BIOCLIMA: PROGRAMA DE ORDENADOR PARA EVALUAR EL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UN ALOJAMIENTO PECUARIO 1

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1 BIOCLIMA: PROGRAMA DE ORDENADOR PARA EVALUAR EL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UN ALOJAMIENTO PECUARIO 1 Carlos Andrés Saltarén*; Edward Montaño**; Luis Octavio González Salcedo***. * Ingeniero Agrícola; Microsoft Certified Professional, Sistemas Informáticos. casg7@yahoo.com ** Ingeniero Agrícola. *** Ingeniero Civil, MSc., Profesor Asistente, Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira. Miembro Grupo GEAL. octavilento@yahoo.es Un programa denominado BIOCLIMA, fue desarrollado en Visual Basic 6.0, con el objetivo de evaluar el comportamiento térmico de un alojamiento pecuario, considerando criterios de diseño bioclimático. Está conformado por tres módulos que le permiten al usuario realizar una caracterización del alojamiento (de opciones, de transferencia, y de ventilación), uno de resultados (gráfico) y uno de personalización y ayudas (de adicionales). El programa clasifica el alojamiento pecuario, y estudia su ubicación, entorno, forma y piel; analiza la transferencia de temperatura a través de los elementos constructivos; relaciona la especie pecuaria con los elementos de ventilación; y muestra un resultado gráfico del comportamiento de la temperatura durante 24 horas, y su posición con respecto al rango óptimo. Palabras claves: Diseño bioclimático; climatización de alojamientos pecuarios; aprovechamiento pasivo de la energía solar; Comportamiento térmico; Transferencia de calor; Métodos numéricos; Programación. 1 Trabajo de grado (Ingeniero Agrícola), Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira (SALTAREN y MONTAÑO, 2003).

2 INTRODUCCION Cada día las acciones humanas se convierten en esquemas más eficientes, con la finalidad de ahorrar gastos económicos y humanos en todas las labores que conllevan una producción a escala. Las construcciones pecuarias, obedecen a esquemas previamente diseñados, los cuales, permiten una implementación acorde con las necesidades, pero no siempre cumplen con el objetivo para el cual fueron diseñadas; esto debido a los múltiples factores que afectan a la instalación y que a su vez impiden que esta posea las características de confort necesarias para cumplir su labor. Según RANGEL, 1992, los principales factores que afectan la ubicación y conformación de las construcciones son: topografía, servicios, vientos, iluminación solar, tamaño, economía y forma; Estos factores limitan a la estructura de forma tal, que pueden definir si es viable o no su implementación. Sin embargo, para prediseño no siempre ofrecen la facilidad de conocerlos, debido a sus características no estacionarias que impiden la predicción de su comportamiento. La utilización de modelos de simulación diseñados en plataformas computacionales, realizan cálculos complejos y permiten un conocimiento previo de la forma como afectan los factores externos e internos al alojamiento pecuario. Según ESPAÑA, 1983, el proceso de planificación orientado a la construcción, debe sustentarse primordialmente en el conocimiento del clima, para luego pasar a la adaptación de la edificación mediante el trazo, proporciones y forma, el correcto y racional uso de los materiales, vegetación, etc., factores que si son puestos en práctica, caracterizarán los recintos habitacionales, dando así respuesta a las necesidades manifestadas por el clima. De acuerdo con la necesidad de conseguir la máxima eficiencia en los alojamientos pecuarios, se expone la arquitectura bioclimática, la cuál representa un esfuerzo para acomodar los conceptos arquitectónicos y de energía de una forma racional (SIERRA, 1989). Mediante un diseño bioclimático, se espera alcanzar el bienestar térmico de sus habitantes, el cual se produce cuando en el punto en el cual se requiere el mínimo consumo y desgaste de energía, siendo necesario condiciones climáticas que propicien la reducción al mínimo de trabajo del sistema termorregulador del organismo (BORRERO, 1990). Una edificación puede ser concebida como un componente de un sistema natural o ecosistema, que mantiene complejas relaciones energéticas con el medio que lo rodea; en esta aproximación cabe señalar, en primer lugar, cuales son las energías que desde el entorno penetran en el edificio. Existen dos principalmente: Las energías que se encuentran en estado libre en el medio natural (asoleo, viento, etc.) y las energías que llegan transformadas por la acción del hombre (electricidad, combustibles, etc., como se muestra en la figura 1. Ambos tipos de energías penetran en el edificio, se producen pérdidas y el remanente de las mismas tiende a incrementar el estado energético del edificio. Por otro lado el edificio tiene pérdidas energéticas hacia el exterior, que se producen básicamente a través de su piel, las cuales pueden ser de tipo térmico o radiante, o de tipo higrotérmico, en los cambios de aire con el exterior (SIERRA, 1989).

3 Figura 1: Energías incidentes en un edificio. El equilibrio que se produce entre la energía ganada y perdida por el edificio en relación acumuladora, será la que determine en cada momento su estado de energía interior, que se mide a partir de su temperatura resultante, indicador del grado de comodidad de la estructura para sus ocupantes (SIERRA, 1989). La temperatura interior de los alojamientos pecuarios, están influidas por el ambiente externo, por la cubierta, por la ubicación y presencia de estructuras adyacentes a él (CASTRILLON y PERLAZA, 2000). En este sentido, resulta interesante analizar la piel del edificio, formada por un conjunto de barreras y conectores energéticos entre el exterior y el interior (figura 2); la calidad ambiental y energética de una determinada arquitectura dependerá de la habilidad con que se hayan dispuesto en su piel estás barreras y conectores. Un animal intercambia energía con su medio a través de: radiación, convección, conducción, evaporación y metabolismo (figura 3). Las corrientes de energía que llegan y salen de un organismo son muchas y caracterizan la interacción directa de un animal, con su medio; para que un animal sobreviva durante un largo periodo de tiempo en un medio dado, la ganancia de energía debe ser igual a la pérdida de la misma; este balance energético de un animal se expresa como (HAFEZ, 1973): radiación absorbida radiación emitida ± convección ± conducción ± evaporación ± calor metabólico = 0, donde los símbolos positivos, representan ganancia de energía y los negativos pérdida. La productividad de los animales se afecta tanto directa como indirectamente por el medio climático: la temperatura, la humedad, el desplazamiento del aire, la radiación solar, la presión barométrica y la precipitación pluvial; en todas las especies el crecimiento cesa a temperaturas límite, bajas o altas en las que es imposible la supervivencia (HAFEZ, 1973). También existen factores extraclimáticos que influyen en

4 la comodidad de un alojamiento: condiciones auditivas, visuales, olfativas, etc., al igual que factores sicológicos (REQUENA, 1988). Figura 2: Análisis gráfico del funcionamiento energético de un edificio. Figura 3: Las corrientes de energía fluyen desde y hacia el organismo de un animal en su ambiente natural. La capacidad de un elemento constructivo para transmitir el calor se mide por el coeficiente de conductividad (λ) que expresa la cantidad de calor que atraviesa una capa del material considerado (espesor y superficie), durante un tiempo, cuando la diferencia de temperatura entre ambas caras es de 1 C. El coeficiente total de

5 transmisión calorífica (K) expresa la cantidad de calor que atraviesa una superficie considerada, durante un tiempo, cuando la diferencia de temperatura entre la cara caliente y la cara fría es de un grado centígrado. La pérdida de calor (Q) o transmisión total a través de un elemento constructivo viene dada por: Q = K x S x T (1) Donde, S es la superficie total del elemento constructivo, T es la diferencia de temperatura entre la cara caliente y la cara fría. La pérdida total de calor en un edificio es la suma de las pérdidas a través de muros, cubierta, suelo, puertas y ventanas. Según MONDELO et al, 2000, el balance térmico para un individuo viene dado por: energía calórica producida por el organismo, trabajo mecánico desarrollado, intercambio de calor por radiación, intercambio de calor por convección, pérdida del calor por evaporación del sudor, intercambio de calor por convección respiratoria, intercambio de calor por evaporación respiratoria, pérdida de calor por difusión del vapor, intercambio de calor por conducción, conducción a través de la piel, ganancia o pérdida del calor por el cuerpo. MÉTODOS Y MATERIALES El programa fue desarrollado con lenguaje de programación usando programación estructurada. Como herramientas de hardware y software se dispuso de computador personal, Microsoft Windows 98, Microsoft Visual Basic 6.0, Microsoft Office, papel e impresora. El problema de programación se definió considerando los siguientes pasos: estudio de viabilidad, análisis estructurado, diseño del sistema, diseño detallado, aplicación y mantenimiento. El cuadro 1, muestra las fases para el desarrollo del programa. Cuadro 1: Fases para el desarrollo del programa. Fase Cuestión clave Criterio de finalización Definición del problema Cuál es el problema? Establecimientos del alcance y objetivos Estudio de viabilidad Existe una solución viable? Análisis preliminares del costo beneficio; alcance y objetivos del sistema. Análisis Qué se debe hacer para solucionar el problema? Diseño del sistema Diseño detallado En general Cómo se debería resolver el problema? Cómo se debe concretamente aplicar el sistema? Modelo lógico del sistema; diagrama de flujo de datos; diccionario de datos; algoritmos. Soluciones alternativas; diagramas de flujo del sistema; análisis costo beneficio. Especificaciones de aplicación; seudo código; especificaciones de hardware; estimación del costo; plan de pruebas; preliminar; calendario de la aplicación. Implementación Realización Programas; código; documentación; hardware; procedimiento de utilización; procedimiento de seguridad; procedimiento de auditoria; plan de pruebas; prueba formal del sistema. Mantenimiento Modificación del sistema cuando sea necesario Continuación del mantenimiento.

6 El programa se conformó con tres módulos, que se interrelacionan para efectuar la labor de análisis de temperaturas. El módulo de opciones (figura 3), corresponde a las constantes estructurales y de ambiente, que el usuario debe seleccionar. El módulo de transferencias (figura 4) permite calcular la transferencia de calor y determinar de acuerdo con los parámetros iniciales, la temperatura interior de la estructura, mediante el uso de métodos numéricos. El módulo de ventilación (figura 5), integra los dos módulos anteriores, permitiendo concluir finalmente, cual es la temperatura final de recinto, de acuerdo con los datos de la especie pecuaria y demás estructurales. Inicio Módulo Entrada de datos Manualmente Archivo Muestra el menú de imágenes Selección del usuario NO Aceptar Si Fin módulo Figura 3: Diagrama de flujo para el módulo de opciones. RESULTADOS El programa bioclima está compuesto por tres módulos: Opciones, transferencia, y ventilación, además de la presentación gráfica de los resultados. Cada módulo posee una función específica: el módulo de opciones permite seleccionar al usuario de una manera global, las características tanto externas como internas que afectan a la estructura; el módulo de transferencia permite calcular con gran exactitud, la temperatura presentada al interior de un recinto, de acuerdo con los parámetros dados por el usuario; el módulo de ventilación incorpora a los cálculos las características de la especie pecuaria, además de las afecciones de la convección con respecto a la temperatura del lugar; y el módulo gráfico presenta el resultado de los cálculos que se efectuaron en los módulos anteriores, en forma de imagen. Se desarrollaron también módulos adicionales que incorporan opciones de apoyo al usuario, facilitando las

7 labores de grabación y apertura de archivos, cambios de variables típicas de la aplicación, etc. Los módulos adicionales se pueden visualizar desde al menú principal, el cual posee una entrada directa para la utilización de estas opciones (figuras 6, y 7). El Menú Principal contiene todos los módulos, además de diversas opciones para el manejo de datos: almacenamiento, apertura, nuevos procedimientos de cálculo y cambios de datos de conductividades térmicas. Inicio módulo Entrada de datos Manualmente Archivo Muestra el módulo de transferencia Entrada de datos Validación de datos NO NO Datos completos Si Calcular Si Fin módulo Figura 4: Diagrama de flujo para el módulo de transferencia. El módulo opciones presenta varios sub-módulos, que permiten la selección de imágenes por parte del usuario, de acuerdo con las características típicas de las construcciones: ubicación, entorno, forma, y piel (figura 8). El módulo de transferencia (figura 9), permite la inserción de los datos de la cubierta: espesor, densidad, calor específico, y conductividad térmica; estos datos son referidos a la caracterización de la cubierta, la cual, es la parte de la estructura mas expuesta a la incidencia de la radiación solar. La temperatura inicial, temperatura final, y radiación máxima, pertenecen a la caracterización del sitio. El botón calcular, permite incorporar al programa todos los datos digitados en el módulo, que son procesados con la finalidad de conocer la temperatura interior del recinto, durante el transcurso de 24 horas, iniciándose la radiación solar a partir de las 6 AM.

8 Inicio módulo Entrada de datos Manualmente Archivo Muestra el módulo de Ventilación Entrada de datos y selección de tipo de animal Validación de datos NO NO Datos completos Si Aceptar Si Fin módulo Figura 5: Diagrama de flujo para el módulo de ventilación. Figura 6: Menú Principal. Figura 7: Menú Archivo. El módulo de ventilación (figura 10), permite la incorporación al programa de las características térmicas de cada especie pecuaria. En esta sección el programa evaluará de acuerdo con las constantes introducidas por el usuario, la incidencia de la convección con respecto a la estructura y a la especie. El usuario tiene la opción de seleccionar una especie específica y además sus características de peso o edad. La sección de salida, se refiere a la salida de aire que debe tener el emplazamiento hasta

9 las 5 PM, la sección de salida de aire al cierre de cortinas (5 PM hasta 5 AM), la altura base se refiere a la altura desde la entrada de aire hasta la salida en la estructura, el caudal a renovar por animal, se refiere a datos experimentales respecto a cada especie y la constante experimental de calibración se refiere al valor numérico representativo de la estructura con respecto a su distribución térmica. El botón aceptar incorpora los datos escritos por el usuario a los cálculos. Posteriormente al presionar el botón aceptar, se activa los botones inferiores que muestran la opción de ver el gráfico, de acuerdo con la especie seleccionada para el procedimiento. Figura 8: Sub-módulo ubicación. Figura 9: Módulo transferencia.

10 El módulo gráfico (figura 11), muestra el resultado total del procesamiento de datos, escritos en los módulos anteriores. Este módulo permite al usuario conocer las temperaturas ideales que deben tener los emplazamientos donde se ubican a los animales, además de opciones de inserción de datos para temperaturas ideales. El módulo gráfico muestra como resultado la temperatura crítica esperada cuando las condiciones climáticas son extremas (máximas y mínimas temperaturas, máximas radiaciones), permitiendo al usuario la toma de decisiones respecto a la ubicación y conformación estructural de la construcción. Figura 10: Módulo de ventilación. CONCLUSIONES Bioclima es un programa de ordenador que permite evaluar el comportamiento energético en el diseño bioclimático de una instalación pecuaria. Recoge parámetros de las construcciones rurales de acuerdo con medio externo e interno que afecta a éste. Es una herramienta para el diseño de construcciones rurales en la etapa de desarrollo, permitiendo la toma de decisiones sobre el inicio de un proyecto. Permite observar valores de las variaciones de temperaturas críticas diarias, con respecto al cambio de la ubicación y distribución de las construcciones rurales en determinada zona. Los diseños bioclimáticos ofrecen ahorro energético por la eficiencia que generan en la ubicación y correcciones en caso de errores, además permite al diseñador estimar ubicaciones mas eficientes para determinada construcción.

11 Figura 11: Modulo Grafico BIBLIOGRAFIA BORRERO, H.; Arquitectura y clima referida a condiciones tropicales en Colombia. Universidad del Valle. CASTRILLON, C.; PERLAZA, J.; Caracterización del microclima de un invernadero y un cuarto de crecimiento (área de biotecnología) en el CIAT mediante técnicas de instrumentación virtual. Universidad del Valle. ESPAÑA, J.; Confort Ambiental para la edificación de la costa sur. Universidad de San Carlos de Guatemala. MONDELO; GREGORI; COMAS; CASTEJÓN; BARTOLOMÉ; Ergonomía 2, confort y estrés térmico. Alfaomega. HAFEZ, E.; Adaptación de los animales domésticos. Editorial Labor. RANGEL, D.; Construcciones Rurales. Unidad Universitaria del Sur. REQUENA, P.; Condiciones de confort de proyecto en forma grafica para diferentes ambientes y climas españoles. Informes de la construcción, vol 40, no RINCÓN A., L Curso de análisis numérico. Universidad Nacional (Pág ). SIERRA, R.; Clima, Lugar y Arquitectura. Ciemat. SALTARÉN G., C.A.; MONTAÑO, E.; Programa de ordenador para evaluar el comportamiento energético en el diseño bioclimático de una instalación pecuaria. Trabajo de grado (Ingeniero Agrícola). Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira, Facultad de Ingeniería y Administración. Palmira.