Propuestas de mejoras a las normas mexicanas de eficiencia energética en edificaciones

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1 Instituto de Energías Renovables Universidad Nacional Autónoma de México Temixco Morelos Propuestas de mejoras a las normas mexicanas de eficiencia energética en edificaciones Guadalupe Huelsz Jorge Rojas Ramón Tovar Guillermo Barrios 4 Foro Permanente de Eficiencia Energética en Edificaciones Taller internacional: La envolvente de la vivienda como elemento clave para la eficiencia energética en viviendas de clima cálido en México Monterrey 7 y 8 de mayo de 2014

2 Contenido Análisis de las normas NOM-008 y NOM-020 Modelos de trasferencia de calor para la evaluación de sistemas constructivos de muros y techo: independiente del tiempo y dependiente del tiempo Diferencias en resultados Propuesta de mejora a las normas a corto plazo Propuesta de mejora a las normas a mediano plazo 2

3 Análisis de las normas NOM-008 y NOM-020 Normas mexicanas para la eficiencia energética de la envolvente de edificios: NOM-008_ENER-2001 (no residenciales) NOM-020_ENER-2011 (uso habitacional) Tienen por objetivo racionalizar el uso de energía en los sistemas de enfriamiento Existe incongruencia entre objetivo y aplicabilidad en todo el país Están basadas en modelo de trasferencia de calor independiente del tiempo, que no toma en cuenta la masa térmica, inadecuado para climas de México No toman en cuenta el color de la superficie exterior sobre todo del techo No toman en cuenta uso de sistemas pasivos (excepto sombreamiento en ventanas) 3

4 Modelos de trasferencia de calor para la evaluación de sistemas constructivos de muro y techo de la envolvente Independiente del tiempo o estacionario Tsa Ta AI ho C E Dependiente del tiempo o dinámico 4

5 Modelo de transferencia de calor independiente del tiempo Tsa Two Twi ho hi Ti Muro o techo una capa T t =0 2 T 2 x 0 Condiciones de frontera k c 2 T 2 x Masa térmica 0 Solución q L q" Tsa Ti R x T q' ' k x T q' ' k x wo wi ho hi Tsa Twi Two Ti Resistencia térmica o valor R R 1 ho L k 1 hi se desea valor R No toma en cuenta la masa térmica 5

6 Modelo de transferencia de calor dependiente del tiempo (Simulación dinámica) Tsa ho Two Twi hi Ti Muro o techo una capa q 2 T T k 0 2 t x c Condiciones de frontera T q' ' k x T q' ' k x wo wi ho hi Tsa Twi Two Ti Masa térmica Condiciones iniciales (arbitrarias) se desea Si toma en cuenta la masa térmica solución por métodos numéricos L Sin aire acondicionado Ti daca hitwi Ti t Con aire acondicionado) Ti T cte k AC x 6

7 Comparación resultados Simulaciones dependiente del tiempo (toma en cuenta la masa térmica) VS Simulaciones independiente del tiempo (no toma en cuenta la masa térmica) Parámetros de simulación Techo horizontal Lugar: Temixco, Morelos Periods: Mayo h out = 13W/m 2 h in = 6.6W/m 2 d =2.5m RF = 3.9 o C A=0.7 Algunas referencias que han señalado la importancia de considerar la trasferencia de calor dependiente del tiempo (efecto de la masa térmica) Moinard, S, Guyon,G Empirical validation of EDF ETNA and GENEC test-cell models. A Report of Task 22 Building Energy Analysis Tools. May Project A.3 Empirical validation. Internationl Energy Agency. Solar Heating & Cooling Programme, Sugo H, Page A, Mghtaderi B A comparatative study of the thermal performance of cavity and brick veer construction. 13th International Brick and Block Masonry Conference, Amsterdam, July 4-7, Kuehn TH, Ramsey WW, Threlkeld JL, Thermal Environmental Engineering, Prentice Hall, New Jersey, p y Energy Plus, 2012, EnergyPlus University Course Teaching Material, Lecture 7: Building Modeling Questions. p Barrios G, Huelsz G, Rechtman R, Rojas J, Wall/roof thermal performance differences between air-conditioned and non air-conditioned rooms. Energy and Buildings 43, Barrios G, Huelsz G, Rojas J Thermal performance of envelope wall/roofs of intermittent air-conditioned rooms. Applied Thermal Engineering 40, 1-7. Huelsz G., Barrios G., Rechtman R., Rojas J., 2010 Importancia del análisis de trasferencia de calor dependiente del tiempo en la evaluación del desempaño térmico de la envolvente de una edificación. Estudios de Arquitectura Bioclimática, Anuario 2010 Vol. X. Editorial Limusa y UAM Azcapotzalco, (ISBN )

8 Con aire acondicionado - Carga térmica Independiente del tiempo (It) (sólo valor R, no considera la masa térmica) Dependiente tiempo (Dt) (si considera la masa térmica) orden de mejor a peor orden de mejor a peor S.C.1 CAD (10cm) S.C.2 EPS (10cm) S.C.3 EPS (2cm) + CAD (8cm) S.C.4 CAD (8cm) + EPS (2cm) CAD Concreto alta densidad EPS Poliestireno expandido R=0.3 m 2o C/W R=2.7 m 2o C/W R=0.8 m 2o C/W R=0.8 m 2o C/W Observación It y Dt clasifican S.C casi en mismo orden (al menos en estos ejemplos) It no distingue orden capas 8

9 Con aire acondicionado - Carga térmica Comparación Independiente del tiempo (It) VS Dependiente tiempo (Dt) S.C. Descripción ext a int (espesor) Valor R Dif It vs Dt S.C.1 Concreto (10cm) 0.3 m 2o C/W 34% S.C.2 EPS (10cm) 2.7 m 2o C/W -1% S.C.3 EPS 2cm + Concreto (8cm) 0.8 m 2o C/W 74% S.C.4 Concreto (8cm) + EPS (2cm) 0.8 m 2o C/W 35% Conclusión Independiente del tiempo (solo valor R, no considera la masa térmica) En sistemas constructivos con masa térmica sobre estima el valor de la carga térmica. Sobredimensionando equipos de aire acondicionado para esos S.C. Resultado señalado por referencias como Kuehn et al y Energy Plus Kuehn T H, Ramsey J W, Threlkeld J L, 1998 Thermal environmental engineering / 3rd ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, p. 485 Energy Plus, 2012, EnergyPlus University Course Teaching Material, Lecture 7: Building Modeling Questions. p

10 Sin aire acondicionado Energía transmitida* * Como las simulaciones son para un día típico del mes, son condiciones periódicas, por lo que la energía que entra por un sistema constructivo es la misma que sale del sistema y se reporta con el nombre de energía transmitida. Independiente tiempo (It) (no considera la masa térmica) Dependiente tiempo (Dt) (si considera la masa térmica) orden de mejor a peor orden de mejor a peor S.C.1 CAD (10cm) S.C.2 EPS (10cm) S.C.3 EPS (2cm) + CAD (8cm) S.C.4 CAD (8cm) + EPS (2cm) CAD Concreto alta densidad EPS Poliestireno expandido R=0.3 m 2o C/W R=2.7 m 2o C/W R=0.8 m 2o C/W R=0.8 m 2o C/W Observaciones It sobre estima la energía transmitida. It y Dt NO clasifican S.C en mismo orden de mejor a peor It NO distingue posición de capas dentro del S.C. 10

11 Sin aire acondicionado Energía transmitida Comparación Independiente del tiempo (It) VS Dependiente tiempo (Dt) S.C. Descripción ext a int (espesor) Valor R Dif It vs Dt S.C.1 Concreto (10cm) 0.3 m 2o C/W 90.5% S.C.2 EPS (10cm) 2.7 m 2o C/W 6.8% S.C.3 EPS 2cm + Concreto (8cm) 0.8 m 2o C/W 605.9% S.C.4 Concreto (8cm) + EPS (2cm) 0.8 m 2o C/W 60.8% Conclusión Independiente del tiempo (solo valor R, no considera la masa térmica) En sistemas constructivos con masa térmica sobre estima el valor de la energía térmica transmitida. Puede clasificar incorrectamente el orden de mejor a peor configuración. 11

12 Herramienta numérica De acceso gratuito, previo registro. Está disponible en la página Fácil uso (no toma en cuenta otros factores, como ventilación, cargas internas) Evalúa el desempeño térmico: De techos y muros de la envolvente formados por capas homogéneas y algunos con una capa no homogénea En el clima de las principales ciudades de México (día típico de cada mes) En condiciones de: Aire acondicionado (fija temperatura) No aire acondicionado Usa el modelo de transferencia de calor dependiente del tiempo Es útil para comparar el desempeño de sistemas constructivos en una ciudad específica, en condiciones específicas de uso (con o sin aire acondicionado). 12

13 Es el principal producto de un proyecto patrocinado por el Fondo de Sustentabilidad Energética CONACYT-SENER Realizado por: Instituto de Energías Renovables (antes Centro de Investigación en Energía) Universidad Nacional Autónoma de México (líder) Departamento de Arquitectura - Universidad de Sonora Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo- Universidad Autónoma de Tamaulipas Facultad de Arquitectura y Diseño Universidad de Colima Ingeniería Mecánica Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Arquitectura Bioclimática Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco

14 14

15 Propuesta de mejora a corto plazo Modificar las NOM-008 y NOM-020 adecuando el contenido al objetivo Que la norma solo requiera hacer el cálculo para los lugares con clima cálido que necesiten utilizar aire acondicionado de enfriamiento para obtener confort térmico en más de una proporción del año por definir (p.ej. Un mes; habría que hacer estudio de climas para determinar las ciudades que sí lo requieren y las que no). Que recomiende poner aislante en la parte exterior. Para los lugares de clima cálido donde se deba hacer el cálculo, incorporar la obligación del uso de colores claros para el acabado exterior del techo o cubierta, i.e. con absortancia solar de nuevo menor a un valor por definir (p. ej. 0.3). 15

16 Propuesta de mejora a mediano plazo Elaborar nuevas normas que contemplen Zonificación bioclimática de México Establecimiento de criterios de evaluación para cada zona bioclimática Evaluación en día típico de verano y en día típico de invierno, pudiendo existir zonas bioclimáticas que no requieran ambas evaluaciones 16

17 Métodos de evaluación Método simplificado para edificio proyectado con área de construcción total menor a un valor por definir. Simulación numérica dinámica del comportamiento térmico del edificio proyectado con área de construcción total mayor al valor por definir. En un proyecto de desarrollo habitacional se tomará el área total de todas las unidades habitacionales, pero se podrá evaluar solo unidades representativas por definir según el bioclima. 17

18 Método simplificado para edificio proyectado con área de construcción total menor a un valor por definir. El método simplificado estará basado en cálculos de trasferencia de calor dependiente del tiempo, por lo que tomará en cuenta todas las propiedades térmicas de los materiales de la envolvente. Para todas las zonas bioclimáticas, estos cálculos se realizarán para la condición sin aire acondicionado y con aire acondicionado para las zonas bioclimáticas que así lo requieran. Tomará en cuenta el uso de sistemas pasivos de climatización y ventilación. Los valores de las propiedades térmicas de los materiales podrán tomarse de una base de datos especificada en la norma, o de información proporcionada por el proveedor obtenida de pruebas de laboratorios certificados. 18

19 Simulación numérica dinámica del comportamiento térmico del edificio proyectado con área de construcción total mayor al valor por definir. La simulación numérica deberá hacerse con alguno de los programas de simulación por definir y deberá estar realizado por un experto certificado en el mismo, el procedimiento de certificación está por definir. Los valores de las propiedades térmicas de los materiales deberán obtenerse de valores proporcionados por el proveedor obtenida de pruebas de laboratorios certificados. 19

20 Se sugiere que los anteproyectos de las nuevas normas sean realizados por un consorcio de instituciones nacionales con especialistas en climatología, diseño bioclimático, evaluación térmica de edificaciones y trasferencia de calor en edificaciones y que el consorcio desarrolle estos anteproyectos de norma como proyectos patrocinados por la CONUEE o por el Fondo de Sustentabilidad Energética. 20

21 Gracias por su atención Guadalupe Huelsz 21

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