Rol del profesional de la construcción en el diseño energético sustentable de edificios

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1 Rol del profesional de la construcción en el diseño energético sustentable de edificios Cecilia F. Martinez Centro de Estudios Energía y Medio Ambiente, IAA, Facultad de Arquitectura, Universidad Nacional de Tucumán. cfernandamartinez@yahoo.com.ar - RESUMEN: Se presentan estudios térmico-energético de la envolvente exterior en viviendas colectivas, construidas en San Miguel de Tucumán, zona de clima estival cálido-húmedo e inviernos atemperados. El objetivo es mostrar la influencia que tienen ciertas decisiones de diseño y materialidad, tomadas por los proyectistas, sobre el comportamiento energético de un edificio, y su adecuación o no a las Normas de habitabilidad interior. Se proponen modificaciones para mejorar el comportamiento termo-energético de la envolvente y se analizan los cambios y los beneficios obtenidos. Se utilizó un programa computacional para el cálculo del coeficiente de transmitancia térmica y planilla de cálculo para los balances energéticos de la envolvente exterior considerando un régimen periódico. Los resultados ponen de manifiesto la importancia que toman algunas decisiones de ingenieros y arquitectos al desarrollar un proyecto edilicio, las cuales pueden mejorar o no las condiciones de requerimiento energético para acondicionamiento artificial, y con ello aportar a la sustentabilidad en el área de la construcción. Área: Ciencias Aplicadas. Disciplina: Medio Ambiente. Subdisciplina: Medio Ambiente. 1 INTRODUCCION Los profesionales de la construcción, ingenieros y arquitectos, tienen un rol destacado en el nivel de consumo de energía, como consecuencia de las decisiones que se adoptan al encarar el proyecto y materialización de un edificio. Las condicionantes de diseño y la materialización de la envolvente exterior, determinan de forma fundamental el comportamiento termo-energético de un edificio, y con ello la mayor o menor necesidad de utilizar sistemas artificiales de acondicionamiento, que en la mayoría de los casos utilizan energía eléctrica (Martinez, 2004). Según datos de la Secretaría de Energía de la Nación, el sector residencial utiliza el 46,3% de la energía eléctrica en la Provincia, Tabla 1, siendo el de mayor crecimiento en el período , Tabla 2 (Secretaría, 2011). Tabla 1. Consumo de energía eléctrica en la Provincia por sector Consumo de energía eléctrica - Año 2010 (MWh) Total anual: Residencial ,30% Comercial ,70% Industrial ,30% Otros ,70% Tabla 2. Crecimiento porcentual según sector en el consumo de energía eléctrica Participación por sector sobre el total anual de consumo de energía eléctrica Año Residencial 29,58% 34,36% Comercial 17,70% 18,00% Industrial 41,58% 35,49% Otros 11,14% 12,15% Desde el punto de vista de la sustentabilidad, el sector de la producción de energía genera el 47% de las emisiones de CO 2, Fig.1. 44% 4% Producción nacional de CO2 5% 47% Energía Agricultura- Ganadería Procesos Industriales Residuos Figura 1. Participación porcentual por sector en la generación de CO2 anual

2 El consumo de energía per cápita, es responsable de más del 20% del CO 2 producido por el argentino medio, (SAyDS, 2008). Siendo así, la responsabilidad que les cabe a los profesionales del área de la construcción civil es de suma importancia, ya que sus decisiones condicionan, al definir las características de una obra, el comportamiento energético de la misma, y con ello su mayor o menor consumo de energía para acondicionamiento artificial. Diversos trabajos y estudios han demostrado la importancia que tienen las buenas decisiones en la reducción del consumo de energía (Di Bernardo y Perone, 1994; Picción, Echeverria y Girardín, 1998; Gonzalo et al, 2000; Marincic e Isalgue, 2000; Volantino y Echeuchory, 2002; Marincic, 2005). Decisiones tan simples como la orientación, la forma de agrupamiento o la elección de los materiales para la envolvente exterior, pueden generar ahorros energéticos significativos en el acondicionamiento artificial de espacios interiores, lo que, además de significar un ahorro monetario para los usuarios, también se refleja en un ahorro económico para la sociedad. Figura 3. Corte del prototipo seleccionado 2 CASO DE VIVIENDA EVALUADA Para realizar un estudio de condiciones higrotérmicas y energéticas en edificios de vivienda en San Miguel de Tucumán, se trabajo sobre un prototipo de vivienda colectiva de planta baja y dos pisos, usual en diversas obras del Instituto Provincial de la Vivienda (IPV), cuya envolvente se materializa con una tipología básica de cerramientos, de uso frecuente en nuestro medio, resuelta con muros de ladrillo cerámico hueco de 0,18 m, ambas caras revocadas, y estructura de HºAº, y cubierta de chapa, con cámara de aire y aislación de poliestireno expandido de espesor 2,5 cm, Fig. 2, 3 y 4. Figura 4. Vistas de viviendas colectivas tipo Figura 2. Planta tipo de vivienda seleccionada La zona de S.M. de Tucumán tiene un clima de veranos cálidos y húmedos, abundante lluvia y poca disponibilidad de viento. El período de invierno es frío y seco. Esta zona ubicada en la provincia de Tucumán, en el NO argentino, se

3 clasifica como Bioambiental II (Norma IRAM 11,603) y presenta un clima mixto, veranos con temperatura máxima media superior a los 32 C y HR media máxima de 85% e inviernos con temperatura media mínima de 6 C y HR media de 65%. Desde el aspecto bioclimático las principales estrategias de diseño son la reducción de ganancias y pérdidas de calor a través de la envolvente, la ventilación natural y la calefacción solar pasiva, Fig.5. máximos establecidos por Normas IRAM , para un nivel C de confort (nivel mínimo). - los elementos estructurales, en HºAº, no cumplen con los valores máximos establecidos para puentes térmicos. - en ningún caso los valores de K medio ponderado (KMP) llega a verificar, determinando esto que, el comportamiento energético global del cerramiento, no permita lograr ni siquiera las condiciones mínimas de habitabilidad interior. Con el valor de KMP se observa también la gran influencia que tienen las aberturas en el comportamiento global de un cerramiento, siendo que los valores más altos se presentan en los muros con ventanas, sobretodo en los muros 4 y 7, donde es predominante la superficie vidriada, observándose que en el caso del muro 7 el coeficiente KMP es un poca más del doble que el valor de K de muro. Tabla3. Valores de coeficiente de transmitancia térmica de cerramientos verticales San Miguel de Tucumán: Zona Bioclimática II B - Temp. Mínima diseño 2,2ºC K máximo admisible Normas IRAM Nivel C = verano: 1,80 - invierno: 1,85 Figura 5. Gráfico bioclimático de Olgyay y Exigencias bioclimáticas (Gonzalo, 2003) Tomando de referencia la vivienda del último piso, por lo cual los resultados son aplicables al caso de viviendas unifamiliares y otros edificios de similar magnitud, se realizaron las siguientes evaluaciones: - determinación del coeficiente de transmitancia térmica K para muros y cubierta, usando el programa de cálculo CEEMAKMP (Gonzalo, 2003). - balance térmico de las diferentes superficies componentes de la envolvente exterior, vertical y horizontal, por medio de planilla de cálculo para determinar la carga térmica total (Q) para un régimen periódico de 24 horas, según ecuación de flujo de calor de Koenisberger, (Koenisberger, 1997). Q = K * S * [(Tsam Ti) + ( µ x TsamØ - Tsam)] Los resultados muestran para el caso del coeficiente de transmitancia térmica K, Tabla 3: - en los muros solo las secciones compuestas por ladrillo hueco de 18 cm, verifican con los valores Valores K calculados N K K K K KMP Muro Muro Viga Columna Ventana Ver-Inv Muro 1 1,72 2,97 2,78 5** 2,42 Muro 2 1,72 2,97 2,78 1,95 5** Muro 3 1,72 2,97 2,78 2,85 5,82# Muro 4 2,64 2,97 5,82# 3,52 Muro 5 2,64 3,39 Muro 6 2,64 2,97 2,67 Muro 7 1,72 2,97 5** 3,49 Muro 8 1,72 2,97 2,78 1,97 ** ventana con protección - # ventana sin protección - En el caso de la cubierta los valores de K obtenidos son: verano 0,86 W/m²ºC e invierno 0,79 W/m²ºC, verificando solo con el valor máximo admisible para invierno en Nivel C (verano 0,72 W/m²ºC invierno 1,00 W/m²ºC). En la evaluación energética, determinando la carga térmica Q, los datos se determinaron para 4 situaciones básicas de orientación (N, S, E y O), ya que los conjuntos habitacionales se organizan en agrupamientos T de tres unidades, que se orientan en diversas formas, Fig. 6 y 7.

4 Carga Térmica Total Anual kwh , , , , Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Figura 3. Agrupamientos de viviendas Figura 5. Requerimiento energético de acondicionamiento artificial según orientación de la vivienda. Kwh Carga térmica anual 2891, ,83 0 Muros C1 Muros C2 Muros C3 Muros C4 Cubierta Figura 4. Organización y orientación de conjuntos habitacionales Los resultados obtenidos en la evaluación energética para acondicionamiento térmico, Fig. 5, muestran que para el caso 2, la vivienda orientada con su eje este-oeste y con el menor perímetro de frente hacia el norte, se presenta la menor necesidad energética. Esta diferencia en el requerimiento energético anual se logra solo con la decisión de orientación del edificio. Los casos 3 y 4 son los de mayor necesidad energética ya que la orientación este-oeste de los mayores muros no es lo más favorable. Se observa, en la Fig. 9, que los muros en el caso 2 presentan el menor requerimiento energético estacional, aunque en todos los casos de orientación resulta similar. Refrigeración Calefacción Figura 6. Requerimientos de energía para acondicionamiento estacional. En el caso de la cubierta es notable la diferencia entre calefacción y refrigeración, siendo el verano la situación crítica, quedando claro que es un elemento a tener muy en cuenta al momento de tomar las decisiones sobre su materialización. 3 PROPUESTA DE MODIFICACIONES Con los resultados de los análisis de comportamiento de la envolvente exterior, se definen dos puntos a tener en cuenta para plantear algunas modificaciones que permitan mejorar el comportamiento del mismo y así, reducir el gasto energético para acondicionamiento. a- Modificaciones de diseño b- Modificaciones de materialidad En cuanto a las modificaciones de diseño, es claro que resulta fundamental considerar adecuadamente la orientación del edificio y la forma de agrupamiento. Teniendo en cuenta esto se plantea como condicionante que: - la forma y orientación del edificio debe presentar sus

5 mayores superficies verticales al norte y al sur, con un eje longitudinal este-oeste; - el agrupamiento de unidades edilicias debe ser apareado por sus caras y no espejado, Fig. 10. Figura 12. Agrupamiento propuesto con viviendas apareadas Tabla 4. Valores de requerimiento energético de los casos propuestos Carga térmica kwh (muros + cubierta) Figura 10. Orientación y organización recomendadas Estas dos decisiones sobre el diseño, que no llevan costo monetario de construcción inicial, permiten aprovechar adecuadamente la ganancia de radiación invernal (frente N) y la ventilación estival (frente S). Si se compara la situación original, vivienda con todas sus caras expuestas (caso A) con las viviendas agrupadas propuestas (caso B y C), Fig. 11 y 12, vemos en Tabla 4 que los valores de requerimiento energético anual se reducen entre un 13% y un 26%. Figura 11. Agrupamiento original con vivienda de perímetro libre Agrupamiento Original Propuest o Viv. A Viv. B Viv. C Refrigera ción* Calefac ción** Anual 6269, , ,5 5460, , , , , ,14 * Oct-Nov-Dic-Ene-Feb-Mar ** Abr-May-Jun-Jul-Ago-Set Una de las condiciones que más influye en el comportamiento térmico de una envolvente esta determinada por los materiales que la componen. En este aspecto es fundamental el rol del profesional en las decisiones que toma en cuanto al tipo de muro y cubierta a usar, así como sobre los materiales para su resolución, teniendo en cuenta que, por los resultado ya vistos, la envolvente exterior de un edificio necesita presentar una adecuada resistencia al paso del calor, hecho relacionado también a la estrategia básica de la zona bioclimática, que plantea la necesidad de reducir tanto las ganancias como las pérdidas de calor a través de la envolvente. Teniendo estos conceptos presente es que se plantea para la modificación de los cerramientos exteriores, resolver la misma con sistemas constructivos que permitan alcanzar por lo menos un nivel B de confort según Norma IRAM Para ello se plante la resolución de muros dobles con aislación térmica, la cual cubrirá también la estructura, y se mantiene la cubierta liviana, pero aumentando el espesor de su aislación, Fig. 13.

6 Figura 13. Esquema de muro doble propuesto Para estos elementos se determina el coeficiente K y KMP. Como se observa en Tabla 5, los valores de transmitancia térmica para los elementos verticales propuestos verifican adecuadamente con el nivel B de confort, para ambas épocas del año. Tabla 5. Valores de transmitancia térmica para cerramientos verticales en el caso analizado K maximo admisible Nivel B Elemento Muro original Estruct. original Muro propuesto Estruct. propuesta K calculado Ver 1,10 Muro Inv 1,00 Pte. Térmico Ver 1,65 Inv 1,50 1,72 No No - - 2, No No 0,46 Si Si - - 0, Si Si En cuanto al valor de transmitancia media ponderada, se determinaron los mismos para los 8 cerramientos componentes de la envolvente. A modo de ejemplo podemos citar que para el caso del muro 8 y del muro 2, compuestos solo por muro y estructura, se puede ver, en Tabla 6, que el valor de KMP se reduce más del 76%, verificando holgadamente con el nivel B de confort. Tabla 6. Valores de transmitancia térmica media ponderada para cerramientos verticales analizados Elemento KMP K maximo adm. Verano 1,10 Invierno 1,00 Muro 8-2 original 1,98 N N Muro 8-2 propuesto 0,47 S S Muro 7 original 3,49 N N Muro 7 propuesto 2,71 N N En cuanto al muro 7, que presenta una amplia superficie vidriada, la reducción es solo del 22,35%, y no llega a verificar con nivel de Norma. En este caso se hace evidente la gran influencia que tienen las superficies transparentes en el comportamiento térmico global de un cerramiento, por lo cual para mejorar el mismo será necesario no solo considerar la composición del muro, sino también las características de las ventanas y/o puertas vidriadas, siendo necesario utilizar un sistema de doble vidriado hermético, con un valor de K no superior a 1,80 W/m²ºC. En cuanto a la cubierta, se mantiene el sistema liviano, ya que es el más adecuado por tener poca masa, por lo cual no acumula calor y responde con mayor rapidez a los cambios de temperatura exterior, enfriándose sin problema al dejar de recibir radiación solar directa. Este aspecto es de relevancia teniendo en cuenta los valores obtenidos anteriormente para la carga térmica de verano, Fig. 9, con lo que se puede apreciar claramente que este elemento resulta el más desfavorable al considerar el comportamiento energético global de la envolvente. Para mejorar la situación de la cubierta, tanto en verano, reduciendo la ganancia de calor, como en invierno, reduciendo la pérdida, se aumenta la aislación térmica de la misma de 2,5 cm a 7,5 cm, de poliestireno expandido, de densidad 20 Kg/m 3. Con esta simple modificación, que si bien implica aumentar el costo inicial de inversión, aunque no resulta porcentualmente significativo en el costo global de obra, se logra que el valor de transmitancia térmica verifique sin problema con el nivel B de Norma, tanto para verano como para invierno, Tabla 7. Tabla 7. Valores de transmitancia térmica para cubiertas analizadas Elemento Verano Invierno Verano 0,45 Cubierta original Cubierta propuesta K calculado K maximo adm. Invierno 0,83 0,89 0,95 N N 0,38 0,4 S S Otro aspecto que se pueden tener en cuenta para la reducción de la carga térmica en los edificios, en relación al comportamiento de su envolvente exterior es el color. Es sabido que los colores claros reflejan más radiación solar, y por consecuencia hacen que el elemento expuesto absorba menos calor. Tomando el caso de la vivienda origina (Fig. 11, caso A) y variando sólo el color superficial en la evaluación de carga térmica Q, vemos por lo

7 resultados de Tabla 8, que en el balance anual la carga térmica global se reduce un 19%. Sin embargo, el éxito de esta condición depende de que la superficie se mantenga de un color claro a lo largo de la vida útil del edificio, lo que, si bien no implica un costo adicional de construcción, si obliga a tener presente un efectivo plan de mantenimiento. Tabla 8. Variación de la carga térmica en relación al color de la superficie exterior Color oscuro (α 0,70) Color claro (α 0,30) Refrigeración * 6269, ,01 4 CONCLUSIONES Carga térmica kwh (muros + cubierta) Calefacción ** 3946,11 * Oct-Nov-Dic-Ene-Feb-Mar ** Abr-May-Jun-Jul-Ago-Set Anual 10215, , ,15 Es claro que hay aspectos de diseño que afectan el comportamiento termo-energético de los edificios, los que, por su simplicidad, no pueden ser desconocidos por los proyectistas responsables, no existiendo argumento válido para no considerarlos e implementarlos, puesto que son pautas cuya aplicación no conllevan necesariamente un aumento del costo de construcción. El hecho de que las envolventes edilicias se construyan térmicamente más eficientes no solo permitirá un ahorro en el costo de funcionamiento, sino que también proporcionará ambientes interiores más sanos, física y psicológicamente, con lo que se eleva el rendimiento personal y la eficiencia laboral, evitando el llamado Síndrome de Edificio Enfermo. Una envolvente exterior energéticamente eficiente también permite retrasar algunos problemas de deterioro que afectan a los cerramientos exteriores, exigiendo menores gastos de mantenimiento para las mismas. Así mismo implica la reducción de otros costos, no relacionados directamente con la obra, como por ejemplo la disminución en la inversión para la compra de artefactos de calefacción y refrigeración, ya que la mayor eficiencia térmica del cerramiento lleva a que se necesiten equipos de acondicionamiento artificial de menor capacidad o tamaño, además de permitir una mayor eficiencia en su funcionamiento y por ello alargando su vida útil. Es así que el incremento monetario necesario a hacer para construir envolventes edilicias con eficiencia térmico-energética, sea vivienda o no, debería ser considerado como una inversión a mediano y largo plazo, que siempre nos dará beneficios directa o indirectamente al contribuir a reducir el consumo de energía no renovables y realizar un uso más racional de lo que consumimos. 5 REFERENCIAS Di Bernardo E. y Perone D. Propuesta para la optimización energética en viviendas de interés social. Taller "Energía, Hábitat y Ambiente", XVII Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energía Solar. Rosario, Argentina, 11 al 15 de Octubre, Gonzalo G, Ledesma S, Nota V, Martinez C, Cisterna S, Quiñones G, Márquez G, Tortonese A, Garay A. Determinación y análisis de los requerimientos energéticos para el acondicionamiento térmico de un prototipo de vivienda ubicada en San Miguel de Tucumán. Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 4 N 1. pp ISSN Ed. Milor Gonzalo G. Manual de Arquitectura Bioclimática. Editorial Nobuko. Buenos Aires Koenisberger O. Viviendas y edificios en zonas cálidas y tropicales. Paraninfo, Madrid Martinez C. Evaluación cualitativa de condiciones ambientales de viviendas del IPV en S. M. de Tucumán. Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 8 N 1. pp ISSN Ed. Milor Marincic I e Isalgue A. Respuestas térmicas y su relación con la envolvente del edificio. Memorias ISES Millennium Solar Forum, pp México D.F Marincic I. Edificios educativos. Recomendaciones para mejorar su eficiencia energética. Setiembre Talleres Gráficos. Universidad de Sonora, México. ISBN Mascaró J.J y Mascaró L. Incidência das variâveis projectivas e de construção no consumo energético dos edificios, Capítulo V. SAGRA-DC LUZZATTO Editores Picción A., Echeverria C., Girardín M.G. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 2 N 1, pp ISSN Revista de la Asociación de Energías Renovables y Medio Ambiente SAyDS. Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable. La huella de carbono del argentino promedio

8 e/030608_metodologia_huella_carbono.pdf Secretaría. Secretaría de Energía de la Nación. Informe quinquenal del consumo del sector eléctrico Dirección Nacional de Prospectiva Volantino y Echeuchory. Evaluación del comportamiento de muros en función de su absortancia solar. Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol.6, Octubre 2002, pp a ISSN Ed. Milor.2002.