VIVIENDA BIOCLIMÁTICA
12 2002
INGENIERÍA Y DESARROLLO
© Derechos Derechos Reservados Reservados 2002
Fundación ICA, A. C. Av. del Parque Parque No 91 Colonia Nápoles C.P. 03810 México, D.F. Tel 56 69 39 85, 52 72 99 91, 52 72 99 15 Ext. 4003-4079 Ext. Fax 4083 email:
[email protected] e-mail:
[email protected] http:// www.fundacion-ica.org.mx ISBN 968 5552 02-X ISSN 1405-5570
Impreso en México
© Derechos Derechos Reservados Reservados 2002
Fundación ICA, A. C. Av. del Parque Parque No 91 Colonia Nápoles C.P. 03810 México, D.F. Tel 56 69 39 85, 52 72 99 91, 52 72 99 15 Ext. 4003-4079 Ext. Fax 4083 email:
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Impreso en México
Presentación
Con el objeto de contribuir y fomentar la difusión para el desarrollo de la ingeniería de primer nivel, Fundación ICA desea plasmar en publicaciones técnicas, artículos que reflejan la aplicación de los adelantos en el diseño, en los materiales, en la maquinaria, en los procedimientos constructivos y, en general, en la tecnología que se ha usado en los proyectos realizados por diversas empresas de ingeniería. Esta publicación técnica, denominada “Ingeniería y Desarrollo”, nace dentro de un contexto en el que, que, más que nunca, nunca, la ingeniería y el desarrollo tecnológico, tecnológico, son una ventaja competitiva que permitirá a las empresas acceder a los mercados mundiales, en la medida que estos conceptos se transmitan, adopten y apliquen dentro de una cultura de calidad e innovación. Es en este ámbito, donde esta publicación pretende contribuir, dando a conocer la ingeniería desarrollada en nuestro país, no sólo en el campo profesional, sino también en los centros de educación superior e investigación, donde se forman los elementos que darán sin duda, mayor fortaleza, competitividad y prestigio a la ingeniería i ngeniería mexicana.
BIOCLIMÁTICA VIVIENDA BIOCLIMÁTICA 1 ING. RODRIGO MORALES
CONTENIDO INTRODUCCIÓN Descripción del proyecto Objetivos Antecedentes Entorno
3 3 3 4
METODOLOGÍA
7
ANÁLISIS CLIMATOLÓGICO Y DEMOGRÁFICO Ficha geográfica Información General Temperaturas Humedad relativa Vientos dominantes Radiación solar Datos demográficos
11 12 13 14 15 15 16
HERRAMIENTAS PARA EL DIAGNÓSTICO Gráfica solar Requerimientos solares Cálculo de radiación incidente Requ Re quer erim imie ient nto os de cli clim matiz atizac ació ión n para ara Ciu Ciudad dad Juár Juárez ez
19 20 21 29
ESTRATEGIAS DE CLIMATIZACIÓN Estrategias de climatización para clima extremoso Calefacción Enfriamiento Protección solar
33 33 39 43
RECOMENDACIONES DE DISEÑO Diseño arquitectónico
47
ESTUDIO DE MATERIAL BASE
49
DISEÑO
63
RESULTADOS
67
ANEXOS
INTRODUCCIÓN
Ingeniería y Desarrollo
Descripción del proyecto Se trata de un proyecto de vivienda de interés social en el que los beneficios de confort ofrecidos al potencial comprador constituyan una herramienta de venta diferenciada de la competencia. Se pretende diseñar de manera optimizada una vivienda a partir del entorno, de manera que los beneficios térmicos internos signifiquen un menor consumo energético y por tanto un impacto benéfico en la economía familiar. Como primer acercamiento al proyecto definitivo, se construirá una casa muestra en el Museo Tecnológico de la CFE (Ciudad de México), con la que se pretende dar a conocer el proyecto y sus ventajas a un público muy amplio. Posteriormente, en una primera etapa se construirá un prototipo de vivienda (llamado casa – laboratorio) en el que se instrumentará un monitoreo que retroalimente las premisas teóricas y en última instancia el diseño. En una segunda etapa, y dependiendo de los resultados obtenidos, se construirá un número aún no determinado de viviendas, que podrían ir desde 300 hasta 1000. Los resultados del proyecto indicarán si es factible extender las estrategias de diseño y venta utilizadas a futuros proyectos no solamente en Ciudad Juárez (plaza donde se desarrolla el proyecto Paquimé), en plazas como Mexicali, Hermosillo o Cancún.
Objetivos Paquimé es el primer proyecto dentro de ICA Vivienda preconcebido con el objetivo de realizar una vivienda bioclimática. La intención de darle un carácter ecológico tiene fines estratégicos claros, distando grandemente de tratarse de una decisión tomada a la ligera. El objetivo del proyecto es pues ofrecer un producto diferenciado al comprador, lo cual deberá significar ventajas dentro del mercado de vivienda de interés social. Como objetivo adyacente, se buscarán incentivos de las instancias gubernamentales correspondientes. Paquimé pretende ser el punto de partida para concepciones distintas de desarrollo de vivienda, abriendo así un nicho de mercado virgen en nuestro país: viviendas bioclimáticas de interés social, que redunden en beneficios de confort para el usuario, energéticos para el país y de mercado para la empresa; así como económicos para todas las partes.
Antecedentes El proyecto surge por iniciativa de la Gerencia Regional de Ciudad Juárez. La concepción, imagen y desarrollo de Paquimé estuvieron en una primera etapa a cargo de la Arq. Helda Eunice Franco Estrada, quien cuenta con un Diplomado
Vivienda Bioclimática en Diseño Bioclimático y que laboró en la empresa desde noviembre de 2000 hasta al 7 de diciembre de 2001. El 17 de abril de 2001 se integra la Comisión de Tecnología de ViveICA, encabezada por el Ing. Rodrigo Morales Mújica (Coordinador de Tecnología), quien tiene el grado de Maestría en Energía Renovable y Arquitectura. Está integrada por el Ing. Nicolás Tobón González (Director de Construcción), el Ing. Roberto Malvido Arriaga (Director de Comercialización), el Ing. Oscar Villagrán Guevara (Gerente de Ingeniería) y el Arq. Eduardo de la Isla Corry (Gerente de Desarrollo Urbano). La citada Comisión toma el desarrollo del Proyecto Paquimé.
Entorno Paquimé está siendo desarrollado para la Gerencia Regional de Ciudad Juárez, siendo justamente ésta la localidad donde se proyecta construir. El clima de la localidad es muy propicio para el diseño de una vivienda bioclimática, dadas las adversas condiciones meteorológicas que sufre a lo largo de prácticamente todo el año. Las temperaturas son muy bajas en invierno y muy altas en verano (aunando heladas en una temporada y altos niveles de radiación solar en la otra). Añadiendo a ello el nivel de humedad por debajo del requerido para confort humano, se trata en resumen de un entorno en el que es muy propicio llevar a cabo diseños encaminados a mejorar las condiciones climáticas en el interior de las viviendas.
METODOLOGÍA
Ingeniería y Desarrollo
Etapas finalizadas
Información climatológica Síntesis y diagnóstico Análisis y estrategias de climatización Recomendaciones de Diseño Anteproyecto
Evaluación térmica (teórica) Proyecto ejecutivo
Etapa en desarrollo Etapas por iniciar
Casa muestra (museo tecnológico) Construcción y monitoreo de casa laboratorio
Ajustes NO
Evaluación térmica (campo)
Vo. Bo. SÍ
PROYECTO DEFINITIVO
ANÁLISIS CLIMATOLÓGICO Y DEMOGRÁFICO
Ingeniería y Desarrollo
Es éste el primer paso que debe darse cuando se realiza un proyecto bioclimático. Las condiciones del entorno, aunadas a los requerimientos de confort del ser humano dentro de un espacio arquitectónico, arrojan como resultado las recomendaciones de diseño para un proyecto en un sitio geográfico específico. El análisis que se hizo para Paquimé incluyó un estudio intensivo de las condiciones meteorológicas de Ciudad Juárez: temperatura, humedad, lluvia, viento y radiación solar. A través de métodos teóricos ampliamente aceptados, se utilizaron esos datos para hacer un análisis de confort en las distintas temporadas del año y a todas horas del día. Se obtuvo pues una tabla mensual horaria en la que se identificaron los periodos en los que es necesario llevar a cabo alguna clase de estrategia para asegurar condiciones de confort para los habitantes de una vivienda.
Ficha geográfica Ciudad Juárez, Chihuahua Superficie Altitud Latitud Longitud Colindancias
4,853.8 km2 1140 m.s.n.m. entre 31º07’38’’ y 31º44’22’’ N entre 106º06’57’’ y 106º26’29’’ W Al norte: Texas y Nuevo México; E.U. Al este: Texas y el municipio de Guadalupe Al sur: municipios de Guadalupe y Villa Ahumada Al oeste: municipio de Ascensión
Estación meteorológica (Mpo. Cd. Juárez):
31º44’22’’ N 106º26’29’’ W 1116 m.s.n.m.
Vivienda Bioclimática
Información General Temporada Características Duración
Invierno
frío
Transición
templado
Verano
cálido-seco
Oscilación térmica
DIC a FEB
16.9ºC
Humedad relativa 56.5%
Precipitación pluvial 10.66 mm
MAR, ABR, OCT y NOV
16.7ºC
53.5%
9.17 mm
MAY a SEP
19.7ºC
58%
30.34 mm
Fenómenos especiales
desde media Heladas ocasionales en ma ñana has ta las l as pr imer as hor as de primeras horas de la madrugada la tarde Frío intenso en las a me dia ma ñana y horas de la madrugada, durante las últimas noches frías y días horas de la tarde templados durante las primeras horas de Noches y madrugadas la mañana y las frescas, días cálidos últimas horas de la noche
Resúmenes históricos Temperatura media anual Temperatura media máxima Temperatura media mínima Temperatura máxima extrema Temperatura mínima extrema Promedios de días al año con heladas Récord de helada tardía Récord de helada temprana Precipitación media anual Precipitación mayor anual Precipitación menor anual Promedio de días con lluvias Promedio de días con nevadas
Confort térmico
17.9 ºC (de 1957 a 1998) 28.2ºC (de 1957 a 1998) 7ºC (de 1957 a 1998) 45.5ºC (junio de 1994) -22.2ºC (noviembre de 1962) 52.8 (de 1981 a 1998) 2 de mayo de 1967 16 de octubre de 1980 262.2 mm (de 1957 a 1996) 536.3 mm (1989) 119.6 mm (1964) 48.1 (de 1957 a 1998) 1.8 (de 1957 a 1998)
Ingeniería y Desarrollo
Temperaturas Isotermas
Temperatura horaria [ºC] HORA 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00
ENE 0 0 -1 -1 -1 -2 -1 2 6 10 13 14 14 14 13 11 9 8 6 5 3 2 1 1
FEB 2 2 1 1 1 0 1 4 8 13 16 17 18 17 16 14 12 10 9 7 6 4 3 3
MAR 0 5 5 5 4 4 3 4 7 12 16 19 20 21 20 19 17 15 14 12 10 9 8 7
ABR 13 12 12 11 11 10 9 11 16 20 24 26 27 27 27 25 24 22 20 19 17 16 15 14
MAY 17 16 15 15 14 14 13 12 14 19 24 28 31 32 32 31 30 28 26 24 23 21 20 18
JUN 21 21 20 19 19 18 18 16 19 23 28 32 35 36 36 35 34 32 30 29 27 25 24 23
JUL 24 23 22 22 21 21 21 20 21 25 30 33 35 36 36 35 34 33 31 30 28 27 26 25
AGO 23 22 21 21 20 20 20 19 21 25 29 32 34 35 35 34 33 32 30 29 27 26 25 24
SEP 19 18 18 17 17 17 16 18 21 25 29 31 31 31 31 30 28 27 26 24 23 22 21 20
OCT 12 11 11 10 10 10 9 10 13 17 22 25 26 27 26 25 23 21 19 18 16 15 13 13
Promedios
5,25
7,71
10,67
17,83
21,54
25,83
27,46
26,54
23,33
16,75
NOV 4 4 3 3 3 2 3 6 11 15 18 19 20 19 18 16 14 12 11 9 8 7 6 5
9,83
Promedios 11,25 11,17 10,58 10,25 9,83 9,42 9,33 10,42 13,67 17,92 21,92 24,33 25,58 25,92 25,42 24,00 22,42 20,75 19,08 17,67 16,00 14,75 13,67 12,92 6,38 16,59
DIC 0 0 0 0 -1 -1 0 3 7 11 14 16 16 16 15 13 11 9 7 6 4 3 2 2
Vivienda Bioclimática
Humedad relativa Humedad relativa [%] Hora 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00
ENE 75 77 78 79 79 81 79 70 58 46 38 33 32 34 37 42 47 53 57 62 66 69 71 74
FEB 72 73 74 75 76 77 75 66 54 43 34 30 29 31 34 39 44 49 54 58 62 65 68 70
MAR 70 72 73 74 75 75 77 75 66 54 43 35 31 30 31 35 39 44 50 54 59 62 65 68
ABR 64 65 67 68 69 70 73 68 57 46 37 31 28 28 30 33 37 41 45 49 53 56 59 62
MAY 56 59 60 62 63 64 65 68 63 52 42 33 27 25 25 27 30 33 37 41 45 48 52 54
JUN 58 60 61 63 64 65 66 69 64 53 43 34 29 26 26 28 31 34 38 42 46 49 52 55
JUL 66 68 70 72 73 74 75 78 73 62 51 43 37 35 34 36 39 43 47 51 55 58 61 64
AGO 66 68 70 72 73 74 75 78 73 62 51 43 37 34 34 36 39 43 47 51 55 58 61 64
SEP 70 72 73 75 76 76 80 74 64 53 44 38 36 36 37 40 44 48 52 56 60 63 66 68
OCT 70 71 73 74 75 75 77 75 66 55 44 36 31 30 32 36 40 45 50 55 59 62 65 68
NOV 71 73 74 75 75 77 75 66 54 43 35 30 29 31 34 39 44 49 54 58 62 65 68 70
Promedios
59,88
56,33
56,54
51,50
47,13
48,17
56,88
56,83
58,38
56,83
56,29
Isohigras
Promedios 67,50 69,25 70,58 72,00 72,83 73,83 74,33 71,08 62,17 51,00 41,33 34,67 31,25 30,83 32,33 35,83 39,83 44,25 48,75 52,92 57,00 60,00 63,00 65,58 56,33 55,09
DIC 72 73 74 75 76 78 75 66 54 43 34 30 29 30 34 39 44 49 54 58 62 65 68 70
Ingeniería y Desarrollo
Vientos dominantes
Radiación solar Verano
Vivienda Bioclimática Invierno
Fuente: Atlas Solar de la República Mexicana. Hernández y Tejeda.
Datos demográficos AÑO
POBLACIÓN
1950 1960 1970 1980 1990 1994 1995 2000
131,308 278,995 424,135 567,365 798,499 958,278 1,011,786 1,217,818
Población total Viviendas habitadas Promedio de ocupantes por vivienda Viviendas habitadas sin disponibilidad de agua entubada Viviendas habitadas sin disponibilidad de energía eléctrica Viviendas habitadas sin disponibilidad de drenaje
Fuente: Censos de Población y Vivienda INEGI.
1,217,818 293,743 4.13 4.3% 1.2% 9.01%
HERRAMIENTAS PARA EL DIAGNÓSTICO
Ingeniería y Desarrollo
GRÁFICA SOLAR Para Ciudad Juárez Latitud 31 °
N 0
10
20 30
10
40
20
50 30
60
40 50 18
70
17
W
15
14
90 13
12 11
S
MASCARILLA DE SOMBREADO
7
80
16
70
6
60
80
8 10
9
90
MASCARILLA DE RADIACIÓN 100 W/M2 200 300 400
0 10
500 600 700
20
800
30
900
40 100
50
200 300
60
400 500
70 600
80 90
E
Vivienda Bioclimática
REQUERIMIENTOS SOLARES
N 0
10
20 30
10
40
20
50 30
60
40 50 18
70
17
W
6
60 7
80
16 15
14
90 13
12 11
70 80
8 10
9
S En negro, requiere protección solar En azul, requiere aprovechamiento solar
90
E
Ingeniería y Desarrollo
CÁLCULO DE RADIACIÓN INCIDENTE Para determinar la irradiancia extraterrestre sobre un plano horizontal ( I’c en W/m2)
I’c = 1353 ( 1 + 0.033 cos (360 n / 365 )) n : día ordinal del año Para calcular la masa de aire ( m ) para alturas solares mayores de 30 °
m = 1 / sen h y para alturas solares menores de 30 °
m = 614 / (1.229 + (sen h * 614 ) 2) h : altura solar en grados Para calcular la transmitacia media de la atmósfera ( zatm )
0.65 m Zatm = 0.5 ( e +
-0.095 m e )
Para obtener la irradiancia sobre un plano horizontal ( Io )
Io = ( I’c ) ( sen h ) ( zatm ) Y para la irradiancia instantánea sobre un plano vertical ( Ivo )
cos θ = (cos h * cos ao * sen i ) + ( sen h * cos i ) h : altura solar i : inclinación del plano vertical ( vertical = 90 ° ) ao : ángulo azimutal del plano, formado por la normal del mismo y el meridiano local medido desde el sur, al este negativo y al oeste positivo. Ivo = Io (cos θ / sen h ) Es necesario, además para el cálculo del balance térmico la integración de la radiación diaria global. Para ello se deben obtener los datos de la radiación extraterrestre, para luego aplicar factores de reducción atmosférica. Para la constante solar diaria extraterrestre sobre un plano horizontal ( Ho en w/m2 día)
Ho = ( 24 / π ) I’c ( cos ψ cos δ sen w1 + w1 sen ψ sen δ )
Vivienda Bioclimática
W1 : ángulo horario en radianes cos w1 = -tan ψ * tan δ Para la constante sobre un plano vertical orientado al sur ( Hvs )
Hvs = ( 24 / π ) I’c ( cos δ sen ψ sen w2 – w2 sen δ cos ψ ) W2 : ángulo horario en radianes cos w2 = tan δ cot ψ •
Sólo si la declinación es positiva y menor que la latitud. En caso de que “d” sea negativa, w se calcula acorde al punto anterior, pero si es mayor que la latitud, entonces no hay asoleamiento sobre la cara sur del plano.
Para un plano vertical orientado hacia el Norte ( Hvn )
Hvn = ( 24 π ) I’c [( w2 – w1 ) sen δ cos ψ + ( sen w2 – sen w1 ) cos δ sen ψ ) •
Las restas de w1 y w2 y de sus senos sólo se harán si la declinación es positiva y menor que la latitud. Si “d” es negativa no hay radiación sobre la cara norte del plano. Si “d” es mayor que la latitud, tales restas se sustituyen por los valores en radianes de w1 y sen w1.
Para la constante de un plano vertical hacia el este o el oeste ( Hveo )
Hveo = ( 12 /π ) I’c [cos δ - ( cos δ - cos w1 )] ψ : Latitud del sitio, en grados δ : Declinación solar para el día en cuestión, en grados w : Angulo horario, formado por la abertura entre el rayo solar y el plano meridional medido en el plano que contiene a la trayectoria solar, según lo cual las 12:00 h tienen un valor de 0º; a las 6:00 h un valor de 90º y las 18:00 h un valor de –90º.
Método Armstrong
IG = H [( a cos ψ) + ( b ns / NS )] IG : Radiación global diaria en w/m2 día H : Valor de la radiación extraterrestre A : 0.29 (constante) ψ : latitud del sitio b : 0.52 (constante) ns : no. de horas reales de sol NS : no. de horas teóricas del sol = 2 w1 / 15
Ingeniería y Desarrollo
Es recomendable se sustituya el valor relativo de heliofanía ( ns/NS ) por la fracción mensual de nubosidad.
FMN = (1/2 DMN ) + DD / DM DMN = días medio nublados al mes DD = días despejados al mes DM = no. de días que tiene el mes
Vivienda Bioclimática
CARTA BIOCLIMÁTICA DE OLGYAY DIAGRAMA PARA EXTERIORES 50°
45° 40°
6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2
35°
30°
6 2
1 0.5 0.3 0.23
25° 1.5 1.0
20°
70 140 210
15°
280 140
10° 350 420
5°
490
0°
-5°
-10° -15° 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
CONDICIONES AL AMANECER LOS 12 MESES DEL AÑO
CONDICIONES DESPUES DEL MEDIODIA DE LOS DOCE MESES DEL AÑO
TEMPERATURA DE CONFORT PREFERIDA
Tp = 22.77 °C
70%
80%
90%
100%
Ingeniería y Desarrollo
CARTA BIOCLIMÁTICA DE OLGYAY DIAGRAMA PARA EXTERIORES TEMPORADA FRÍA
50°
45° 40° 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2
35°
30°
25°
6 2
1 0.5 0.3 0.23
20° 1.5 1.0
15°
70 140 210
10°
280 140
5°
350 420 490
0°
-5°
-10° -15° 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
CONDICIONES PROMEDIO
TEMPERATURA DE CONFORT PREFERIDA
Tp = 19.40°C
70%
80%
90%
100%
Vivienda Bioclimática
CARTA BIOCLIMÁTICA DE OLGYAY DIAGRAMA PARA EXTERIORES TEMPORADA CALUROSA
50° 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2
45° 40°
35°
6 2
1 0.5 0.3 0.23
30° 1.5 1.0
25°
70 140 210
20°
280 140
15°
350 420 490
10°
5°
0°
-5°
-10° -15° 0%
10%
20%
30%
40%
50%
CONDICIONES PROMEDIO
TEMPERATURA DE CONFORT PREFERIDA
Tp = 26.13°C
60%
70%
80%
90%
100%
Ingeniería y Desarrollo
DIAGRAMA DE CONTROL BIOCLIMÁTICO DE GIVONI DIAGRAMA PARA INTERIORES 100
90 80%
70%
60%
50%
50 40% 45
35
40 30% 35 30 30
DESHUMIDIFICACION 20%
25
25
VENTILACION 20 20 RADIACION INFRARROJA NOCTURNA
ZONA DE
15
AIRE ACONDICIONADO
BIENESTAR 10 5
10%
INERCIA TERMICA
TERMICO
CALENTAMIENTO
15
10
PASIVO
0
5
ENFRIAMIENTO
CALENTAMIENTO CONVENCIONAL
HUMIDIFICACION
EVAPORATIVO 0
0
5
10
15
20
25
30
CONDICIONES AL AMANECER LOS 12 MESES DEL AÑO
CONDICIONES DESPUES DEL MEDIODIA DE LOS DOCE MESES DEL AÑO
TEMPERATURA DE CONFORT PREFERIDA
Tp = 22.77 °C
35
40
45
50
55
Vivienda Bioclimática
TABLA DE ISORREQUERIMIENTOS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
MUY FRIO
Requiere Calentar
FRIO
Requiere Calentar
CONFORT
Solo ventilación natural
CALIDO
Requiere ventilar y humidificar
CALIDO SECO
Requiere ventilar y humidificar
CALIDO MUY SECO
Requiere enfriar y humidificar
Ingeniería y Desarrollo
REQUERIMIENTOS DE CLIMATIZACIÓN PARA CIUDAD JUÁREZ Después de haber realizado el análisis correspondiente de la climatología en Cd. Juárez, y con ayuda de las tablas psicométricas, se pueden establecer cuáles son los requerimientos climatológicos para esta ciudad, es decir, qué es lo que necesitamos hacer para lograr las condiciones de confort térmico que pretendemos dentro de la envolvente de la vivienda. Estos requerimientos son lo que a continuación se presentan, según la temporada:
Temporada fría o invierno: • • • • • •
Amortiguar la oscilación térmica en el transcurso del día Propiciar las ganancias externas de la envolvente por medio de la radiación solar. Evitar las pérdidas de calor por convección (protección al viento) Inducir la incidencia solar en el interior de la vivienda. Generar el almacenamiento térmico mediante el uso de materiales en la envolvente. Manejar en la distribución espacial zonas de transición.
Temporada de transición o primavera/otoño: • • •
Aprovechar la ventilación natural Amortiguar las diferencias térmicas durante las 24 horas del día Propiciar, mediante los materiales constructivos, ganancias de calor en el día que se transmitan al interior por las noches (retraso térmico de los materiales)
Temporada calurosa o verano: • • • • • • • •
Generación de sombras dentro y fuera de la vivienda Aprovechamiento de los vientos dominantes para una ventilación natural Humidificar el ambiente. Amortiguar al máximo las diferencias térmicas Propiciar pérdidas de calor nocturnas. Minimizar las ganancias de calor por cualquier medio. Reflejar la radiación solar. Generación de microclimas que ayuden a regular la temperatura.
ESTRATEGIAS DE CLIMATIZACIÓN
Ingeniería y Desarrollo
ESTRATEGIAS DE CLIMATIZACIÓN PARA CLIMA EXTREMOSO CÁLIDO-SECO
De todos los sistemas pasivos de climatización se presenta un recopilado de aquellos que son aplicables a unas condiciones extremosas de un entorno cálido – seco, como lo es la ciudad de Juárez. Para la clasificación de los sistemas pasivos de climatización el Dr. David Morillón considera tres como los aspectos más adecuados: • Configuración estructural • Género • Requerimientos de climatización
Conforme a los requerimientos de climatización (estrategias obtenidas de los diagramas psicométricos), los sistemas pasivos de climatización se clasifican en: • Calefacción • Enfriamiento • Humidificación • Dehumidificación • Ganancia directa y protección solar. Todos los sistemas de climatización pasiva provienen de la publicación ‘Arquitectura bioclimática’ del Dr. David Morillón Gálvez.
CALEFACCIÓN Calentador solar de aire para acondicionamiento del clima interior Consiste en un recipiente con un espesor mínimo de 10 cm conteniendo rocas de alta inercia térmica y sellado con doble acristalamiento, para evitar pérdida de calor por las noches. El calentador deberá estar orientado hacia el sur, y conectado a un tubo aislado para extraer el calor e inyectarlo en el interior de la casa, en el lugar deseado mediante una pequeña bomba (extractor).
Vivienda Bioclimática
Sello con silicón Vidrio
Manguete metálico
Murete de concreto
Rocas
Aislante térmico
Aislante térmico
Extractor Losa de concreto
Muro
Muro captador y acumulador de calor Consiste en un panel de vidrio adosado a un muro de la casa, orientado preferentemente al sur o al poniente, pintado de color obscuro la superficie del muro que queda contenida dentro de este panel de vidrio. Funcionamiento: El aire caliente sube por la cámara formada entre el panel y el muro y penetra dentro de la casa por los orificios superiores, y simultáneamente la cámara aspira el aire por las aberturas inferiores. Este movimiento de aire puede continuar puede continuar dos o tres horas después de la puesta del sol, hasta que la superficie de la pared se ha enfriado. Por las noches este proceso se puede invertir, ya que el aire se enfriaría dentro de la cámara, convirtiéndose en más pesado, descendiendo a la parte inferior y penetrando a la casa por los orificios de la parte de abajo, mientras que, simultáneamente, el aire más caliente dentro de la casa estaría saliendo por los orificios superiores. Para evitar este flujo invertido del aire, deberán colocarse compuertas en ambos orificios, y la puerta exterior del panel que tiene un espejo en su parte inferior para lograr mayor ganancia, deberá poder cerrarse por las noches. Este muro también se puede utilizar como extractor de aire durante el verano; esto se logra cerrando las perforaciones superiores hacia la casa y
Ingeniería y Desarrollo abriendo una pequeña ventana en la pared superior del canal, el que permitirá la salida del aire al exterior.
Aire Caliente
Aire Caliente
Vidrio
Puerta Aire Frío
Aire Caliente
Aire Frío
Aire Caliente
Se libera calor al interior
Aire Frío
Aire Frío
Se libera calor al exterior
Vivienda Bioclimática
Panel reflejante en el exterior Se pueden colocar paneles reflejantes fijos o móviles, verticales u horizontales; desde luego, estos paneles deberán colocarse en las fachadas sur, oriente oniente. Los elementos reflejantes exteriores pueden ser fijos o móviles. El inconveniente de los reflejantes exteriores fijos es que pueden causar sobrecalentamientos en verano.
Panel Reflejante
Radiación Solar Reflejada Radiación Solar Reflejada
Espejos
Radiación Solar Directa
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Trampa de calor
Extracción Vidrio Aislante Térmico Muro Tubos de lámina
Las trampas de calor consisten en un pequeño espacio orientado hacia el sur, con cubierta de cristal o acrílico transparente, de tan manera que capte la radiación solar y almacene el calor para ser usado durante la noche, bombeándolo a través de un tubo aislado, hasta el lugar que se desea climatizar.
Tram a de calor con tubos rellenos de arena
A
B
C
Trampa de calor: a) en azotea, b) en primer piso, c) en planta baja
Caja calentadora debajo de las ventanas Hay otras maneras de captar calor solar y encausarlo hacia adentro de las habitaciones. Por ejemplo, se puede construir una caja calentadora debajo de las ventanas, en la fachada sur. Esta caja funciona igual que el piso calentador. La caja tiene una tapa de vidrio y un panel de madera que se puede cerrar cuando no se desea más calor. Se llena la caja con piedra bola, del tamaño de un puño. Hay que colocarlas medio separadas para que el aire pueda circular entre ellas. El aire más frío de los cuartos entra en el calentador a través de tubos enterrados en el piso.
Ventana Aire Caliente
Vidrio Piedra Bola Cimiento
Vivienda Bioclimática
Calor de Techo La forma de la casa, la posición de la ventana y la inclinación del techo se pueden aprovechar para captar el calor solar. En el caso del ejemplo aquí mostrado, se usa un techo y un plafón de color claro para que refleje mejor los rayos solares.
Invernaderos de ventana Los invernaderos de ventana hacia el exterior de la casa se construyen en una ampliación del espacio interior, y pueden ser adosados posteriormente o integrados al sistema constructivo de la edificación desde su inicio.
Vidrio
Aire caliente Aire Frío Tie rra Ve etal
Tubo
Tezontle
Aire caliente Aire Frío Losa
En general, los invernaderos de ventana, ya sean exteriores o interiores, son elementos baratos que sirven para climatizar la casa, aromatizarla y producir algunos alimentos o plantas de ornato. En los edificios multifamiliares constituye un magnífico elemento de estrecho contacto con la naturaleza, que permite el cultivo de vegetales. El continuo flujo de aire entre la casa y el invernadero proporciona a la vivienda calor, humedad y oxígeno. Durante la noche, cubriendo el invernadero con una cortina térmica, el calor de la casa mantiene a las plantas.
Ingeniería y Desarrollo
ENFRIAMIENTO Ventilación inducida por diferencial térmico.
Muro Trombe Los elementos requeridos para una pared de Trombe son: un área colectora de vidrio y una mesa de almacenamiento ubicada directamente detrás del vidrio. Los materiales de almacenamiento identificados en los muros Trombe incluyen, concreto, adobe, piedra y compuestos de ladrillo, bloques y arena. Aún cuando este sistema fue originalmente diseñado para calentar los espacios interiores en invierno, también puede ser usado en verano, para proveer una ventilación inducida en los espacios interiores. Para poder funcionar de las dos maneras, el muro Trombe tiene incorporados en sus sistema unos controles para su operación. La ventilación inducida (necesaria en verano) se logra abrir un respiradero en la parte del área de vidrio, y uno en la parte inferior. El aire calentado por el sol en el espacio colector, forzará su camino hacia el exterior arrastrando el aire de los espacios interiores hacia fuera, reemplazándolo por aire fresco del exterior, preferentemente de un área sombreada o más fría. Este continuo movimiento de aire extraerá el aire caliente de la vivienda, arrastrando hacia adentro aire más fresco para el ciclo de la ventilación..
Vivienda Bioclimática
Aberturas en el techo Rotación
A
Aire Caliente
B
Aire Caliente
C
Aire Caliente
Abertura en el techo: a Chimenea b monitor C Turbina
La extracción de aire caliente del interior por medios naturales pasivos, se logra en este caso en el punto más alto del techo, lugar donde se acumula el aire caliente. El sistema monitor, la chimenea y la turbina son mecanismos adecuados para ayudar a la extracción de aire caliente acumulado en el interior de los espacios. Cuando se combinan con mallas y pequeños cerramientos aislantes, éstos pueden convertirse en métodos muy eficientes para ventilar los espacios interiores y protegerse de las inclemencias del tiempo.
Chimeneas solares Las chimeneas solares o cajas negras utilizan el calor solar para reforzar la convección natural del aire.
Ingeniería y Desarrollo
Debido a que el metal negro se calienta durante el día, el aire en su interior se calienta, se expande y se eleva, arrastrando el aire interior hacia fuera. Una de las ventajas de las chimeneas solares es su habilidad de autobalance; cuando más caliente es el día, más se calienta la chimenea, y por lo tanto, más rápido será el movimiento del aire. La forma, el área y la altura de las chimeneas determina el ti o del flu o de aire.
Metal negro
Aire caliente
Torres de viento Otro diseño cuya función depende primordialmente del viento son las torres de viento o “Baud-Geer”. Son estructuras de mampostería, diseñadas para proveer una circulación natural de aire en los diferentes ambientes del edificio. Las torres de viento tienen la ventaja básica de ser completamente pasivas en sus operaciones. Ellas han suministrado un grado de bienestar térmico por muchos siglos a aquellas personas que no tienen acceso a otra fuente de energía y que viven en regiones áridosecas.
Torres de viento, día sin viento y noche sin viento
Vivienda Bioclimática
Sistema de inyección de aire fresco. Túnel de viento. Consiste en un dispositivo a base de un tubo, preferentemente metálico, que va del exterior de la casa al interior de la misma. Este tubo deberá ir enterrado en el suelo para que mantenga el aire frío en su interior, que al penetrar en la casa por diferencia de temperatura exteriorinterior forma una corriente convectiva dentro de la casa. La toma de aire exterior debe colocarse preferentemente hacia el norte y en un lugar sombreado para succionar el aire fresco.
Tapa de control
Aberturas a nivel de piso y alero Aberturas de ventilación, ubicadas debajo o entre los espacios de las vigas. Viene a ser un sistema económico de ventilación perimetral. El aire caliente del interior se eleva y sale por las aberturas inferiores a nuvel del piso, produciendo el ciclo de ventilación. La ubicación estratégica de estas aberturas permite una ventilación perimetral de todas las paredes. Pequeñas protecciones o cerramientos abisagrados previenen la infiltración cuando se cierra, a su vezlos aleros protegen las aberturas superiores.
Ingeniería y Desarrollo
PROTECCIÓN SOLAR Aleros Ayudan a contrarrestar la radiación solar por los lados del vano, preferentemente se colocan en ventanas de orientación sur, esto con el fin de protegerse contra el sol ya sea de la mañana o del atardecer.
Parasoles Sirven para protegerse de los rayos solares sobre todo del mediodía, calculando sus dimensiones pueden proteger del sol en verano y permitir a su vez, que penetren los rayos en invierno.
Vanos remetidos Este tipo de vanos contiene las ventajas de los aleros y los parasoles juntos, ya que previenen de la radiación solar por cualquiera que sea su dirección.
Vivienda Bioclimática
Persianas (horizontales o verticales) Son elementos de protección solar que sombrean en su totalidad el vano, pero sin que por esto obstruyan la visibilidad hacia el exterior. Persianas horizontales
Persianas verticales
RECOMENDACIONES DE DISEÑO
Ingeniería y Desarrollo
DISEÑO ARQUITECTÓNICO Orientación más favorable La fachada principal deberá ser orientada hacia el norte; en el caso de la sur, las recomendaciones aplicarán en la fachada posterior.
N NW
NNE
NNW
WNW
NE ENE
W
E ESE
WSW
SW
SSW
SSE
SE
S
Zona
Requerimientos
Orientaciones recomendables
Sombra Sol Sombra Sombra Sombra Sombra Sombra
WSW/NW WSW/ESE WSW/ESE WSW/NW ENE/ESE NW/ENE NW/ENE
Sombra Sol Sol
NW/ENE NW/ENE NW/ENE
Sol
WSW/ESE
De día Cocina Tendedero Lavadero Servicio Comedor Estancia Usos múltiples
De noche Recámara Baño Guardarropa
Auxiliar Cochera
Vivienda Bioclimática
Angulos óptimos de protección solar por orientación Según los requerimientos de climatización hay épocas del año en que se necesita una mínima radiación, por lo tanto se presentan los ángulos de los aleros recomendados para evitar radiación en verano y aprovechar en invierno para cada orientación.
N NW 50°
W
NE
52° 70°
20°
46° 50°
50° 60°
SW
SE S
E
ESTUDIO DE MATERIAL BASE
Ingeniería y Desarrollo
Alcances
El estudio se desarrolló con el objetivo de proveer elementos que condujeran a la decisión del material base que se emplearía en el proyecto Paquimé. Desarrollado en dos etapas, se presentaron los resultados de la primera el 17 de septiembre de 2001 a todos los involucrados en el proyecto para una primera preselección. Posteriormente se profundizó el estudio con base en los materiales seleccionados y los resultados definitivos se presentaron el 21 de enero del presente, cuando se tomó la decisión del material a emplear en el proyecto tomando en cuenta la multiplicidad de variables consideradas. Materiales involucrados
I. Block de concreto con aislantes térmicos I.1 Block de concreto, sistema tradicional I.2 Block de concreto con capa de poliuretano como aislante térmico I.3 Block de concreto con capa de poliestireno como aislante térmico I.4 Block de concreto hueco con relleno de termosil como aislante térmico II. Bloques térmicos II.1 Adoblock con recubrimiento de termolita II.2 Termoblock con recubrimiento de termolita II.3 Foam block III. Concreto III.1 Concreto ligero III.2 Concreto celular III.3 Termocreto Paneles térmicos IV.1 Panel W con alma de poliuretano IV.2 Aislapanel de poliestireno Empresas participantes
Aislantes FALCÓN FANOSA, Poliestireno • • Ital Mexicana • CEMEX Cementos Chihuahua • • TERMOLITA • Panel W •
Vivienda Bioclimática
Aspectos a evaluar
Técnicos • • • • • • • •
Simplicidad en la construcción. Experiencias anteriores en vivienda de interés social. Disponibilidad de material en la plaza. Aceptación por parte de contratistas locales. Tipo de estructuras y cimentación. Consideraciones especiales para instalaciones. Condiciones de operación. Versatilidad en cuanto a combinación de sistemas.
Térmicos • • • •
Coeficiente térmico (k) del material. Inercia térmica (U) de los elementos construidos. Modelado de envolvente: transmisión térmica. Estimación de temperaturas en condiciones extremas.
Económicos. • • • • • • • •
Abatimiento de inversión inicial. Costos por m2 de muro. Costos por m2 de losa. Costos de acabados. Consideraciones económicas de surtimiento en obra. Costos de operación. Esquemas de asesoría, soporte y mantenimiento. Realización de proyecto ejecutivo.
De negocio • • • •
Esquemas benéficos ante oportunidad de nuevo mercado. Consideraciones por volúmenes. Esquemas de colaboración. Propuesta para construcción de casa laboratorio.
Resultados primera etapa
Se presentan en primera instancia los gráficos resultantes del modelado térmico de la envolvente del prototipo para los 12 sistemas estudiados, tanto para invierno como para verano. En primera instancia por separado, acto seguido agrupados por tipo de sistema, y por último un gráfico comparativo global.
Ingeniería y Desarrollo
El método empleado para el análisis es por flujos de calor a través de la envolvente en estado estacionario, considerando radiación directa intercambio de calor respecto a la temperatura ambiente, ganancias internas, régimen de ventilación y diferencial térmico con el terreno.
Vivienda Bioclimática
Temperatura interior. Verano. Comparativo de todos los sistemas 45.00
40.00
35.00
30.00 ] C ° [ 25.00 a r u t a r e p m20.00 e T
15.00
10.00
5.00
0.00 00:0 01:0 02:0 03:0 04:0 05:0 06:0 07:0 08:0 09:0 10:0 11:0 12:0 13:0 14:0 15:0 16:0 17:0 18:0 19:0 20:0 21:0 22:0 23:0 00:0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Hora
Block+poliuretano Foam block Aislapanel
Block+poliestireno Concreto ligero T ambiente
Block hueco+termosil Concreto celular Block tradicional
Adoblock Termocret
54
Ingeniería y Desarrollo
Temperatura interior. Invierno. Comparativo de todos los sistemas 25.00
20.00
15.00 ] C ° [ a r u t a r 10.00 e p m e T
Termoblock Panel W
Ingeniería y Desarrollo
Temperatura interior. Invierno. Comparativo de todos los sistemas 25.00
20.00
15.00 ] C ° [ a r u t a r 10.00 e p m e T
5.00
0.00 00:0 01:0 02:0 03:0 04:0 05:0 06:0 07:0 08:0 09:0 10:0 11:0 12:0 13:0 14:0 15:0 16:0 17:0 18:0 19:0 20:0 21:0 22:0 23:0 00:0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
-5.00 Hora
Block+poliuretano Foam block Aislapanel
Block+poliestireno Concreto ligero T ambiente
Block hueco+termosil Concreto celular Block tradicional
Adoblock Termocret
Termoblock Panel W
55
Vivienda Bioclimática
Segunda etapa
El 17 de septiembre de 2001 se presentó ante la Comisión de Tecnología de ViveICA el estudio de material base para el Proyecto Paquimé que hasta ese momento se había desarrollado. Se acordó el disminuir de 12 a 4 los materiales para los cuales se profundizaría el estudio, para lo cual se consultaría a todos los involucrados en el Proyecto. Esa consulta llevó a la preselección de cuatro materiales/sistemas constructivos: A. Block de concreto. Sistema empleado actualmente en el desarrollo en construcción en Ciudad Juárez. B. Block de concreto con una placa de poliestireno adosada con función de aislante térmico. C. Adoblock. Bloque de tierra industrializado con propiedades térmicas mejores
Vivienda Bioclimática
Segunda etapa
El 17 de septiembre de 2001 se presentó ante la Comisión de Tecnología de ViveICA el estudio de material base para el Proyecto Paquimé que hasta ese momento se había desarrollado. Se acordó el disminuir de 12 a 4 los materiales para los cuales se profundizaría el estudio, para lo cual se consultaría a todos los involucrados en el Proyecto. Esa consulta llevó a la preselección de cuatro materiales/sistemas constructivos: A. Block de concreto. Sistema empleado actualmente en el desarrollo en construcción en Ciudad Juárez. B. Block de concreto con una placa de poliestireno adosada con función de aislante térmico. C. Adoblock. Bloque de tierra industrializado con propiedades térmicas mejores que las del block de concreto. D. Foam Block. Bloques de poliestireno de alta densidad (aislante térmico) que funcionan como cimbra muerta para posterior colado de concreto. A continuación se presentan los resultados de la profundización del estudio, con objeto de aportar elementos para completar el cuadro de evaluación que conduciría a la decisión del material base de la vivienda. Beneficios térmicos (25%)
Los siguientes gráficos ilustran las temperaturas que se predicen con base en metodologías de flujo de calor a cada hora tanto en condiciones de calor como de frío para la vivienda. Cabe destacar que en el modelado termodinámico se considera al interior de la vivienda como un solo cuerpo, lo cual es estrictamente incorrecto pues se trata en realidad de un modelado de dinámica de fluidos. Un estudio más preciso necesita de software cuya adquisición es costosa en demasía; sin embargo, se estima una precisión en estas temperaturas del orden de 80%.
Vivienda Bioclimática M é t o d o d e t r a n sfe r e n c i a d e c a l o r (verano)
45
40
35
o i r e t n i T
30
25
20
15
10 0 :0 0
2 :0 0
4 :0 0
6 :0 0
8 :0 0
T A mb ie n te
1 0 :0 0
1 2 :0 0
1 4 :0 0
ra B loHcok+ EPS
B lo c k
1 6 :0 0 A d o b lo c k
1 8 :0 0
2 0 :0 0
2 2 :0 0
0:00
Fo a m b lo c k
Verano En azul se marca la línea de la temperatura de confort en verano, determinada previamente por el método de termopreferéndum en 26.13ºC. Se observa que en las horas más calurosas del día cualquiera de los materiales sigue estando por encima de esa temperatura, pero se observan también beneficios de consideración respecto a la temperatura que se registraría en una vivienda de block de concreto.
Método transferencia de calor 25
20
15 T int eri or 10 ºC 5
0 0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
-5 Hora
T Ambiente
Block
Block+EPS
Adoblock
Foam block
0:00
Vivienda Bioclimática
Con ninguno de los materiales por sí solos se está en temperatura de confort en el mes más frío del año, sin embargo no se identifican las condiciones de frío como graves en la plaza, dado que hay formas accesibles de mitigarlas: vestido, actividad, etc. Se observan las ventajas comparativas de los materiales. A partir del estudio se cuantificaron los factores de beneficio térmico de cada material o sistema. Ello se hizo sacando un promedio del diferencial de temperatura interior con cada uno de ellos respecto a la temperatura ambiente a cada hora en las dos temporadas extremas. Posteriormente se elevó ese diferencial al cuadrado, multiplicándolo por un factor de 0.6 en verano y 0.4 en invierno (tratando de reflejar una mayor importancia de los beneficios bioclimáticos en verano, época de mayor incomodidad térmica interior). 2
0.6∆T v + 0.4∆T i
2
Los resultados se muestran a continuación: Costo (25%)
Los resultados, que comprenden el presupuesto total de muros en obra negra en su totalidad (incluyendo castillos/acero de refuerzo) se muestran en la siguiente tabla: $/m2 aislante
$ estructura
$ Total
-
$25.819,00
$25.819,00
$113,29
$25.819,00
$35.230,45
Adoblock
-
$24.600,00
$24.600,00
Foam Block
-
$30.713,00
$30.713,00
Sistema constructivo
Block de concreto Block de concreto y aislante poliestireno
Dado que en este sistema de muros se considera para dos de ellos (block con capa de poliestireno y Foam block) una capa de repellado, se hace evidente que ello incidirá en diferenciación en los acabados, lo que incidirá en el costo final. Para hacer la comparativa en términos igualitarios, se calcularon los costos de los acabados de muro para cada sistema con las siguientes características. Block de concreto y Adoblock. Sistema tradicional, tomando como base los acabados actuales el desarrollo en construcción. Repellado exterior con mortero 1:5 (grueso y fino), pintura vinílica en fachada principal, encalado en muros laterales y posterior. En interiores, aplanado de yeso y pintura de esmalte en cocina y baño (azulejo en área de regadera), acabado con textura fina o gota en el resto de las superficies. •
Vivienda Bioclimática
Block de concreto y capa de poliestireno. Habiendo sido ya considerado repellado grueso en exteriores, se adicionó aplanado fino en toda la superficie exterior, mismo acabado final: pintura en fachada, encalado en el resto. Acabados interiores inalterados. •
Foam block. Aplanado fino en toda la superficie, interiores y exteriores. Pintura en fachada principal; encalado en laterales y posterior. En interiores, se eliminó la pasta y se presupuestó con pintura vinílica como acabado final, al tener con el aplanado una superficie propicia para ello. •
Estas consideraciones arrojan costos totales adicionados (muros más acabados en muros) como siguen: Sistema constructivo
Block de concreto
$/m2 aislante $ estructura $ acabados
$ Total
-
$25.634,00 $10.940,00 $36.574,00
$113,29
$25.634,00 $8.798,00 $43.843,45
Adoblock
-
$24.440,00 $10.940,00 $35.380,00
Foam Block
-
$30.569,00 $8.625,00 $39.194,00
Block de concreto y aislante poliestireno
Se propone para la evaluación, ya con estos costos adicionados, normalizar respecto al precio menor (en este caso Adoblock), otorgando al referencia 10 puntos. Sistema constructivo
Factor costo
Block de concreto
9.67
Block de concreto y aislante poliestireno
8.07
Adoblock
10.00
Foam Block
9.03
Aceptación local (20%)
En esta casilla se pretenden reflejar los riesgos de aceptación entre los potenciales compradores de sistemas no convencionales.
Vivienda Bioclimática
Dado el carácter subjetivo de este factor, la mitad del peso se repartió entre la Gerencia de Comercialización y la Gerencia de Proyecto, recayendo la otra mitad en los miembros de la Comisión. Constructibilidad (10%)
Se refiere a la facilidad (o complicación) en el empleo de uno u otro sistema constructivo. Tomando nuevamente en cuenta el carácter subjetivo del criterio, la mitad de su peso se repartió entre la Dirección de Construcción y la Gerencia de Proyecto (en acuerdo con su Coordinación de Construcción). La otra mitad del peso se repartirá entre el resto de los miembros de la Comisión. Disponibilidad (10%)
La intención de este renglón es identificar los riesgos de surtimiento en obra de cada uno de los materiales. Se parte de la premisa de que para el block de concreto la confiabilidad es alta, mientras que para el Adoblock (a producirse en obra) y el Foam Block (la planta se encuentra en la localidad, pero hay un cierto riesgo asociado a un material no convencional) habrá que considerar puntajes más bajos. Se calificó del 0 al 10 por todos los miembros de la Comisión, incluyendo al Gerente de Proyecto, contando todas las partes por igual. Peso (10%)
Dado que los diferentes sistemas implican diferentes pesos por metro lineal de elemento (muro), es factible que la solicitación de cada uno de ellos en la cimentación varíe, si bien dado el sistema de cimentación que se emplea en Juárez da indicios de que el diferencial no sería de gran consideración. Este factor también refleja la dificultad y rapidez de manejo de cada uno de los materiales; un material más pesado significará rendimientos de colocación menores. El peso por metro lineal de muro de cada uno de los cuatro sistemas se muestra a continuación: Muro de block Block + poliestireno Adoblock Foam block
kg/ml 414 487 605 425
* nota: tanto el Block+poliestireno como el Foam Block incluyen el peso del repellado de mortero, elemento considerado como necesario para comparar a ambos con muros sólidos
Vivienda Bioclimática
Normalizando respecto al menor, al que se le otorgan 10 puntos: Muro de block Block + poliestireno Adoblock Foam block
10 8.5 6.8 9.7
De acuerdo al cuadro final de evaluación, cuya metodología de llenado se expuso en las páginas anteriores, el material seleccionado para el proyecto Paquimé es el Adoblock. Cuadro de evaluación de material base. Proyecto Paquime %
A
B
C
D
25
Beneficios bioclimáticos
4,81
7,99
6,56
9,46
25
Costo
9,67
8,07
10,00
9,03
20
Aceptación local
8,25
8,70
9,80
3,95
10
Constructibilidad
10,00
8,13
8,50
6,38
10
Peso
10,00
8,50
6,80
9,70
10
Disponibilidad
10,00
9,00
8,00
8,00
8,27
8,32
8,43
7,82
TOTAL
A. Block de concreto B. Block de concreto con lámina de poliestireno como aislante térmico C. Adoblock D. Foam block
DISEÑO
Ingeniería y Desarrollo El análisis realizado llevó a una serie de recomendaciones para la orientación preferencial de los distintos espacios habitables de la vivienda. Cabe señalar que, si bien la orientación de una construcción es uno de los aspectos de mayor peso en la arquitectura bioclimática, se buscó un diseño versátil que permitiera un rendimiento aceptable dentro de un cierto rango de orientaciones. Se hizo una revisión de literatura en materia de sistemas de climatización pasiva, manteniendo como premisas de selección la aplicabilidad, el bajo costo y los beneficios entregados en materia de climatización interna. Se seleccionaron los sistemas idóneos para el proyecto, y que se detallan en el apartado siguiente.
Ecotecnologías (sistemas de climatización pasiva) Caja calentadora Desplantada en el patio trasero y adosada al muro de las dos recámaras (orientación suroeste), bajo las ventanas de éstas. En corte tiene una sección aproximadamente trapezoidal, cuyo lado más queda en la parte superior con una inclinación perpendicular a la altitud solar promedio en invierno. Los lados largos forman, junto con el repisón de las ventanas y la parte superior del murete base, un plano en el que se colocará una ventana de acrílico, en cuya parte superior hay dos ventilas abatibles (a través de las cuales se libera calor en verano). En su interior se colocan piedras (piedra bola, por ejemplo) pintadas de negro, que hacen las veces de colector térmico. En invierno las ventilas se cierran, permitiendo que el calor generado al incidir la radiación solar en las piedras del interior de la caja entre a las recámaras a través de unos ductos en el muro al que la caja se encuentra adosada. En verano las ventilas se abren, de manera que el aire caliente puede escapar por ahí en lugar de ingresar a las recámaras y así evitar sobrecalentamiento y por tanto un efecto no deseable. Extractor solar Se trata de una pirámide de doble pared, fabricada en lámina de acero, pintada en su superficie exterior de negro y colocada sobre la losa que cubre la cocina. La pirámide inferior es completa y la superior truncada, cubierta por un capuchón para proteger de la lluvia. En la losa que corresponde al extremo inferior (perimetral) de la pirámide, se abren ranuras (cubiertas por rejillas abatibles) que permiten la salida de aire. El funcionamiento del sistema permite que el aire caliente de la cocina salga por dichos orificios y a través del canal que se forma entre las dos paredes de la pirámide. Ello dado el efecto de presión negativa generado por el flujo de aire hacia arriba dentro de la pirámide, al calentarse su superficie exterior, y que sale por la oquedad superior (truncamiento). La pirámide funciona además como barrera térmica entre la cocina y el exterior. Será fabricado en un taller de habilitado de acero y surtido en la obra.
Vivienda Bioclimática Calentador solar Compuesto por un serpentín fabricado con tubo de cobre y cubierto por una superficie absorbente, lámina pintada de negro. Su cara exterior es una cubierta de vidrio que permite el paso de la radiación solar. El agua fluye a través del serpentín y es posteriormente almacenada en un termotanque conectado en serie al sistema de calentamiento tradicional, de manera que al ingresar al calentador de gas de la casa está precalentada a una temperatura que podría estar por encima de los 50°C, con el consiguiente ahorro en el consumo de gas de la vivienda Muros dobles Proyectados tanto en la cocina como en las dos recámaras, en las caras que dan al suroeste. En verano funcionan como barrera térmica entre los espacios y el exterior, generando además una circulación convectiva en su interior que mantiene la superficie interior fresca. En invierno introducen el aire que, separando a las dos superficies, se calienta y se introduce por la parte superior. Operan a través de rejillas abatibles que cubren las ranuras interior y exterior, la interior se abre en invierno y se cierra en verano, la exterior opera exactamente a la inversa. Turboextractores eólicos Colocados sobre la losa de cada una de las recámaras, similar a las cebolletas que se pueden observar en lo alto de las naves de las fábricas. Funciona por inducción eólica, es decir que no ocupa ningún sistema mecánico. Al girar la cebolleta, el aire caliente en la cercanía del techo de la casa es extraído, funcionando así como un sistema de enfriamiento natural. Cabe señalar que las ecotecnologías por sí solas no definen a un proyecto bioclimático. Hay una serie de conceptos y estrategias de diseño adyacentes, como lo son el rango de orientaciones preferenciales de acuerdo al uso de cada espacio, el patio interno generador de microclima, los árboles con hoja caducifolia en los patios interior y posterior, el acceso como zona de transición, el volado posterior que permite el paso del sol en invierno y lo impide en verano, los materiales por utilizar, etc. Con ello se hace énfasis en la concepción integral del proyecto, no tratándose de la suma algebraica de beneficios aislados y diferenciados.
RESULTADOS
Ingeniería y Desarrollo
Análisis térmico con ecotecnologías adicionadas Tomando ya el material seleccionado (Adoblock), se procedió a una profundización del estudio considerando ya la incidencia de los sistemas de climatización pasiva (ecotecnologías):
• • • • •
Extractor solar sobre losa de la cocina Caja calentadora bajo las ventanas de la parte posterior (recámaras) Turboextractores eólicos, uno en cada recámara Muros dobles en fachadas orientadas al sur (recámaras y cocina)
Calentador solar (sin incidencia en las temperaturas, pero sí en el consumo energético de la vivienda) Los resultados, expresados en temperatura interior contra hora del día, se muestran a continuación. Comparativa vivienda convencional vs. vivienda bioclimática. Proyecto Paquimé, Ciudad Juárez, Chihuahua. Condiciones de verano. 45
40
35
30
C º a r 25 u t a r e p 20 m e T 15
10
5
0
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
Hora
T ambiente
Convencional
Bioclimática
Block+ecotecnologías
22:00
0:00
Vivienda Bioclimática
Comparativa vivienda convencional vs. vivienda b ioclimática. Proyecto Paquimé, Ciudad Juárez, Chihuahua. Condiciones de invierno. 16
14
12
10
C 8 º a r u t a r 6 e p m e T 4
2
0 0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
0:00
-2
-4
Hora T ambiente
Convencional
Bioclim ática
Block+ecotecnologías
Observaciones. Respecto a una vivienda convencional (con block de concreto y sin ecotecnologías)
• • • •
Diferencial térmico promedio en verano: Diferencial térmico promedio en invierno: Diferencia en hora pico de calor: Diferencial en hora pico de frío:
- 4.68 ºC +2.54 ºC - 7.6 ºC (de 40.2ºC a 32.61ºC) +3.62 ºC (de 4.66ºC a 8.28ºC)
Beneficio económico para el usuario Ahorros anualizados por concepto de menores consumos energéticos: Aire acondicionado: Calefacción: Gas (calentador de agua): Total:
$ 900 $ 1200 $ 750 $ 2850
Ingeniería y Desarrollo
Cabe destacar que estos resultados están basados en el estudio teórico de temperaturas realizado, y que para emplearlos como estrategia de venta es necesario medirlos y certificarlos a través de la casa laboratorio. Los resultados ahí obtenidos determinarán a su vez el sobreprecio que es factible aplicar al precio de venta. Nota: los ahorros fueron calculados sin tomar en cuenta aún las nuevas tarifas de la energía eléctrica.
Estado actual del proyecto
•
Anteproyecto finalizado, consensado por la Comisión de Tecnología con la Gerencia de Proyecto, Dirección de Comercialización, Gerencias de Diseño Urbano e Ingeniería.
•
Se cuenta con un antepresupuesto de las ecotecnologías, con la perspectiva de optimizar esos costos para entrar en el objetivo que se defina para el proyecto.
•
Predio asignado tanto para la construcción de la casa muestra en el museo tecnológico de la CFE como para la casa laboratorio en el desarrollo en construcción en Ciudad Juárez.
•
Proyecto ejecutivo y presupuesto finalizados. Condiciones de iniciar la construcción.
•
Método de monitoreo definido y cotizado por el Instituto de Ingeniería de la UNAM (estudio higrotérmico con uso de sensores electrónicos). Los resultados, medidos en campo, se registrarán y certificarán por un periodo estimado entre 10 y 12 meses.
•
Al paralelo del monitoreo, que retroalimentará las premisas de diseño, se realizará el proyecto de conjunto, en el que se diseñará un desarrollo de vivienda que incluirá de manera total o parcial (dependiendo de las corridas financieras) viviendas bioclimáticas. Se estima que su número oscilará las 500 unidades.
•
Se han iniciado gestiones ante aquéllas instancias gubernamentales con objetivos afines a los del proyecto (SENER, CONAE, CFE, FIDE) para hacer de éste un proyecto conjunto apoyado por el sector público.
Anexo A. Diseño Arquitectónico.
Patio interno (microclima); vegetación caducifolia
Parasol para ventanas SW
Acceso indirecto y protegido
Patio interno (microclima); vegetación caducifolia
Parasol para ventanas SW
Acceso indirecto y protegido
Muros dobles en fachadas SW
Programa arquitectónico
• 1 planta • 2 recámaras • 1 baño completo • Sala-comedor • Alcoba (futura escalera) • Cocina • Patio de servicio • Patio trasero
Programa arquitectónico
• 1 planta • 2 recámaras • 1 baño completo • Sala-comedor • Alcoba (futura escalera) • Cocina • Patio de servicio • Patio trasero • 1 lugar de estacionamiento 56.82 m2 de construcción con posibilidad de crecimiento a 90.08 m2 en dos plantas
Crecimiento en planta alta a 90.08 m2 • Dos plantas • 3 recámaras y 1 estudio / 4 recámaras • 2 baños completos • Sala-comedor • Escalera • Cocina
Crecimiento en planta alta a 90.08 m2 • Dos plantas • 3 recámaras y 1 estudio / 4 recámaras • 2 baños completos • Sala-comedor • Escalera • Cocina • Patio de servicio • Patio trasero • 1 lugar de estacionamiento
Anexo B. Sistemas de climatización pasiva.
Anexo B. Sistemas de climatización pasiva.
Turboextractores eólicos Colocados sobre la losa de cada una de las recámaras, su función es extraer aire caliente. Giran impulsados por energía eólica.
Rotación
Turboextractores eólicos Colocados sobre la losa de cada una de las recámaras, su función es extraer aire caliente. Giran impulsados por energía eólica.
Rotación
Aire Caliente
Calentador solar Colector solar de 1.2 m2 con serpentín de cobre. La salida de agua caliente va al calentador de gas, que funciona como equipo de respaldo.
Calentador solar Colector solar de 1.2 m2 con serpentín de cobre. La salida de agua caliente va al calentador de gas, que funciona como equipo de respaldo.
Caja calentadora Caja de sección trapezoidal rellena de piedra bola pintada de negro y cubierta acrílica. Su función es introducir aire caliente en invierno. Está adosada al muro por debajo de las ventanas de las recámaras.
Ventana Aire Caliente
Acrílico
Caja calentadora Caja de sección trapezoidal rellena de piedra bola pintada de negro y cubierta acrílica. Su función es introducir aire caliente en invierno. Está adosada al muro por debajo de las ventanas de las recámaras.
Ventana Aire Caliente
Acrílico
Piedra Bola Cimiento
Extractor solar Pirámide doble adosada a la losa de la cocina. Su función es extraer tanto el aire caliente como los malos olores. La lámina exterior está pintada de negro, por lo que la extracción se induce por efectos convectivos como resultado del calentamiento de la lámina que recibe la radiación solar.
Extractor solar Pirámide doble adosada a la losa de la cocina. Su función es extraer tanto el aire caliente como los malos olores. La lámina exterior está pintada de negro, por lo que la extracción se induce por efectos convectivos como resultado del calentamiento de la lámina que recibe la radiación solar.
Parasol Volado colocado sobre las ventanas de las recámaras. Dado que es la orientación con mayor incidencia solar, su función es proteger de la radiación directa en verano y dejarla pasar en invierno.
Parasol Volado colocado sobre las ventanas de las recámaras. Dado que es la orientación con mayor incidencia solar, su función es proteger de la radiación directa en verano y dejarla pasar en invierno.
Muros dobles Colocados en las fachadas SW, las que mayor radiación solar reciben. Su función es aislar en cualquier temporada (mayor masa térmica); así como introducir aire caliente en invierno y ventilar el muro en verano. Verano
Invierno
Muros dobles Colocados en las fachadas SW, las que mayor radiación solar reciben. Su función es aislar en cualquier temporada (mayor masa térmica); así como introducir aire caliente en invierno y ventilar el muro en verano. Verano
Invierno
Fundación ICA es una Asociación Civil constituida conforme a las leyes mexicanas el 26 de octubre de 1986, como se hace constar en la escritura pública número 21,127, pasada ante la fe del Lic. Eduardo Flores Castro Altamirano, Notario Público número 33 del Distrito Federal, inscrita en el Registro Público de la Propiedad en la sección de Personas Morales Civiles bajo folio 12,847. A fin de adecuar a las disposiciones legales vigentes los estatutos sociales, estos fueron modificados el 17 de octubre de 1994, como se hace constar en la escritura pública número 52,025 pasada ante la fe del Lic. Jorge A. Domínguez Martínez, Notario Público número 140 del Distrito Federal.
Fundación ICA es una institución científica y tecnológica inscrita en el Registro Nacional de Instituciones y Empresas Científicas y Tecnológicas del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, con el número 2001/213 del 29 de agosto de 2001. Fundación ICA. Editor: Fernando O. Luna Rojas Av. del Parque 91 Colonia Nápoles 03810 México, D.F. Certificado de Reserva de Derechos de Autor de la SEP: 04-1999-031718515500-12 Certificado de Licitud de Título de la Secretaría de Gobernación: 10744 Certificado de Licitud de la Secretaría de Gobernación: 7427 Esta edición del No. 11 de la Serie Ingeniería y Desarrollo titulada “Vivienda Bioclimática”, se terminó en Septiembre del 2002, se realizaron 500 ejemplares en disco compacto, fue grabado en Av del parque # 91, Col. Nápoles, C.P. 03810, en México, D.F. La edición estuvo al cuidado de Fernando O. Luna Rojas y César Arteaga
