Redalyc. Herrera Sosa, Luis Carlos; Gómez-Azpeitia, Gabriel

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1 Redalyc Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Herrera Sosa, Luis Carlos; Gómez-Azpeitia, Gabriel Estrategias bioclimáticas y ahorro en equipos de enfriamiento evaporativo directo Palapa, vol. III, octubre, 008, pp Universidad de Colima México Disponible en: Palapa ISSN (Versión impresa): palapa@ucol.mx Universidad de Colima México Cómo citar? Número completo Más información del artículo Página de la revista Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

2 Palapa issn: Vol. 1ii Núm. especial pp Octubre de 008 INVESTIGACIÓN RESEARCH Estrategias bioclimáticas y ahorro en equipos de enfriamiento evaporativo directo Bioclimatic strategies and water saving in direct evaporative cooling equipment Luis Carlos Herrera Sosa 1 y Gabriel Gómez-Azpeitia Recibido: 13/0/08, 05/08/08 Dictaminado: 07/04/08, 1/04/08 Aceptado: 07/08/08 Resumen Este trabajo presenta los resultados del ahorro, logrados mediante la aplicación en viviendas de interés social de cuatro estrategias bioclimáticas: aislamiento en cubierta y en equipo de enfriamiento, protección solar en ventanas, masa térmica en muros y enfriamiento convectivo nocturno. Las casas se ubican en la ciudad de Chihuahua, México, donde se recurre al enfriamiento evaporativo directo por lo menos durante cinco meses al año. Desafortunadamente las lluvias son escasas y los periodos de sequía frecuentes, lo que obliga al racionamiento del agua. Así, el líquido disponible se utiliza en muchos casos sólo para la operación del enfriador. La eficiencia en el consumo de agua de cada estrategia aplicada se calculó relacionando el agua que consume el equipo de enfriamiento evaporativo directo con la reducción de temperaturas internas logradas hora por hora. Para ello se propone un parámetro de medición llamado Evaporación por trabajo, medido en litros por grados Celsius. Con las estrategias bioclimáticas aplicadas se lograron ahorros de entre 7 y 47 por ciento. Los resultados exhiben la urgente necesidad de evaluar la eficiencia de los edificios con parámetros hídricos y de generar normas oficiales para el consumo de los equipos de enfriamiento evaporativo directo. Abstract This paper presents the results of water conservation in low income houses in which four bioclimatic cooling strategies were used: insulation on roofs and cooling equipment, shading devices on windows, thermal mass walls and nocturnal convective cooling. The houses are located in Chihuahua, Mexico, where electrical evaporative cooling devices are widely used to lower hot summer temperatures. These devices operate demanding high amounts of energy and water for at least five months of every year. Since contemporary local architecture is usually designed without taking into account passive or low energy cooling mechanisms, water consumption for cooling purposes heavily taxes the limited city reserves and the daily share of water allocated to each home. The efficiency in water consumption for each of the strategies applied was calculated by relating the volume of water used by the devices and the reduction of temperatures that was reached on an hourly basis. In order to do this, a measurement parameter is proposed, called Working Evaporation and measured in liters / degrees in Celsius. The results showed water savings from 7 to 47, depending on the strategy. This confirms the need to evaluate the efficiency of cooling systems in buildings using water consumption as a parameter, and to generate regulations related to the consumption of water in the use of evaporative cooling equipment. 1 moreguachi@gmail.com ISTHMUS Norte ggomez@ucol.mx Universidad de Colima, Facultad de Arquitectura y Diseño PALABRAS CLAVE enfriamiento evaporativo, ahorro, estrategias bioclimáticas. KEYWORDS evaporative cooling, water savings, bioclimatic strategies. Revista de Investigación Científica en Arquitectura Journal of Scientific Research in Architecture 55

3 Herrera, L.C. y Gómez-Azpeitia, G. Estrategias bioclimáticas y ahorro en equipos de enfriamiento evaporativo directo Introducción La ciudad de Chihuahua se localiza a 8º latitud norte, 106º longitud oeste y a mil 43 metros sobre el nivel del mar. Su clima se considera cálido seco extremoso con lluvias escasas y periodos recurrentes de sequía. La estación de verano tiene una duración de cinco meses en promedio. Las temperaturas presentan máximas promedio de 3 C, con extremas de hasta 41.3 ºC y con una oscilación térmica de 14.5 ºC. El promedio de humedades relativas mínimas es de 14 y se presenta una precipitación pluvial de milímetros (tabla 1). TABLA 1 Datos meteorológicos de verano. cna, Chihuahua (Herrera, 001). Parámetro bioclimático Promedio Temperatura promedio 4.7 C Temperatura máxima 3.0 C Temperatura máxima extrema 41.3 C Temperatura mínima 17.5 C Temperatura mínima extrema 4.5 C Oscilación de temperatura 14.5 C Humedad relativa promedio 5.80 Humedad relativa mínima Humedad relativa máxima Precipitación total mm Dirección del viento Noreste Velocidad del viento.6m/s Las altas temperaturas y, en muchos de los casos, la inadecuada respuesta de la arquitectura, obliga a que durante la época de calor los habitantes resuelvan los problemas de climatización de los edificios con el uso continuo de equipos de enfriamiento, por lo regular evaporativo, que requiere de energía eléctrica y agua para funcionar. Los altos consumos de energía de estos equipos han originado tensión socioeconómica y una atención especial de las autoridades. Sin embargo, el alto consumo necesario para su operación ha sido ignorado. El agua empleada en estos equipos depende de su capacidad y del clima de la localidad donde son instalados. En Chihuahua los equipos de enfriamiento evaporativo de uso más común tienen capacidades de tres mil a 5 mil PCM y pueden consumir de seis a 45 litros por hora de funcionamiento (impco, 000). El problema de este alto consumo se agrava en Chihuahua, pues las autoridades imponen un programa de racionamiento durante el periodo de calor, proveyendo agua solamente de cuatro a seis horas al día, por lo que el uso de tanques de almacenamiento es imprescindible. Desafortunadamente el agua que requieren los equipos de enfriamiento evaporativo directo origina que en muchos casos el almacenamiento sólo alcance para hacerlos funcionar. Esta situación afecta a cada familia y genera conflictos tanto ambiental como sociales (Herrera y Gómez-Azpeitia, 006). El alto consumo de estos equipos debe interpretarse como una llamada urgente para atender este problema por medio de la aplicación de criterios bioclimáticos, pues con mejores condiciones en los edificios puede esperarse un menor consumo. Sin embargo en las condiciones actuales, con un ineficiente comportamiento térmico, el desperdicio es muy grande. Por ello la presente investigación se planteó los objetivos siguientes: Evaluar la relación entre el desempeño térmico del edificio y el consumo utilizado por el equipo de enfriamiento evaporativo directo. Determinar qué cantidad se puede ahorrar con diferentes estrategias bioclimáticas aplicadas en el diseño de los edificios. Determinar cuáles estrategias bioclimáticas son más eficientes para reducir el uso exagerado de estos equipos y por ende reducir el consumo. Establecer parámetros útiles para medir la eficiencia del desempeño térmico de los edificios, en función de la variable del consumo por equipos de enfriamiento evaporativo directo. Materiales y método El trabajo de investigación se realizó de junio a agosto de 007 en cinco viviendas sin ocupar, facilitadas por el Instituto de Vivienda de Chihuahua. Las viviendas de estudio tienen 3.76 metros cuadrados de construcción, con la misma orientación y condiciones de ubicación en el fraccionamiento. acceso usos múltiples baño FIGURA 1 planta arquitectónica de las viviendas estudiadas (Instituto de la Vivienda de Chihuahua). 56 Palapa Vol. 1ii Núm. especial Octubre de 008

4 Herrera, L.C. y Gómez-Azpeitia, G. Estrategias bioclimáticas y ahorro en equipos de enfriamiento evaporativo directo Se eligieron estas viviendas para tener unas condiciones lo más parecidas posible al funcionamiento ordinario de los equipos de enfriamiento evaporativo directo. Estas viviendas se construyen masivamente en todo el país y se estima que en los últimos tres años se han construido en el estado de Chihuahua poco más de 170 mil casas de este tipo. Su sistema constructivo es a base de muros de block de concreto hueco de 1 por 0 por 40 centímetros, losa de 1 centímetros de concreto aligerado con casetón de poliestireno, ventanas de vidrio sencillo de cuatro milímetros y manguetería de aluminio, puerta exterior de multipanel y color exterior blanco (figura ). En cada casa se instaló un equipo de enfriamiento evaporativo Lennomex de tres mil 800 pcm. (L.V.-38-), un medidor Altair clase C, un termostato marca Dial para control de encendido y apagado automático de los equipos, y un data logger Onset tipo Hobo U1 para registrar temperatura y humedad relativa. Al interior de los equipos de enfriamiento evaporativo se colocó un data logger Onset Hobo H08 para registrar temperatura y humedad relativa (figura 3). En el exterior de las casas se colocó un data logger Onset Hobo H3 para registrar la temperatura y humedad relativa del exterior. Antes de iniciar con el trabajo de campo se calibraron los equipos de medición, los termostatos de control de encendido y apagado de los equipos de enfriamiento y las casas de estudio (figura 4). En esta fase se encontró que el consumo promedio de los equipos de enfriamiento evaporativo empleados es de 18 litros en promedio, cincuenta por ciento más de lo estimado por los proveedores. FIGURA 4 equipo de registro de temperatura y humedad relativa. Posteriormente se aplicaron estrategias de bioclimatización pasiva en las casas de estudio y en los equipos de enfriamiento evaporativo directo. Las estrategias aplicadas fueron las siguientes: Casa C1. Sin tratamiento, fungió como testigo (figura 5). FIGURA casas de estudio. FIGURA 3 sistema de medición del consumo. 3 Todas las fotos fueron tomadas por Luis C. Herrera. FIGURA 5 casa testigo, sin tratamiento. Casa C. Aislamiento del equipo de enfriamiento evaporativo con fibra de vidrio y papel aluminio (figura 6). Palapa Vol. 1ii Núm. especial Octubre de

5 Herrera, L.C. y Gómez-Azpeitia, G. Estrategias bioclimáticas y ahorro en equipos de enfriamiento evaporativo directo Casa C5. Masa térmica en muros mediante el relleno de los blocks huecos con arena (figura 9). FIGURA 6 aislamiento en equipo de enfriamiento. Casa C3. Protección solar en ventanas, con aleros y quiebrasoles (figura 7). FIGURA 9 masa térmica en muros. Tanto el acopio de datos del consumo como el registro de temperatura y humedad relativa se realizó hora por hora, mediante la lectura directa de los medidores y el registro de los parámetros climáticos mediante los data loggers, respectivamente. El procedimiento para determinar el gasto de evaporación por trabajo promedio de cada una de las estrategias aplicadas fue el siguiente (figura 10): FIGURA 7 protección solar en ventanas. Casa C4. Aislamiento adicional en cubierta consistente en una placa rígida de polisocianurato de una pulgada, sin pintar (figura 8). FIGURA 10 determinación de eficiencia de las estrategias (elaborada por Luis C. Herrera). FIGURA 8 aislamiento adicional en cubierta. 1. Se obtuvo el área de trabajo por hora del equipo con la ecuación siguiente: A w ( To Ti ) + ( To ) 1 1 Ti = (1) 58 Palapa Vol. 1ii Núm. especial Octubre de 008

6 Herrera, L.C. y Gómez-Azpeitia, G. Estrategias bioclimáticas y ahorro en equipos de enfriamiento evaporativo directo A w = área de trabajo en C/hr To 1 = temperatura exterior inicial Ti 1 = temperatura interior inicial To = temperatura exterior final Ti = temperatura interior final. Se obtuvo el volumen de evaporación en ese mismo periodo con la ecuación siguiente: C 1 + C A c = () A c = área de consumo o evaporación en lt/hr C 1 = consumo al inicio C = consumo al final 3. Se obtuvo el volumen de evaporación por trabajo promedio horario de la estrategia al dividir el área de consumo entre el área de trabajo: A c G hr = (3) G hr = evaporación por trabajo en lt/ºc 4. Finalmente se obtuvo el volumen de evaporación por trabajo promedio de la estrategia durante todo el periodo de investigación, mediante el promedio de los volúmenes horarios, también en litros por grados Celsius. El experimento se organizó en cuatro pruebas con una duración de entre dos y cinco días cada una. En la primera, del al 6 de julio, se midió el desempeño de las casas con las estrategias originalmente planteadas. En la segunda, del 9 y 10 de julio, se le agregó un dispositivo de protección solar al equipo de enfriamiento en la casa C que ya había sido aislado con fibra de vidrio y papel aluminio. En la tercera prueba, del 11 al 15 de julio, se aplicó enfriamiento convectivo nocturno a todas las casas, lo cual consistió en abrir las ventanas por la noche y cerrarlas durante el día. En la última prueba, del 19 al 1 de julio de 007, se mantuvo la estrategia de enfriamiento convectivo sólo en la casa C5, provista de masa térmica (tabla ). Resultados Prueba 1 Los resultados obtenidos en este experimento muestran que la estrategia aplicada más eficiente fue la C4, con aislamiento adicional en cubierta, donde se ahorró 3.6 por ciento ; le siguen con.4 por ciento la casa C4, consistente en aislamiento en equipo de enfriamiento; la A w casa C5, con masa térmica, 1.7 por ciento, y al final la casa C3, con protección solar en ventanas, 14.4 por ciento (tabla 3). Todas las estrategias permitieron un ahorro. TABLA Pruebas en la investigación de campo, de acuerdo con las estrategias aplicadas. Prueba de julio a 6 de julio 9 de julio a 10 de julio 11 de julio a 15 de julio 19 de julio a 1 de julio Casa C1 ST ST VN ST C AE AE+PC AE+PC+VN AE+PC C3 PSV PSV PSV+VN PSV C4 AC AC AC+VN AC C5 MT MT MT+VN MT+VN ST Sin tratamiento AE Equipo de enfriamiento evaporativo aislado PSV Protección solar en ventanas AC Aislamiento adicional en cubierta MT Masa térmica en muros PC Protección solar en equipo de enfriamiento VN Ventilación nocturna TABLA 3 Eficiencia de las estrategias aplicadas en la prueba 1. ST AE PSV AC MT PC VN Estrategias ejecutadas Gasto de trabajo promedio Lt/ ºC Consumo Ahorro C1-ST C-AE C3-PSV C4-AC C5-MT Sin tratamiento Equipo de enfriamiento evaporativo aislado Protección solar en ventanas Aislamiento adicional en cubierta Masa térmica en muros Protección solar en equipo de enfriamiento Ventilación nocturna Prueba En este experimento la casa C3, con protección solar en ventanas, obtuvo el mayor ahorro : 36.7 por ciento; le siguen las casas CB y C4, ambas con 3. por ciento. A pesar de que el equipo de enfriamiento evaporativo trabajó en mejores condiciones de sombreado al adicionarle protección solar, no mejoró su eficiencia de manera significativa. La casa C5, provista de masa térmica, presentó el rendimiento más deficiente: 7.4 por ciento de ahorro (tabla 4). Estos resultados se deben a tres factores principalmente: La orientación de las ventanas principales al sur-poniente hace que la radiación solar penetre muy profundo al interior, por lo que los dispositivos de sombreado resultaron de gran eficiencia. Palapa Vol. 1ii Núm. especial Octubre de

7 Herrera, L.C. y Gómez-Azpeitia, G. Estrategias bioclimáticas y ahorro en equipos de enfriamiento evaporativo directo Las superficies de la envolvente de estas viviendas tienen más metros cuadrados de muro expuestos que de cubierta, por lo que dispositivos que ayudan a sombrear los paramentos verticales resultan más significativos. El sistema constructivo de todas las cubiertas incluye el aislamiento térmico que le proporcionan los casetones de poliestireno, por lo que la reducción en términos de ganancia solar por muros en la vivienda C3 resultó más eficiente. TABLA 4 Eficiencia de las estrategias aplicadas en la prueba. Estrategias ejecutadas Gasto de trabajo promedio Lt/ ºC Consumo Ahorro C1B-ST+VN CC-AE+PC+VN C3B-PSV+VN C4B-AC+VN C5B-MT+VN ST AE PSV AC MT PC VN Sin tratamiento Equipo de enfriamiento evaporativo aislado Protección solar en ventanas Aislamiento adicional en cubierta Masa térmica en muros Protección solar en equipo de enfriamiento Ventilación nocturna La casa C5, provista de masa térmica en muros, no presentó un buen comportamiento debido a que el espesor se mantuvo en 1 centímetros; aunque se agregó tierra en los huecos, el efecto resultante fue de acumulación de calor en el interior de la vivienda, pues el reducido espesor no propició un amortiguamiento suficiente. De acuerdo con Givoni (1977), al no ventilarse la vivienda por la noche, no hay manera de disipar ese calor almacenado. Prueba 3 En este experimento todas las viviendas, incluyendo la testigo, fueron sometidas a enfriamiento convectivo nocturno. Los resultados muestran que la casa C3 continuó como la de mejor comportamiento, con un 47. por ciento. La casa C5, provista de masa térmica, ya no presentó el rendimiento más bajo: mejoró notablemente respecto a la prueba anterior en que no se propició la ventilación nocturna; su ahorro fue de 1.3 por ciento. La casa C4 no presenta, como se esperaba, el mejor rendimiento, sin embargo mejoró en comparación con otros experimentos. Por su parte, la casa C es la única que tiene una estrategia no arquitectónica y la que presenta el rendimiento menor: 16.9 por ciento de ahorro (tabla 5). Prueba 4 Como consecuencia de los resultados de la prueba anterior, se decidió mantener el enfriamiento convectivo nocturno sólo en la casa C5, provista de masa térmica en muros, para descubrir si de esa forma obtenía un mejor desempeño en relación con las otras casas, que no contaron con ventilación nocturna. TABLA 5 Eficiencia de las estrategias aplicadas en la prueba 3. ST AE PSV AC MT PC VN Estrategias ejecutadas Gasto de trabajo promedio Lt/ ºC Consumo Ahorro C1-ST CB-AE+A C3-PSV C4-AC C5-MT Sin tratamiento Equipo de enfriamiento evaporativo aislado Protección solar en ventanas Aislamiento adicional en cubierta Masa térmica en muros Protección solar en equipo de enfriamiento Ventilación nocturna Los resultados colocaron de nuevo a la casa C3 con el mayor porcentaje de ahorro, con 43 por ciento, le sigue la casa C4 con 8.6 por ciento y la casa C, con 4 por ciento. La casa C4, con aislamiento adicional en cubierta, disminuyó la eficiencia alcanzada con la ventilación nocturna. En el caso de la estrategia de la casa C5, con masa térmica que continuó con la ventilación nocturna, volvió a presentar el rendimiento más bajo del grupo con 16.9 por ciento, aunque mejoró respecto a lo alcanzado sin ventilación nocturna (tabla 6). Conclusiones El uso de equipos de enfriamiento evaporativo directo implica un alto consumo. Según los datos obtenidos en la fase de calibración, su consumo está 50 por ciento encima de lo que los proveedores indican para la zona, que es de entre ocho y 10 litros por hora (impco, 000). Además habría que considerar fugas y otros desperfectos, que pueden incrementar el consumo en 0 por ciento. Lo anterior, así como el ahorro originado por el aislamiento del equipo de enfriamiento evaporativo, denota la necesidad de que este tipo de dispositivos se ciñan a una regulación más estricta en su manufactura y funcionamiento. Normar no sólo los componentes eléctricos sino también el consumo es una tarea impostergable. Mejorar el comportamiento térmico de la envolvente contribuye significativamente a disminuir el consumo de 60 Palapa Vol. 1ii Núm. especial Octubre de 008

8 Herrera, L.C. y Gómez-Azpeitia, G. Estrategias bioclimáticas y ahorro en equipos de enfriamiento evaporativo directo TABLA 6 Eficiencia de las estrategias aplicadas en la prueba 4. ST AE PSV AC MT PC VN Estrategias ejecutadas Gasto de trabajo promedio Lt/ ºC Consumo Ahorro C1-ST CB-AE+PC C3-PSV C4-AC C5B-MT+VN Sin tratamiento Equipo de enfriamiento evaporativo aislado Protección solar en ventanas Aislamiento adicional en cubierta Masa térmica en muros Protección solar en equipo de enfriamiento Ventilación nocturna agua de los equipos de enfriamiento evaporativo directo. De hecho todas las estrategias de climatización pasiva probadas lograron ahorrar agua con respecto a la casa testigo. La protección solar en ventanas resultó la estrategia más eficiente debido a las condiciones adversas de orientación en las que se encuentran las viviendas estudiadas. Sin embargo el enfriamiento convectivo nocturno resultó ser una estrategia de climatización fundamental para este tipo de climas. La evaluación de estrategias bioclimáticas aplicadas en los edificios suelen relacionarse por lo regular con la ganancia o pérdida de calor, o bien con el consumo de energía eléctrica utilizada para operar los equipos de climatización artificial. Sin embargo esta investigación explora la posibilidad de evaluar esas mismas estrategias con respecto al consumo, por lo que este punto representa un análisis complementario imprescindible. Agradecimientos Al Instituto de Vivienda de Chihuahua, en especial a su director, el arquitecto Antonio Peña Martínez, y al ingeniero Gabriel Valdez Venzor, por haber facilitado las casas que sirvieron para el estudio, así como los equipos de enfriamiento evaporativo instalados en ellas. Bibliografía cna. Estación meteorológica de Chihuahua. Recopilado en abril de 001. Givoni, B. (1977), Heat transformer in buildings. Ber Sheva, Israel: Institute for Desert Research, Ben Gurion University. Herrera, L. (001). Arquitectura: una nueva relación con el contexto. Recomendaciones bioclimáticas para el mejoramiento del confort térmico para Chihuahua. Tesis de maestría. Colima: Universidad de Colima. y Gómez-Azpeitia, G. (006). Impact on water consumption by cooling equipment in arid region of Mexico. Ginebra: plea 006 Proceedings, II, impco. (000). Tomado de 31/03/00. LUIS CARLOS HERRERA SOSA arquitecto por la Escuela de Arquitectura de Chihuahua y maestro en Arquitectura Bioclimática por la Escuela de Arquitectura de América Latina y el Caribe isthmus y la Universidad de Colima. Alumno del sexto semestre del Programa Interinstitucional de Doctorado en Arquitectura (pida), inscrito en la Universidad de Colima. Líneas de investigación: evaluación del desempeño bioclimático de los edificios y comportamiento térmico de materiales. GABRIEL GÓMEZ-AZPEITIA doctor en arquitectura por la unam. Profesor e investigador de la Universidad de Colima y coordinador editorial de la revista PALAPA, es especialista en arquitectura bioclimática. Líneas de investigación: habitabilidad del espacio arquitectónico y desarrollo de tecnologías apropiadas. Palapa Vol. 1ii Núm. especial Octubre de