INFLUENCIA DE LA REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA DE TERMOSTATOS EN EL AHORRO DE ENERGÍA PARA ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO EN CLIMA CÁLIDO-TEMPLADO

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1 INFLUENCIA DE LA REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA DE TERMOSTATOS EN EL AHORRO DE ENERGÍA PARA ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO EN CLIMA CÁLIDO-TEMPLADO Cecilia Fernanda Martinez Centro de Estudios Energéticos, Habitabilidad y Arquitectura Sustentable (CEEHAS), Instituto de Acondicionamiento Ambiental, Facultad de Arquitectura y Urbanismo, UNT Av. Kirchner 1800, San Miguel de Tucumán (4000) Tel-Fax , interno cfernandamartinez@gmail.com Web Resumen: El trabajo está orientado a la evaluación de la influencia que tiene en el ahorro de energía la regulación de la temperatura de los sistemas de control de los equipos para acondicionamiento artificial, en una zona de clima cálido-templada como es el área del Gran San Miguel, provincia de Tucumán, zona bioclimática II, que presenta un período estival cálido y húmedo e inviernos atemperados y secos. Los análisis se desarrollan utilizando un prototipo de vivienda de 62 m², ya analizado térmicamente en estudios anteriores. Se evalúan los ahorros logrados con la variación de 1 de temperatura, considerando los rangos de 20 a 24 para verano y de 22 a 18 para invierno. Cada situación se analiza para un caso base con envolvente exterior de construcción tradicional, y para el mismo prototipo con dos tipo de envolventes mejoradas térmicamente. Esto permite comparar los ahorros energéticos teniendo en cuenta la gestión de temperatura de termostato, así como la posibilidad de lograr mayores reducciones en los consumos de energía al combinar el control de termostatos y la mejor eficiencia energética de la envolvente exterior. Los análisis se desarrollan utilizando el programa RETScreen, software de evaluación energética de acceso libre, desarrollado por el Gobierno de Canadá a través del Centro de Investigación del CanmetENERGY. Se evidencia la influencia que puede tener la participación del usuario, ya que la adecuada gestión de la temperatura de los termostatos, puede aportar reducciones en los consumos energéticos anuales de entre 10% y 43%, siendo significativo el ahorro en refrigeración. Palabras clave: ahorro de energía; usuario; termostato; vivienda; clima cálido. 1 Introducción. En el debate actual sobre las posibles formas de abordar el problema energético, muchas se orientan al aprovechamiento de fuentes renovables para cubrir la creciente demanda o a la mejora de la eficiencia energética de las edificaciones, en su diseño y en la materialización de sus envolventes exteriores. Pero un primer aspecto a considerar debería ser el uso racional de la energía que consumimos. La experiencia indica que en general es más barato ahorrar una unidad de energía que producirla, por lo cual resulta que la energía más barata es aquella que no se consume Sin importar la fuente que da origen a la energía, es fundamental reducir su consumo como primer paso hacia una solución integral del problema energético. (Gil, 2012).

2 En Argentina el 39% de la energía consumida a nivel residencial se destina al acondicionamiento térmico (INTI, 2010), y es la principal fuente de contaminación, figura 1. Figura 1. Distribución de consumo de energía en el hogar y producción de CO 2 La cantidad de energía utilizada para refrigeración y calefacción, está influenciada por la diferencia de temperatura interior-exterior, siendo fundamental la calidad térmica de la envolvente exterior, que regula el intercambio de calor. Muchos estudios demuestran que con la mejora de la aislación de la envolvente opaca se logra disminuir significativamente la transferencia de calor, logrando un importante ahorro en acondicionamiento (Gonzalo et al, 2000; Marincic, 2000, Volantino y Bilbao, 2007; Martinez, 2013a, Ledesma et al, 2014). También tiene gran influencia en la reducción de los consumos el uso de mejores sistemas de aberturas, es decir optar por sistemas de doble vidriado hermético en lugar de vidrio simple (Martinez, 2013b). Pero también influye de forma determinante el comportamiento de los usuarios, que pueden aportar a la mejora en la eficiencia energética global a través del uso racional de la energía. En este sentido, la regulación de la temperatura del termostato de aires acondicionados y calefactores es una forma simple y racional de ahorrar energía, y es un aspecto poco considerado y quizás el menos aprovechado de los recursos energéticos. Estudios realizados en Argentina demuestran, por ejemplo, el gran potencial de ahorro que se puede lograr en el consumo de gas con la regulación de la temperatura de control (Prieto y Gil, 2014). En general las pérdidas de calor son menores, cuanto menor es la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, por lo cual reduciendo esta diferencia se pueden lograr mayores ahorros de energía, condición que es válida tanto para verano, aumentando la temperatura del termostato, como para invierno, reduciendo la misma (Gil, 2013). 2 Metodología de trabajo. Se realizó el análisis de las condiciones climáticas de la zona geográfica de estudio, en base a los datos brindados por el Servicio Meteorológico Nacional, definiéndose luego las estrategias bioclimáticas correspondientes, mediante la aplicación de las metodologías de Olgyay, Exigencias bioclimáticas y Diagrama psicométrico con zonificación (Gonzalo, 2003). Figura 2. Gráficos bioclimáticos: Exigencias bioclimáticas sobre base de temperatura 18 C (izquierda) y Diagrama de Olgyay (derecha)

3 En base a las estrategias y pautas bioclimáticas obtenidas, se planteó un prototipo básico de vivienda que cumple con los requerimientos de forma, orientación y distribución de locales, a fin de adaptase a las condicionantes planteadas. Sobre este prototipo se evaluaron diferentes opciones de cerramientos exteriores alternativos, considerando como caso de base de comparación la envolvente exterior de uso más común en la construcción: muros de ladrillo hueco de 18 cm, ambas caras revocadas, ventanas de vidrio simple y cubierta de chapa con cámara de aire y aislación sobre cielorraso (Martinez, 2016). A partir del este trabajo Martinez (2016), se tomaron tres casos de envolvente exterior: la tradicional y dos mejoradas, y con ellas se evaluaron los requerimientos necesarios de consumo energético, por unidad de superficie (kw/m²), para el acondicionamiento. Se consideran como temperatura límite de confort inferior para invierno 18 C y para verano 24 C, tomando los valores límites según metodología de la Comission of the European Communities (CEC), figura 1. Los rangos de temperatura a evaluar son: para invierno de 22 C a 18 C y para verano de 20 C a 24 C, figura 3. Figura 3. Gráfica de la CEC de temperaturas operativas óptimas para una expectativa de confort térmico del 80% de personas (vestimenta ligera para verano y abrigada para invierno y una actividad física entre sedentaria y ligera) Utilizando el programa RETScreen, se determinó en cada caso la demanda de energía para acondicionamiento artificial por unidad de superficie (kwhora/m²) para calefacción, refrigeración y anual y parámetros económico financieros que definen los plazos de amortización y la conveniencia de la inversión. El programa RETScreen, Software de Análisis de Proyectos de Energía Limpia, es una herramienta de apoyo para la toma de decisiones proyectuales en la construcción de edificios y en la aplicación de sistemas no convencionales de acondicionamiento y fuentes alternativas de energía. Cuenta con el apoyo de una red internacional de expertos. El programa permite llevar a cabo un análisis que incluye: análisis energético, análisis de costos, análisis de emisiones CO2, análisis financiero y análisis de sensibilidad y riesgo de inversión. Dispone de una amplia base de datos climáticos, permite el acceso a formación y consultas en línea. Para la aplicación del programa se consideran los datos solicitados para el modelo de energía: 1- Tipo de combustible: electricidad. Se elige este combustible porque el mismo es el de uso común en viviendas para calefacción y refrigeración según análisis de relevamientos y encuestas (Martinez, 2013a). 2- Costo del combustible: Se determina el costo del kw/h (0,76 $), según análisis de costos de facturación para consumo medio en la provincia de Tucumán a marzo de Tasa de ocupación: se considera una ocupación de 24 horas por tratarse de vivienda. 4- Pérdidas por transporte y distribución: se establece en un 18%, según análisis de datos de producción y consumo de energía eléctrica nacional.

4 5- Tasa de inflación: se considera un valor medio de 35%, según datos de proyección de diversas consultoras privadas (Elypsis, 2015). 6- Vida útil estimada: 50 años (tiempo máximo permitido por el programa). 7- Los coeficientes de transmitancia térmica de los componentes opacos de la envolvente se determinaron con el programa CEEMAKMP (Gonzalo, 2003). Para los componentes transparentes, vidriado simple sin protecciones, se utilizan los valores de Normas IRAM. 3 Prototipo de análisis y casos de evaluación propuestos. La vivienda de análisis tiene una superficie cubierta de 62 m² cubiertos, con ubicación posible en terrenos de entre 13 m y 15 m de ancho, los más comunes en los emprendimientos de planes oficiales. El diseño de la unidad y del conjunto, figuras 4 y 5, se planteó incorporando pautas básicas de adaptación climática (Martinez, 2016), y considerándose un diseño funcional que permite mantener los locales principales siempre hacia el N, sin importar la posición del terreno, esto para evitar el espejado o rotación del edificio, condición muy usada en estos esquemas de conjunto y que lleva a que un número importante de las viviendas queden en condiciones desfavorables (Martinez, 2001). Figura 4. Planta y corte de la vivienda (con ángulos solares para junio y diciembre 12 hs.) Figura 5. Posibles disposiciones en conjunto de las viviendas Como envolvente exterior base se consideró el tipo más utilizado en la Provincia. Las características generales de la misma son: muros de ladrillo cerámico hueco de 0,18 m con ambas caras revocadas, estructura de hormigón armado oculta y cubierta de chapa con cámara de aire y cielorraso suspendido con aislación térmica de poliestireno expandido de 2,5 cm. En la tabla 1 se muestran las características de los cerramientos.

5 Cerrami ento Muro Base Muro 1 Muro 2 Cubierta Base Cubierta mejorada Componentes y espesores (cm) Revoque ext. común (2,5)-Ladrillo hueco (18)- Revoque int. común (2,5) Revoque ext. termoaislante* (4,5)-Lad. hueco (18)- Revoque int. común (2,5) Revoque ext. micro hormigón (3,5)-Placa de poliestireno alta densidad (8)- Revoque int. micro hormigón (3,5)** Chapa-Cámara de aire-aislación EPS (2,5)- Cielorraso de yeso Espesor total (m) Coef. de transmitancia térmica W/m² K Verifica Norma Zona II 0,23 1,71 Nivel C 0,25 1,04 Nivel B 0,15 0,38 Nivel A - 0,84 Nivel C Chapa-Cámara de aire-aislación EPS (8)-Cielorraso - 0,37 Nivel B * Isolteco de Estisol ** sistema Cassaforma Tabla 1. Características constructivas y térmicas de los cerramientos para análisis de casos Para la envolvente exterior mejorada térmicamente se seleccionaron dos tipos de muros, ya evaluados (Martinez, 2016): 1- muro simple con revoque termoaislante exterior; 2- muro tipo Cassaforma, con alma de EPS y terminación de micro hormigón. Como cubierta, en ambos casos, se propone una liviana como la tradicional pero con una aislación de 8 cm. 4 Resultados de análisis energéticos. Para evaluar como influye en el consumo de energía la temperatura de termostato de los sistemas de climatización, tanto en calefacción como en refrigeración, se parte de una temperatura base, 22 C para calefacción y 20 C para refrigeración, que son los valores más usado en nuestro medio. A partir de estos valores se disminuye un grado para calefacción y se aumenta un grado para refrigeración, hasta llegar a los valores de límite de confort ya mencionados (figura 1), es decir 18 C para invierno y 24 C para verano. de Calefacción ( C) 22 Refrigeración (para temp.20 C) de energía (kwh/m²) de consumo (%) Calefacción Anual (C+R) En calefacción Anual Tabla 2. Datos de análisis energético para invierno en vivienda con construcción tradicional Estos rangos de variación de temperatura se analizan en primer lugar para el prototipo de vivienda con envolvente exterior tradicional. Se observa en la tabla 2, para el caso de invierno, que al disminuir la temperatura de termostato de 22 C a 18 C, se logran reducciones en el requerimiento de energía de entre 14% y 54%. El mayor ahorro logrado se da con la

6 temperatura límite inferior, al reducirse la diferencia térmica entre el interior y el exterior en un 30,5%, para una temperatura media mínima de invierno (J-J-A) de 7,6 C. Observamos en la tabla 3 los resultados obtenidos para la situación de verano. Los porcentajes de reducción logrados al aumentar la temperatura de 20 C a 24 C van del 10% al 40% (con temperatura de 24 C), siendo valores menores que para el caso de calefacción a pesar de que la reducción del salto térmico interior-exterior resulta de % para el caso más favorable, considerando que la temperatura media máxima es de 30,7 C para el período estival (D-E-F). de Refrigeración ( C) Refrigeración de energía (kwh/m²) de consumo (%) Calefacción (para temp.22 C) Anual (C+R) En refrigeración Anual Tabla 3. Datos de análisis energético para verano en vivienda con construcción tradicional Pero si se analizan los valores alcanzado en la demanda anual de energía para ambos períodos se observa que para el período de calefacción son poco significativos, del 2% al 7%, y que se logran reducciones importantes en el consumo en el período estival, es decir en refrigeración, del 10% al 48%. Esta situación de mayor influencia de la refrigeración en el balance anual se debe a que el período con necesidad de calefacción, que se establece en el Programa RETScreen con una temperatura base de cambio de condición de 17 C, es solo de 114 días. En tabla 4 observamos los valores de demanda de energía obtenidos para las dos condiciones extremas de temperaturas, la de uso común (A) y la ideal (B). Vemos que se si establecen las temperaturas de termostatos en los valores que generan mayores reducciones de consumo en calefacción y refrigeración, se logra una disminución en la demanda de energía anual de 49%, solo con la regulación de temperaturas. Par de temp. de termostato ( C) A B Temp. Calefacción 22 C Temp. Refrigeración 20 C Temp. Calefacción 18 C Temp. Refrigeración 24 C anual (kwh/m²) calefacción (kwh/m²) refrigeración (kwh/m²) Tabla 4. Requerimientos energéticos de acondicionamiento en función a la temperatura de termostatos En las tablas 5 y 6 se presentan los valores de demanda de energía anual, y las disminuciones de consumo logradas por reducción de temperatura de termostato, para los dos tipos de envolvente exterior mejorada térmicamente.

7 Envolvente mejorada 1. Muro: K 1,04 W/m² C (nivel B); Cubierta K 0,37 W/m² C (nivel B) calefacción anual kwh/m² % refrigeración anual kwh/m² % Tabla 5. Valores de demanda anual de acondicionamiento para envolvente mejorada 1 Se observa que para el caso de la envolvente mejorada 1, que alcanza para muro un nivel de confort B según Normas, como para el caso de la envolvente tradicional se logran las mayores reducciones en la demanda anual en el caso del período estival, con el aumento de la temperatura de termostato, llegan a un 42% para un valor de 24 C. Lo mismo sucede para el caso de la envolvente mejorada 2, la cual alcanza para muro un nivel de confort A. En este caso la reducción lograda para 24 C es de un 43%, tabla 6. Envolvente mejorada 2. Muro: K 0,38 W/m² C (nivel A); Cubierta K 0,37 W/m² C (nivel B) calefacción anual kwh/m² % refrigeración anual kwh/m² % Tabla 6. Valores de demanda anual de acondicionamiento para envolvente mejorada 2 Comparando los valores obtenidos para ambas envolventes, podemos observar que la mejora en la calidad térmica, reducción del coeficiente de transmitancia térmica de 1,04 W/m² C a 0,38 W/m² C, no influye en la reducción de la demanda de energía para acondicionamiento, ya que solo se lograr un 1% o 2% más. En la tabla 7 se pueden comparar las demandas de energía anual para los tres tipos de envolvente, considerando las temperaturas de calefacción y refrigeración más eficientes de las analizadas. También se indican los s logrados con la envolventes mejoradas en referencia a la envolvente tradicional.

8 calefacción 18 C refrigeración 24 C Muro Coeficiente K (W/m² C) Cubierta anual de energía (kwh/m²) de consumo (%) Período de repago de capital (años) Amortización de mayores costos x mejoras Envolvente tradicional 1,71 0, Envolvente mejorada 1 1,04 0, ,5 Envolvente mejorada 2 0,38 0, ,9 Tabla 7. Comparación de demanda energética para diferentes envolventes Se puede observar que aunque se mejora significativamente el comportamiento térmico de la envolvente, reduciendo la transmitancia térmica de los componentes, esto no tiene una influencia marcada en la reducción de la demanda energética, especialmente para el caso de la envolvente mejorada 2, en el cual la disminución del coeficiente K, para el muro como componente de mayor inversión para mejora, es de 78% con respecto al caso base, pero solo se logra un 4% más de reducción en el consumo en comparación con la envolvente mejorada 1, que reduce el coeficiente K de muro solo 39%. 5 Conclusiones. Queda claro que el aporte que se logra en la reducción del consumo de energía con el simple control de la temperatura de los termostatos es de gran significancia, y de aplicación muy sencilla, por lo cual debería ser el primer ítem a considerar cuando se plantea la necesidad de afrontar la problemática energética. El control de la temperatura de los termostatos tiene influencia en el confort térmico de los usuarios, pero para lograr una situación de confort ideal también es necesario que las personas se adapten al nuevo ambiente térmico, logrado por el ajuste de la temperatura de confort, puesto que de no ser así, podría no lograrse alcanzar el objetivo final de la estrategia de ahorro. Debido a las características cálidas del clima, resulta de mayor importancia el control de la temperatura de termostato en el período estival, aumentando la misma para disminuir el salto térmico interior-exterior, reduciendo los requerimientos de refrigeración, que se presentan para 251 días al año. Cada grado de temperatura aumentado aporta un 12% de ahorro. Esto no excluye la recomendación de reducir la temperatura de control para calefacción en el período invernal. Considerando la relación entre la calidad térmica de la envolvente y la reducción del consumo energético por control de temperatura de termostatos, se constata que para el caso de cerramientos con un comportamiento térmico bajo, solo cumpliendo nivel C de confort, resulta muy significativo el aporte logrado en la disminución de la demanda de energía para acondicionamiento artificial. Este debería ser el primer paso a seguir en un uso racional y eficiente de la energía, para luego encarar las mejoras térmicas de la envolvente a fin de lograr condiciones de confort interior más aceptables. También se puede concluir que a medida que se mejora la calidad térmica de los cerramientos exteriores, el control de la temperatura de termostatos tiene una menor influencia en la reducción de los consumos energéticos, llegando a una situación en la que no se justifican mayores inversiones en aislaciones dado que no se logran mejoras importantes en las reducciones de demanda energética.

9 6 Referencias. Gil Salvador (2012). Cómo promover la eficiencia y las ER. Conferencia XXXV Reunión de Trabajo de la Asoc. Argentina de Energías Renovables y Ambiente. Rosario, de octubre Gil Salvador (2013). Eficiencia energética. Un camino hacia el autoabastecimiento. Conferencia Encuentro Latinoamericano de uso racional y eficiencia energética. Buenos Aires octubre. Gonzalo G, Ledesma S, Nota V, Martinez C, Cisterna S, Quiñones G, Márquez G, Tortonese A, Garay A. (2000). Determinación y análisis de los requerimientos energéticos para el acondicionamiento térmico de un prototipo de vivienda ubicada en San Miguel de Tucumán. Revista AVERMA. ISSN Gonzalo Guillermo. (2003). Manual de Arquitectura Bioclimática. ISBN Instituto Nacional de Tecnología Industrial. (2010) Boletín electrónico. Acceso junio Ledesma S, Nota V, Cisterna S, Martinez C, Gonzalo G, Villa, Osorio, Nagle, Jacobo, Bilavcik (2014). Condiciones térmicas en aulas de escuelas de Tucumán y la respuesta del usuario. Alternativas de optimización. XXXVII Reunión de Trabajo de la Asoc. Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente. Pp ISBN Marincic Inés. (2000). Respuestas térmicas y su relación con la envolvente del edificio. Memorias ISES Millennium Solar Forum, pp México D.F. Martinez Cecilia (2013a). Importancia económico-ambiental de la aislación térmica de la envolvente edilicia en la eficiencia energética en relación a las condiciones del clima. 3º Congreso Internacional de Ambiente y Energías Renovables. U.N. de Villa María. ISBN Martinez Cecilia (2013b). La envolvente edilicia y su adaptación a clima mixto en Argentina. Recomendaciones de diseño en aspectos térmicos. ISBN Editorial Académica Española. Martinez Cecilia (2001). Análisis del comportamiento higrotérmico de los cerramientos exteriores en viviendas del IPV en S.M. de Tucumán. Revista AVERMA. ISSN Pp a017.pdf Prieto R. y Gil S. (2014). Regulación del termostato. Un modo simple y racional de ahorrar energía. Revista Petrotecnia. Pp Diciembre. Volantino V. y Bilbao P. (2007). Ahorro energético en el consumo de gas residencial mediante aislamiento térmico en la construcción. Revista AVERMA. ISSN Pp a017.pdf