Desempeño térmico en variaciones de muro Trombe en clima cálido seco extremoso

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1 palapa issn: vol. i i núm. [5] tercera época pp. 3-7 enero-junio de 204 Desempeño térmico en variaciones de muro Trombe en clima cálido seco extremoso Thermal performance in variations of Trombe wall in extreme warm dry climate Aníbal Luna León, Gonzalo Bojórquez Morales, 2 Ramona Romero Moreno, 3 Ricardo Gallegos Ortega 4 y María Corral Martínez 5 recibido: 28/03/2, 4/08/3 dictaminado: 25/05 /2, 2//3 aceptado: 2//3 Resumen2345 La selección adecuada de técnicas pasivas para mejorar el desempeño térmico de los edificios afecta directamente sobre las condiciones del ambiente térmico y en la demanda energética por uso de climatización artificial, lo que representa un problema en ciudades con clima cálido seco extremoso. Las oscilaciones de temperatura hacen que se tengan mayores requerimientos para lograr condiciones de confort térmico, tanto en el periodo cálido como en el periodo frío, y eso hace compleja la aplicación de técnicas de adecuación pasiva. Con ese antecedente se realizó un estudio de simulación de desempeño térmico y ahorro de energía de un muro Trombe en Mexicali, Baja California con variantes en su funcionamiento, mediante el programa Design Builder. palabras clave muro Trombe, simulación térmica, confort térmico, ahorro de energía, clima cálido seco extremoso. Abstract Doing an adequate selection of passive techniques to improve the thermal performance of buildings has a direct effect over indoor thermal conditions and over energy consumption by using air conditioner; this represents a problem in cities with extreme dry climate. The large temperature oscillations demands high requirements of energy to create conditions of thermal comfort in the warm period such as cold period; this challenges the application of passive conditioning techniques. Given this situation, we carried out a simulation of the thermal performance and energy savings related to a Trombe wall in Mexicali, Baja California, considering variations in the Trombe wall operation; this was developed through Design Builder program. keywords Trombe wall, thermal simulation, thermal comfort, energy savings, hot-dry climate. anibal@uabc.edu.mx 2 gonzalobojorquez@uabc.edu.mx 3 ramonaromero@uabc.edu.mx 4 ricardogallegos@uabc.edu.mx 5 mariacorral@uabc.edu.mx Facultad de Arquitectura y Diseño, Universidad Autónoma de Baja California. revista de investigación científica en arquitectura journal of scientific research in architecture 3

2 Introducción Lograr el confort térmico en un ambiente determinado requiere de un diseño que responda a las condiciones meteorológicas, con el que sea posible la reducción del consumo energético por climatización artificial (Fuentes, 2007). Los beneficios que puede ofrecer una estrategia de adecuación ambiental en la mayoría de los casos no son evaluados de forma cuantitativa, pues se da por hecho que su aplicación ya representa ventajas en comparación con un diseño que no la incluya (Liébard y De Herde, 2005). Según Dimoudi (2009), entre las técnicas pasivas de adecuación para calentamiento y enfriamiento que se aplican en muros destaca el muro Trombe, que es un muro orientado al sur, con masa térmica y pintado de negro, con un vidrio separado del mismo para evitar la pérdida de energía solar captada. El principio termodinámico de funcionamiento es utilizar la radiación solar para generar un movimiento convectivo en la cavidad entre vidrio y muro, lo que propicia un desplazamiento del volumen de aire. Se utiliza principalmente para el calentamiento pero, por ser un dispositivo permanente en la edificación, en algunos casos se usa para generar ventilación y enfriamiento, además de protección contra el ruido. Los trabajos de investigación sobre la aplicación de muro Trombe tienen diferentes líneas: ) análisis del comportamiento térmico de componentes del sistema, con la inclusión en algunos casos de nuevos materiales, 2) estudios experimentales por monitoreo, 3) simulación térmica en computadora y 4) combinaciones de los tres aspectos anteriores. En todos los casos, un parámetro importante de evaluación es el potencial de uso, con base en las condiciones de confort térmico en el espacio de aplicación y el ahorro de consumo energético por calentamiento o enfriamiento artificial. Fernández-González (2007) realizó un estudio por monitoreo de módulos con cinco diferentes sistemas de adecuación pasiva: ) ganancia solar directa, 2) muro Trombe, 3) muro húmedo, 4) techo estanque e 5) invernadero. El objetivo principal era establecer las limitaciones para tener condiciones de confort térmico en un espacio donde se aplican los sistemas estudiados. Se llegó a la conclusión de que la variación de temperatura operativa dentro de los módulos durante el día fue determinada por el tipo de estrategia pasiva utilizada. El muro Trombe fue la mejor opción como sistema de calentamiento. Zhang et al. (2007) presentan un análisis del potencial de uso, para calentamiento y enfriamiento pasivo, de técnicas de almacenamiento de energía de calor latente en muros con uso de materiales con cambios de fase, cuya característica principal es que a una determinada presión atmosférica presentan un cambio de fase en condiciones de temperatura ambiente. Por ello se aprovecha su capacidad de almacenamiento de energía por temperaturas próximas a su punto de fusión. Estas técnicas se utilizan en construcciones de tipo ligero para aumentar la inercia térmica de la envolvente arquitectónica y así reducir cargas de enfriamiento y calentamiento artificial. Jie et al. (2007) desarrollaron un prototipo de muro Trombe cuya superficie transparente es de celdas fotovoltaicas. Se realizó un análisis de producción energética y comportamiento térmico del muro. Los resultados indicaron el potencial para calentamiento del espacio, con variaciones entre 2.3 y 3.4 C, así como un incremento del 5% en la eficiencia en la generación de energía esperada por el fabricante, en el sistema fotovoltaico. En lo que respecta a estudios por simulación y monitoreo sobre confort térmico, con base en técnicas de adecuación climática en muros ventilados, Seferis (2008) presenta un análisis del muro ventilado, muro Trombe y chimenea solar. Describe el comportamiento termodinámico y aerodinámico de los componentes del sistema, y además estima la demanda energética por calentamiento y enfriamiento. Se confirma un potencial significativo de ahorro energético por la aplicación de este tipo de técnicas de adecuación ambiental. Ruiz et al. (200) realizaron una revisión exhaustiva a la propuesta de método de cálculo de transferencia de energía en un muro Trombe que presenta iso 3790 (2008). Los resultados discuten la importancia de co- 4 palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204

3 nocer a detalle el sistema constructivo, así como los fenómenos termodinámicos que se generan en cada capa del muro. Con base en los estudios revisados y ante la falta de información al respecto, el objetivo de este análisis es estimar por simulación el desempeño térmico, el confort térmico y el costo de energía anual del efecto de diferentes alternativas de muro Trombe en forma pasiva en el periodo frío, así como evaluar su efecto al interactuar con el sistema de climatización en el periodo cálido en una vivienda de Mexicali, Baja California; lo anterior en función de que el muro no es removible por cada periodo climático. El estudio demuestra de forma cuantitativa que con base en las variaciones de operación propuestas para un muro Trombe, es posible lograr ahorros energéticos de hasta 27.89% por enfriamiento y 7.93% por calentamiento. Método En este apartado se describen: diseño de investigación, objeto de estudio, caso base, simulador térmico, condiciones de simulación y método de análisis de parámetros de evaluación. Diseño de investigación La investigación desarrollada fue de tipo aplicada, bajo un paradigma metodológico cuantitativo con análisis causa-efecto, con un método de simulación térmica por computadora que hace énfasis en el uso de modelos y analogías (Groat y Wang, 2002) (figura ). Muro Trombe El muro Trombe fue patentado en 88 por Morse; sin embargo su nombre se debe a Félix Trombe quien, junto con Jacques Michel, lo comercializó en 964 en Francia (Seferis, 2008). Objeto de estudio Efecto por aplicación, variación y funcionamiento de muro Trombe Criterios de selección Requerimientos del estudio Periodo cálido Diseño de investigación Parámetros Desempeño térmico, confort térmico y costo de energía Caso base Características físicas, espaciales y constructivas Simulación térmica Estrategia de simulación Estudio comparativo Conclusiones Método Simulación térmica dinámica. Análisis comparativo Variaciones de casos de comparación Archivo meteorológico Periodo frío figura. Método de investigación aplicado. Fuente: elaboración propia. Según Liébard y De Herde (2005), el muro Trombe es una técnica pasiva de calentamiento o enfriamiento que se basa en fenómenos termodinámicos con el uso de masa térmica para captar y reducir la velocidad de flujo de energía (proceso considerado como almacenamiento). Consiste en un muro vertical orientado al sur (en el hemisferio norte) construido con diferentes materiales (generalmente mampostería de piedra, ladrillo o bloque de concreto común) y en su cara exterior una superficie de vidrio o material transparente colocada a una distancia entre 0.20 y 0.30 m del muro. En el proceso de calentamiento durante el día, la radiación solar de onda corta pasa a través del vidrio y calienta la superficie del muro, generalmente pintada de negro (para absorber mayor cantidad de energía). Al calentarse, esta superficie absorbente emite radiación de onda larga que queda retenida por el vidrio, que es opaco a este tipo de radiación. De esta forma se provoca un aumento de temperatura en la cavidad, lo que facilita el flujo de calor por conducción a través de la masa térmica del muro. El tiempo de efectividad del muro Trombe está en función del retraso térmico del material propuesto y sus propiedades térmicas, así palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204 5

4 como del diferencial de temperatura obtenido entre la cavidad y la parte interior del espacio. Otra variante es considerar aberturas en la parte baja y parte alta del muro Trombe que conecta con el espacio a climatizar en forma pasiva. El aire frío del espacio entra por una abertura en la parte inferior del muro (debido a su densidad alta) y al calentarse en contacto con la masa térmica del muro, que está a mayor temperatura, disminuye su densidad, asciende por el espacio entre el muro y el vidrio y entra de nuevo al espacio interior por una abertura en la parte superior del muro. Por lo anterior se considera un sistema de calefacción pasivo. Cuando se oculta el sol, la temperatura del muro (por su masa térmica) tiende a ser mayor a la del espacio, por lo que la energía captada durante el día comienza a irradiarse hacia el interior del espacio, debido al diferencial de temperatura entre ambos. Para un mayor efecto, es necesario cerrar las aberturas en el muro para evitar la entrada de aire frío hacia el espacio, pues la cavidad baja su temperatura por la noche debido a la alta conductividad y emisividad del vidrio. El sistema constructivo y el funcionamiento de un muro Trombe pueden variar según los requerimientos del espacio a calentar o enfriar. En la propuesta de evaluación se realizó un análisis de cinco diferentes alternativas de funcionamiento de un muro Trombe (tabla ). Caso de estudio Para simplificar el estudio se partió de un prototipo equivalente al área de vivienda de «interés social», con una sola zona. Este tipo de vivienda representa el 30% de la vivienda de construcción en serie que se adquiere en Baja California. El precio máximo en 2008 era de 350 mil pesos, tiene un volumen de construcción de 9 mil 584 unidades por año y el 78% de la población económicamente activa adquiere este tipo de vivienda (Comisión Nacional de Vivienda, 2008). El área de piso total del prototipo es de m2, con un volumen de 2.2 m 3. Las áreas de muro, ventana y puerta por orientación se presentan en la tabla 2. Los tipos de muro Trombe analizados se ubican en la parte sur de los prototipos, por ser la zona en donde se obtiene la mayor incidencia de radiación solar y mayor aprovechamiento de esta técnica pasiva para el periodo frío, pues se originó como método de calentamiento. La figura 2 muestra una representación de la planta arquitectónica del modelo mencionado. Simulación térmica El simulador térmico utilizado fue el programa Design Builder, con el cual es posible el análisis integral del comportamiento termodinámico, costos de operación y condiciones de confort térmico con la selección de un tipo de modelo de referencia, además de una visualización gráfica del componente analizado. El programa permite el análisis horario, mensual y anual con datos como: consumo de energía, emisiones de carbono, confort térmico, temperaturas máximas y mínimas de los espacios, así como estimación de tamaño de equipo de los componentes de aire acondicionado y calefacción (Design Builder, 200). Otras posibles variables a estimar con Design Builder son: ) consumo de energía del edificio, 2) evaluación de opciones de fachada de sobrecalentamiento, 3) ventilación natural, 4) control de iluminación natural y ahorro en la iluminación eléctrica y 5) protección solar, entre otros. El programa puede dividir el edificio en zonas y determinar flujos de calor y cargas térmicas al sistema de aire acondicionado y calefacción; toma en cuenta diferentes niveles de transmitancia de superficies horizontales y verticales, además de elementos externos. Es posible programar de manera horaria las cargas internas (luces, equipos, usuarios, etc.). Los resultados incluyen flujos de calor por: conducción, radiación solar directa, infiltración y ventilación; confort térmico, cargas térmicas internas y costos por climatización. Consideraciones de simulación térmica Como parte de la estrategia de simulación de comportamiento térmico fue necesario establecer las conside- 6 palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204

5 tabla. Variaciones de funcionamiento estudiadas de un muro Trombe. Descripción del muro Trombe Representación gráfica Estrategia de climatización pasiva Tipo a) Con intercambio conductivo. b) Sin intercambio convectivo con el espacio interior y ambiente exterior. c) Sin sombreado anual del vidrio. Tipo 2 a) Con intercambio convectivo muro Trombe-espacio interior, en periodo frío. b) Sin sombreado anual del vidrio. Tipo 3 a) Sin intercambio convectivo con espacio interior. b) Con enfriamiento convectivo natural muro Trombeambiente exterior durante periodo cálido. c) Sin sombreado anual del vidrio. Tipo 4 a) Con intercambio convectivo muro Trombe-espacio interior en periodo frío. b) Con enfriamiento convectivo natural muro Trombeambiente exterior en periodo cálido. c) Sin sombreado anual del vidrio. Tipo 5 a) Con intercambio convectivo muro Trombe-espacio interior en periodo de frío. b) Con enfriamiento convectivo natural muro Trombeambiente exterior en periodo cálido. c) Con sombreado de vidrio sólo en periodo cálido. Fuente: elaboración propia.!!!!! Periodo frío Calentamiento pasivo, a través de la masa térmica del muro. Periodo cálido Día: calentamiento pasivo, por no considerar sombreado del vidrio, consecuencia del arreglo diseñado para periodo frío. Noche: enfriamiento pasivo nocturno, con pérdidas de energía debido a la emisividad alta del vidrio y muro pintado de negro. Periodo frío Día: calentamiento pasivo por convección natural entre muro Trombe y espacio interior. Noche: calentamiento pasivo por emisividad de la masa térmica del muro hacia el espacio interior. Periodo cálido Día y noche: obstrucción de flujo convectivo de aberturas muro Trombe-espacio interior, para evitar sobrecalentamiento. Periodo frío Día y noche: calentamiento pasivo, a través de la masa térmica del muro. Sin intercambio convectivo entre muro Trombe y ambiente exterior. Periodo cálido Día: calentamiento pasivo por la falta de sombreado. Noche: a) Enfriamiento convectivo nocturno por diferencia de temperatura entre muro Trombe y ambiente exterior. b) Pérdidas de energía por emisividad alta del vidrio y masa térmica del muro pintado de negro. Periodo frío Día: calentamiento pasivo por convección natural entre muro Trombe y espacio interior. Noche: calentamiento pasivo por emisividad de la masa térmica del muro hacia el espacio interior. Periodo cálido Día: (Tipo 4) calentamiento pasivo por radiación solar directa y diferencial de temperatura por la falta de sombreado. (Tipo 5) Calentamiento pasivo por diferencial de temperatura, sin radiación solar directa por sombra. Noche: a) Enfriamiento convectivo nocturno por diferencia de temperatura entre muro Trombe y ambiente exterior. b) Pérdidas de energía por emisividad alta del vidrio y masa térmica del muro pintado de negro palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204 7

6 tabla 2. Áreas de muro, ventana y puerta por orientación. Orientación Muro (m 2 ) Ventana (m 2 ) Puerta (m 2 ) Norte Este Sur Oeste Total Fuente: elaboración propia. raciones de operación del sistema, que para este caso fueron las siguientes: a) Archivo meteorológico. Se generó un archivo meteorológico de Mexicali, bc, con el programa Meteonorm, que cuenta con bases de datos de estaciones meteorológicas certificadas ante la World Meteorological Organization (wmo) y permite extrapolar datos a lugares donde no se cuenta con este tipo de estaciones. El método de estimación de Meteonorm tiene como referencia de cálculo una combinación de una base de datos y algoritmos según un esquema predeterminado. El usuario especifica una localización particular para la cual se requieran datos meteorológicos y el programa los genera en la estructura deseada y formato requerido. b) Periodos de análisis. El análisis fue horario, del de enero al 3 de diciembre. Se establecieron dos periodos de estudio: ) cálido: de mayo a octubre (84 días) y 2) frío: de noviembre a abril (8 días). Su determinación fue en función del análisis de bioclima y la sensación térmica percibida desarrollado por Luna (2008) para Mexicali, basado en el modelo de adaptación de Auliciems (98). Cabe mencionar que este modelo sólo fue utilizado para establecer los periodos de estudio pero no en el análisis de confort térmico, debido a que el simulador no lo tiene disponible en su código fuente. Luna (2008) establece tres periodos de sensación térmica por análisis de bioclima en Mexicali: ) periodo cálido: de mayo a octubre, 2) periodo frío: de diciembre a febrero y 3) periodos de transición: marzo, abril y noviembre. Para este estudio se tomó la decisión de integrar los periodos de transición al periodo frío, con la intención de tener un estudio anual consistente con figura 2. Integración de muro Trombe al caso de estudio. Fuente: elaboración propia. las condiciones de confort térmico (debido a que en los periodos de transición predominan las horas con sensación térmica de frío) y posibles ahorros por el funcionamiento del muro Trombe. c) Cargas internas. Para su análisis dentro del sistema de simulación, se consideró el muro Trombe de tipo divisorio como pared con transferencia de calor por diferencial de temperatura colindante entre espacios (porque se consideró el espacio entre el muro y el vidrio como una cavidad). Además, se incluyó la energía generada por las actividades de los habitantes, iluminación y equipos eléctricos, así como un valor de ajuste por uso esporádico de equipos; lo anterior para patrones de uso y actividad para días entre semana y fines de semana. Las condiciones de carga térmica del espacio fueron determinadas a partir de los parámetros presentados en la tabla 3. d) Infiltración. El modelo de infiltración fue el de cambios de aire por hora, con un cambio de aire, para un sellado medio. El criterio de selección de este método se basó en el comportamiento termodinámico del muro Trombe (Design Builder, 200). e) Ventilación natural. Se consideró con tres cambios de aire por hora (ashrae, 2009) y se llevó a cabo siempre y cuando la temperatura exterior fuera menor que la interior; además se consideró la temperatura de 8 palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204

7 tabla 3. Condiciones por ocupación del espacio Parámetro Característica Número de habitantes 4 personas Temperatura de control de termostato Actividad Nivel de arropamiento Cargas internas Fuente: desarrollada con base en Romero et al. (20). Verano 24 C Invierno 8 C Nivel de actividad Pasivo a moderado Tasa metabólica promedio 0.90 Met Verano 0.50 Clo Invierno.00 Clo Equipos y electrodomésticos 34 W/m 2 Iluminación 0 W/m 2-00 lux Otros 37 W/m 2 control de termostato para cada periodo de simulación (tabla 3). f) Sombreado. Se tomaron en cuenta sombras propias del modelo y construcciones perimetrales. Se consideraron los arremetimientos de ventanas y puertas sobre los muros y los efectos de reflexión por albedo de pisos y otras superficies inmediatas al perímetro. g) Orientación del edificio. La orientación del caso de estudio fue con su eje mayor de norte a sur, dado el predominio de esta posición (85%) en el sembrado de vivienda de interés social en Mexicali (Romero et al., 20). Propiedades térmicas de la envolvente La envolvente arquitectónica del prototipo base fue conforme a un caso real de una vivienda construida con muro de bloque y techo de vigueta con casetón de poliestireno. Las propiedades termofísicas de los sistemas constructivos se presentan en la tabla 4. Análisis comparativo El estudio comparativo se realizó con referencia a un prototipo base con muros de bloque de concreto y techo de vigueta con casetón de poliestireno, sin aislante en el techo. Además se desarrolló una variación del caso base, donde se consideró un aislamiento en el techo con m de poliestireno expandido. Las variaciones de las características constructivas de cada tipo de muro Trombe se presentan en la tabla 5. Las variables de evaluación sobre el desempeño térmico y ahorro de energía debido a las variaciones de muro Trombe fueron: ) Confort térmico. La selección del modelo de evaluación de confort térmico se basó en un análisis de similitud de comportamiento anual por diagnóstico bioclimático, entre el modelo de referencia para la determinación de periodos de estudio, que fue el de Auliciems (98), y los modelos disponibles dentro de sistema de evaluación de Design Builder. Los resultados obtenidos indicaron que el modelo pmv-et fue el de mayor similitud; este procedimiento para selección del modelo de confort es similar al método de Monteiro y Peinado (2007). El análisis comparativo entre los valores obtenidos se realizó con el método de porcentaje de diferencia, que tuvo como referencia el caso base sin aislamiento y el caso base con aislamiento. 2) Costo por climatización artificial. Se consideró un equipo calculado por el propio programa, con un cop de 0. La estimación de costos fue en moneda constante a partir del costo por kwh establecido por la Comisión Federal de Electricidad (cfe) al 20 para la tarifa f. La temperatura de diseño por enfriamiento fue de 24 C y palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204 9

8 tabla 4. Sistemas constructivos y propiedades térmicas de los materiales utilizados. Material Conductividad térmica (W/ m ºC) Calor específico (J / kg ºC) Densidad (kg/ m 3 ) Resistencia térmica (m 2 ºC / W) Espesor (m) Techo Cartón arenado Brea Cartón negro Poliestireno expandido estándar Losa de vigueta y casetón Yeso (interior) Coeficientes convectivos: interior: 6.30; exterior: M U R O S Bloque de concreto pesado, relleno parcialmente con concreto Mortero cemento arena (exterior) Yeso (interior) Murotrombe 2 Muro Trombe a base de ladrillo 2 Vidrio sencillo claro de 3 mm de espesor, con marco de aluminio con puente térmico (U = 5.894) Coeficientes convectivos: interior: 8.290; exterior: Piso Concreto armado (2% acero) Coeficientes convectivos: interior: 6.30; exterior: Puertas Madera densa Espacio de aire Coeficientes convectivos: interior: 8.290; exterior: Ventanas 2 Ventana con marco de aluminio con puente térmico, vidrio sencillo claro 3 mm de espesor (U = 5.894) Fuente: DesignBuilder (200); 2ashrae (2009); 3Estimado. 0 palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204

9 tabla 5. Características constructivas de muros Trombe estudiados Tipo de muro Trombe Características constructivas TIPO. TIPO 2 a) Muro Trombe con base en ladrillo recocido de 0.30 m, pintados de color negro en la parte exterior. b) Pared externa (sur) del espacio donde se ubica el muro Trombe, con base en bloque con aislamiento (poliestireno expandido m). c) Paredes externas de espacio de bloque sin aislamiento. d) Techo de vigueta y casetón con aislante (poliestireno expandido m) Características a), b), c) y d). Además de: f) rejillas con ventilación al espacio interior. TIPO 3 Características a), b), c) y d). Además de: e) Rejillas con ventilación al ambiente exterior. f) Rejillas con ventilación al espacio interior. TIPO 4 Características a), b), c), d), e) y f). TIPO 5 Características a), b), c) d), e) y f). Además de: g) Muro Trombe sombreado. Fuente: elaboración propia. por calentamiento fue de 8 C; estos valores se establecieron en función de los resultados obtenidos en el estudio de Luna (2008). El análisis comparativo se hizo con el mismo método que el estudio de confort térmico. Resultados Con la intención de observar el efecto de las variaciones del muro Trombe, los resultados se clasificaron en dos tipos : ) confort térmico bajo condiciones de climatización pasiva (ventilación natural) y 2) consumo energético con el uso de sistemas de climatización artificial, con interacción de climatización pasiva por efecto del muro Trombe. Lo anterior debido a las condiciones climáticas críticas del área de estudio. Confort térmico bajo condiciones de climatización pasiva (con ventilación natural) Para conocer el efecto en el confort térmico de los habitantes de las diferentes propuestas de muro Trombe, se realizó un estudio comparativo sin utilización de sistemas activos de climatización, sólo el efecto de la ventilación natural con tres cambios de aire por hora (ashrae, 2009). Los flujos de viento del exterior al interior se llevaron a cabo siempre y cuando la temperatura exterior fuera menor que la interior del espacio adosado al muro Trombe. En la tabla 6 se muestra el número de días en condiciones de confort térmico para el periodo anual, periodo cálido y periodo frío, así como sus respectivos porcentajes. Confort térmico anual El efecto de las variaciones propuestas para el muro Trombe muestra que la mejor alternativa en el balance energético anual fue la tipo 5, que utiliza tres técnicas combinadas: ) recirculación de ventilación del Trombe hacia la habitación durante el invierno, 2) ventilación natural al ambiente durante el verano y 3) sistema de sombreado total del muro Trombe durante el verano. En este caso se encontró que en términos de balance de energía anual, el edificio de muro Trombe tipo 5 permanece en condiciones de confort térmico el 52.03% de los días (89.9 días del año). Lo anterior muestra un incremento de confort térmico entre 6.06% (22. días) y 4.9% (5.3 días) respecto a los casos base sin aislamiento y con aislamiento, respectivamente (tabla 6). palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204

10 tabla 6. Número de días y porcentaje de confort térmico anual. Mexicali. Casos base / tipos de muro Trombe térmica fría Número de días del periodo Confort térmico térmica cálida térmica fría Porcentaje del periodo en días Confort térmico térmica cálida Caso base Caso base con techo aislado Tipo Tipo Tipo Tipo Tipo Fuente: elaboración propia a partir de diagnóstico bioclimático. El incremento de confort térmico se debió a que al cerrar la ventila hacia el ambiente durante el invierno, aumenta la temperatura al interior del muro Trombe por el efecto invernadero. Al subir la temperatura interior de la cavidad, se produce una transferencia de calor hacia el muro absorbedor y por convección hacia el espacio por medio de las cavidades ubicadas en la parte inferior y superior del muro Trombe. Por otro lado, durante el periodo cálido la ventilación del muro Trombe hacia el espacio interior fue cerrada, para disipar el calor de la cavidad del muro Trombe (tipo 4) hacia el ambiente exterior, lo que redujo las ganancias de calor hacia el interior de la vivienda. La reducción de ganancias de energía se incrementó al utilizar un elemento de sombra durante el periodo de verano (muro Trombe tipo 5), el cual fue removido durante el invierno. Cabe destacar que, en términos anuales, no tener el efecto de sombreado durante el verano (muro Trombe tipo 4) no modificó significativamente el porcentaje de días en confort térmico (5.26x0-4 %). Esto se debió al balance de energía del vidrio expuesto a la bóveda celeste como cuerpo negro, lo que hace que se pierda energía del muro Trombe hacia el ambiente exterior cuando se enfría durante el periodo nocturno (enfriamiento radiativo nocturno). Otro de los fenómenos observados fue que al utilizar los muro Trombe tipo y tipo 3 se tuvo un comportamiento similar en términos de confort térmico anual; en comparación, el muro Trombe tipo 2 (con ventilación al ambiente) presentó una reducción en días de confort térmico en.0x0-3 % (0.39 días) en ambos casos. Confort térmico en periodo frío Al determinar el efecto de las diferentes técnicas aplicadas durante el periodo frío se observó que las dos mejores opciones son los muros Trombe tipo 4 y tipo 5. El primero presentó un incremento de 5.73% (28.7 días) comparado con el caso base sin aislamiento, y de.70% (2.35 días) respecto al caso base con aislamiento. El tipo 5 registró un aumento de 4.47% (26.4 días) y 0.33% (8.85 días), en comparación con los casos base sin aislamiento y con aislamiento, respectivamente (tabla 7). Se observó que la alternativa que no tuvo sombreado (muro Trombe tipo 4) presenta aproximadamente una semana más de confort térmico en comparación de cuando se utiliza el muro Trombe tipo 5. Lo anterior se debió a que al no tener el efecto de sombra se permitió una mayor ganancia de calor en el periodo diurno. Los muros Trombe tipo y tipo 3 tuvieron un comportamiento similar en el periodo frío; el tipo 2 fue la opción con menos ventajas. 2 palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204

11 tabla 7. Número de días y porcentaje de confort térmico en periodo frío Casos base / tipos de muro Trombe térmica fría Número de días del periodo Confort térmico térmica cálida térmica fría Porcentaje del periodo en días Confort térmico térmica cálida Caso base Caso base con techo aislado Tipo Tipo Tipo Tipo Tipo Fuente: elaboración propia a partir de diagnóstico bioclimático. Confort térmico en periodo cálido Cabe destacar que la técnica de muro Trombe fue diseñada para calentamiento pasivo, sin embargo, se evaluó el potencial de variaciones en la misma para enfriamiento en periodo cálido y se encontró que sí funciona pero no de forma significativa. El muro Trombe tipo 5 presentó el mejor comportamiento térmico para este periodo, pues se observó un incremento de 2.67% (4.8 días) en comparación con el caso base sin aislamiento, mientras que para el caso base con aislamiento el aumento fue de 8x0-3 % (.46 días). Lo antes expuesto muestra que no existe un efecto significativo del uso del muro Trombe durante el periodo cálido. Sin embargo, hubo un incremento de la sensación de confort térmico debido a la masa térmica del muro absorbedor (muro de ladrillo de 0.30 m), que en términos de balance de energía no permitió la afectación del espacio interior (tabla 8). Costo de energía por climatización artificial Para determinar el efecto de las diferentes alternativas tabla 8. Número de días y porcentaje de confort térmico en periodo cálido. Casos base / tipos de muro Trombe térmica fría Número de días del periodo Confort térmico térmica cálida térmica fría Porcentaje del periodo en días Confort térmico térmica cálida Caso base Caso base con techo aislado Tipo Tipo Tipo Tipo Tipo Fuente: elaboración propia a partir de diagnóstico bioclimático. palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204 3

12 de muro Trombe en términos de ahorro de energía y costo por climatización artificial, se realizó un análisis comparativo conforme a las condicionantes establecidas en el apartado de «Método». Costo de energía y ahorro en periodo anual (calefacción y enfriamiento) A partir del estudio se determinó que las mejores opciones fueron los muros Trombe tipo 4 y 5, debido a que el primero presentó un ahorro anual de 34.2% y 25.72% en comparación con los casos base sin aislamiento y con aislamiento, respectivamente, mientras que para el segundo los ahorros fueron de 34.66% y 26.33%, en el mismo orden (figura 3). De igual manera, para los muros Trombe tipo, 2 y 3 se tuvieron ahorros del costo de energía anual de 33.57%, 3.68% y 33.57% comparados con el caso base sin aislamiento, y respecto al caso base con aislamiento térmico, los ahorros fueron de 25.09%, 22.96% y 25.09%. Se puede establecer que, independientemente del tipo de arreglo, el uso de un muro Trombe representa ahorros anuales importantes (figura 3). Costo de energía y ahorro en periodo frío (calefacción) La utilización de muro Trombe tuvo mayor impacto de ahorro en costo de energía en el periodo frío (eneroabril y noviembre-diciembre) debido a que en la tarifa f (que aplica a la zona de estudio) el costo por kwh de energía es de 2.52 pesos, si el consumo se excede de 250 kwh. Mientras que en el periodo cálido (mayo-octubre) el costo es de 2.57 pesos, si el consumo excede los 2500 kwh; por lo tanto los costos de energía serán menores aun cuando los consumos sean más altos. Cabe destacar que la estrategia de adecuación desde su concepción fue diseñada para calentamiento. En la figura 4 se observa que en este periodo el muro Trombe tipo 4 tuvo ahorros de 7.93% respecto al caso base sin aislamiento, y de 66.6% en relación al caso base con aislamiento. En cuanto a la técnica que consideró sombreado se tuvo un beneficio en los costos de energía con ahorros figura 3. Costo anual y porcentaje de ahorro por climatización. Fuente: elaboración propia a partir de resultados de Design Builder. de 65.20% respecto al caso base sin aislamiento, mientras que para el caso base con aislamiento el ahorro fue de 58.6%. Aun cuando los ahorros fueron menores al utilizarse muros Trombe tipo, 2 y 3, los ahorros en comparación al caso base sin aislamiento representaron una buena alternativa para el periodo frío, pues fueron de 63.93%, 58.60% y 63.74%, respectivamente. Asimismo, en relación al caso base con aislamiento los ahorros fueron de 57.09%, 50.75% y 56.87%, en el mismo orden (figura 4). Costo de energía y ahorro en periodo cálido (enfriamiento) Durante el periodo cálido no se presentaron ahorros significativos como en el periodo frío. Sin embargo, aunque la técnica de muro Trombe es para calentamiento, se obtuvieron ahorros desde 25.7% con la aplicación de cualquiera de las variaciones estudiadas (figura 5). Cabe mencionar que en este caso el efecto de masa térmica del muro Trombe la energía nocturna emitida por el muro negro y el vidrio contribuye a reducir los costos. La mejor opción de muro Trombe en el caso del periodo cálido fue la tipo 5, con ahorros del 27.89% respec- 4 palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204

13 ! figura 4. Costo y ahorro de energía por calentamiento. Fuente: elaboración propia a partir de resultados de Design Builder. to al caso base sin aislamiento, y de 9.63% en relación al caso base con aislamiento. Sobre la opción de muro Trombe tipo 4, se tuvieron ahorros en costo de energía de 25.74% con relación al caso base sin aislamiento, y de 7.23% respecto al caso base con aislamiento (figura 5). Conclusiones La estrategia de adecuación climática del muro Trombe fue diseñada para generar calentamiento pasivo, sin embargo, por ser una técnica de tipo permanente en la edificación fue necesario evaluar su potencial de uso en periodos que requieren enfriamiento. La simulación de comportamiento térmico muestra que en el periodo anual con el uso del muro Trombe es posible incrementar en 22 días el confort térmico en comparación con una vivienda que no utiliza ninguna estrategia de adecuación. Mientras que en el periodo frío los días con confort térmico son 23, comparados con el caso crítico, y en el periodo cálido sólo un día. El análisis por periodo muestra que la técnica de muro Trombe es 95.65% efectiva en el periodo frío y 4.35% en el cálido. Cabe mencionar que la diferencia entre el periodo figura 5. Costo y ahorro de energía por enfriamiento. Fuente: elaboración propia a partir de resultados de Design Builder. anual y la suma de los dos periodos se debe a los procesos de balance térmico al simular de forma total las 8 mil 760 horas del año, contra la duración de cada periodo. Los resultados sobre costo de energía por climatización artificial muestran un potencial anual de ahorro de 3 mil 2 pesos, comparado con la vivienda sin ninguna adecuación. En el periodo frío el ahorro es de mil 27 pesos, mientras que en el cálido es de mil 984 pesos. Se observa que en el periodo cálido el ahorro es mayor que en el frío debido a dos condicionantes: ) el efecto de masa térmica en periodo cálido del muro Trombe y 2) los bajos consumos por calentamiento convencional y bajos costos de energía de la red eléctrica. Si los costos de energía de invierno fueran similares a los del verano, se observaría un mayor ahorro; sin embargo, por ser una zona con temperaturas extremas, los precios de energía tienen mayor subsidio en periodo cálido y la reducción en el costo anual tiene menor impacto económico. La evaluación cuantitativa de estrategias de adecuación ambiental permite tener una estimación adecuada de los efectos del comportamiento térmico y de los costos energéticos que esta genera, para tener un ambiente térmico con condiciones adecuadas para el desarrollo de las actividades de los usuarios de un espacio. palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204 5

14 Agradecimientos Al proyecto «Evaluación energética de técnicas de adecuación pasiva para la envolvente de la vivienda de Mexicali, bc», decimocuarta convocatoria interna de apoyo a proyectos de investigación, Universidad Autónoma de Baja California a través de su Facultad de Arquitectura y Diseño. Bibliografía American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning Engineers (2009). ashrae Handbook of Fundamentals. Atlanta: ashrae. Auliciems, A. (98). Towards a psycho-physiological model of thermal perception, Int J of Biometeorology, 25, Comisión Nacional de Vivienda (2008). Programa Nacional de Vivienda : Hacia un desarrollo habitacional sustentable. Ciudad de México: Comisión Nacional de Vivienda. DesignBuilder (200). DesignBuilder EnergyPlus Simulation Documentation: for DesignBuilder v2.3. Recuperado el 20 de diciembre de 200, de Dimoudi, A. (2009). Solar Chimneys in Buildings-The State of the Art. En Santamouris M. (ed.) Advances in Building Energy Research, v. 3. Reino Unido-Estados Unidos: Earthscan. Fernández González, A. (2007). Analysis of the thermal performance and comfort conditions produced by five different passive solar heating strategies in the United States Midwest. Solar Energy, 8, Fuentes, V. (2007). Notas del Curso Arquitectura Bioclimática. Zacatecas: Asociación Nacional de Energía Solar-Universidad Autónoma de Zacatecas. Groat, L. y Wang, D. (2002). Architectural research methods. Nueva York: Jhon Wiley & Sons. International Organization for Standarization (2008). iso 3790: Energy performance of buildings-calculation of energy use for spaces heating and cooling. Ginebra: International Organization for Standarization. Jie, J. et al. (2007). Modeling of a novel Trombe wall with PV cells. Building and Environment, 42, Liébard, A. y De Herde, A. (2005). Traité d Architecture et d Urbanisme bioclimatiques, Concevoir, édifier et aménager avec le développement durable. París: Observatoire des Énergies Renouvelables. Luna, A. (2008). Diseño y evaluación de vivienda energéticamente sustentable. Tesis doctoral. Mexicali: Instituto de Ingeniería-Universidad Autónoma de Baja California. Monteiro, L. y Peinado, M. (2007). Empirical evaluation of outdoor thermal comfort models considering different microclimatic conditions. In 24th Conference on Passive and Low Energy Architecture ( ). Singapur: plea. Romero, R. et al. (20) Vivienda, usuario y confort térmico en la vivienda económica en México. En Anuario 200 Estudios de Arquitectura Bioclimática. México: Limusa,9-30. Ruiz-Pardo, A., Álvarez-Domínguez, S. y Sanz Fernández, J. (200). Revision of the Trombe wall calculation method proposed by une-en iso Energy and Buildings, 42, Seferis, P. (2008). Investigation of the ventilated wall. Tesis de posgrado. Glasgow: University of Strathclyde. Zhang, Y. et al. (2007). Application of latent heat thermal energy storage in buildings: State-of-the-art and Outlook. Building and Environment, 42, aníbal luna león Doctor en Ingeniería, profesor-investigador de la Facultad de Arquitectura y Diseño de la Universidad Autónoma de Baja California. Especialista en diseño bioclimático, simulación térmica y energías renovables. gonzalo bojórquez morales Doctor en Arquitectura, profesor-investigador de la Facultad de Arquitectura y Diseño de la Universidad Autónoma de Baja California. Especialista en confort térmico, monitoreo térmico y diseño bioclimático de exteriores. 6 palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204

15 ramona romero moreno Doctora en Arquitectura, profesora-investigadora de la Facultad de Arquitectura y Diseño de la Universidad Autónoma de Baja California. Especialista en diseño bioclimático y evaluación térmica de edificios. ricardo gallegos ortega Doctor en Ingeniería, profesor-investigador de la Facultad de Arquitectura y Diseño de la Universidad Autónoma de Baja California. Especialista en simulación térmica, monitoreo térmico y energías renovables. maría corral martínez Maestra en Arquitectura, profesora-investigadora de la Facultad de Arquitectura y Diseño de la Universidad Autónoma de Baja California. Especialista en diseño bioclimático arquitectónico y urbano. palapa vol. ii núm. [5] tercera época enero-junio de 204 7