) realizan una revisioacuten de componentes pasivos de la envolvente analizando el estado del arte y propieda-des de muros ventanas y puertas (acristalado y mar-cos) y cubierta Sentildeala que los elementos pasivos de una fachada son altamente sensibles a factores meteo-roloacutegicos por lo que el disentildeador y planificador de la edificacioacuten deberaacute tener un amplio conocimiento de los

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convencional

















Espesor(m)


Emisividad(e)

Absortividad(a)

Reflectividad(r)

IMP-01


035 060 040Concreto 01000 1400


IMP-02


085 030 070Concreto 01000 1400





concreto 02000 163


MURO-02






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CLAVE Espesor(m)


SHGC

Factor U(Wm2K)

Emisividad(e)

Interior Exterior

CRISTAL-01 0016 0855 568 084 084

CRISTAL-02 0016 0696 514 084 084

CRISTAL-03 0016 0495 542 084 084

CRISTAL-04 0016 0472 540 067 084

CRISTAL-05 0016 0612 204 084 088











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análisis del desempeño térmico de los sistemas ... · edificios de oficinas. nazi et al. (2015)...

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