ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

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1 ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ESTUDIO Y SIMULACIÓN DE LA RESPUESTA TÉRMICA DE DOS MODELOS DE VIVIENDA DE INTERÉS SOCIAL EN LAS CIUDADES DE ESMERALDAS E IBARRA TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO CARLOS MAURICIO BONILLA SALAZAR mauricio.bonilla@epn.edu.ec JUAN CARLOS VELASCO BENAVIDES juan.velasco@epn.edu.ec DIRECTOR: CARLOS FABIÁN ÁVILA VEGA, Ph.D. carlos.avila@epn.edu.ec Quito, Junio 2017

2 CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por CARLOS MAURICIO BONILLA SALAZAR y JUAN CARLOS VELASCO BENAVIDES, bajo mi supervisión. Carlos Ávila, Ph.D. DIRECTOR DE PROYECTO i

3 DECLARACIÓN Nosotros, Carlos Mauricio Bonilla Salazar y Juan Carlos Velasco Benavides, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente. Carlos Mauricio Bonilla Salazar Juan Carlos Velasco Benavides ii

4 DEDICATORIA Dedico el presente proyecto a toda mi familia, amigos y a la Escuela Politécnica Nacional por darme la oportunidad de superarme. A mí abnegada madre Clara y mi incondicional hermana por su apoyo y cariño durante toda mi carrera. Mauricio Bonilla Dedico el presente proyecto a mis Padres, Jorge y Amparo por darme la oportunidad de superarme, a pesar de la distancia siempre estuvieron a mi lado, por todo su apoyo, comprensión y amor. A mi hijo Boris Nicolás que ha sido una inspiración más para concluir con mis estudios. A mis hermanos Paulina, Geovanny y Jorge por su cariño, apoyo y confianza. A todas mis amistades y compañeros de la Universidad. Juan Velasco iii

5 AGRADECIMIENTO Agradecemos a todo el equipo de investigación de la Línea de Investigación en Eficiencia Energética en Edificaciones del Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables (INER), por darnos la oportunidad de realizar nuestra tesis en sus instalaciones, brindarnos su ayuda y conocimientos a lo largo del desarrollo de la misma. Expresar el sentimiento de gratitud y reconocimiento a la Escuela Politécnica Nacional, a la Facultad de Ingeniería Mecánica, a todos sus Docentes y en especial al Doctor Carlos Ávila, a la Arquitecta Isabel Miño y a la Arquitecta Andrea Lobato por ser nuestra guía y brindarnos sus conocimientos. iv

6 ÍNDICE INTRODUCCIÓN... 1 Pregunta de investigación... 2 Objetivo General... 2 Objetivos Específicos... 2 Alcances MARCO TEÓRICO Antecedentes Ciudades de Estudio Factores que definen las condiciones de confort térmico Tasa metabólica Nivel de arropamiento Temperatura del aire Temperatura radiante Temperatura operativa Velocidad del aire Humedad relativa Estrategias pasivas Inventario de materiales de construcción Materiales de construcción para la ciudad de Esmeraldas Materiales de construcción para la ciudad de Ibarra Parámetros termofísicos de materiales de construcción Definición del modelo de vivienda Estimación del comportamiento térmico Designbuilder-Energyplus (Constructor de diseño más energía) Equipos de climatización Demanda energética Entorno rural y urbano de la vivienda Orientación de la urbanización METODOLOGÍA Condiciones Térmicas Modelo de vivienda Paquetes de construcción Condiciones de ocupación...29 v

7 2.5. Infiltración de la vivienda Demanda energética ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caso base para Esmeraldas Análisis rural para Esmeraldas Distribución de temperatura operativa para Esmeraldas Análisis urbano para Esmeraldas Caso base para Ibarra Análisis rural para Ibarra Distribución de temperatura operativa para Ibarra Análisis urbano para Ibarra CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones Recomendaciones...54 Referencias Bibliográficas...55 Anexos...58 vi

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Temperatura Operativa Fracción Radiante vs Velocidad del Aire...10 Tabla 1.2. Escala sensación térmica Tabla 1.3. Material predominante del techo o cubierta de la vivienda en Esmeraldas Tabla 1.4. Material predominante de las paredes de la vivienda en Esmeraldas Tabla 1.5. Material predominante del piso de la vivienda en Esmeraldas Tabla 1.6. Material predominante del techo o cubierta de la vivienda en Ibarra Tabla 1.7. Material predominante de las paredes de la vivienda en Ibarra Tabla 1.8. Material predominante del piso de la vivienda en Ibarra Tabla 1.9. Parámetros termofísicos para materiales de cubierta Tabla Parámetros termofísicos para materiales de paredes...14 Tabla Parámetros termofísicos para materiales de piso Tabla Parámetros termofísicos para materiales de acristalamiento Tabla Parámetros termofísicos para materiales de puertas...15 Tabla 2.1. Área de la envolvente de la vivienda Tabla 2.2. Paquetes de construcción para cubierta...27 Tabla 2.3. Paquetes de construcción para paredes Tabla 2.4. Paquetes de construcción para piso Tabla 2.5. Paquetes de construcción para acristalamiento Tabla 2.6. Paquetes de construcción para puertas Tabla 2.7. Nivel de arropamiento (clo) para Esmeraldas e Ibarra Tabla 2.8. Límites de Temperatura mínima y máxima para determinar el rango de confort térmico [ C] Tabla 2.9. Rango de confort térmico para Esmeraldas e Ibarra Tabla Densidad de ocupación de la vivienda Tabla Horario de ocupación de la vivienda Tabla Iluminación de la vivienda Tabla Cálculo de infiltración en la vivienda Tabla Cálculo de ventilación necesaria en la vivienda...34 Tabla 3.1. Caso base para las dos ciudades de estudio Tabla 3.2. Horas de confort de la combinación de paquetes de construcción para la ciudad de Esmeraldas Tabla 3.3. Caso adecuado para Esmeraldas Tabla 3.4. Horas de confort de la combinación de paquetes de construcción para la ciudad de Ibarra Tabla 3.5. Caso adecuado para Ibarra vii

9 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Modelo de vivienda del MIDUVI Figura 1.2. Parámetros para simulación de modelos en DesingBuilder Figura 1.3. Esquema interno de un equipo de climatización Figura 1.4. Modelos de urbanizaciones sociales Figura 1.5. Rotación de la vivienda Figura 2.1. Comparación temperatura de bulbo seco exterior para la ciudad de Esmeraldas...24 Figura 2.2. Distribución interna del modelo de vivienda social del MIDUVI Figura 2.3. Paquete de construcción con diferentes capas de material Figura 2.4. Rangos aceptables de temperatura operativa y humedad para viviendas Figura 3.1. Distribución anual de temperaturas operativas del caso base para la ciudad de Esmeraldas...36 Figura 3.2. Demanda energética anual de Refrigeración para viviendas sociales en Esmeraldas...38 Figura 3.3. Demanda energética anual de Calefacción para viviendas sociales en Esmeraldas...39 Figura 3.4. Comparación de temperaturas operativas anuales entre el caso adecuado y el paquete de construcción con mayor número de horas de confort térmico Figura 3.5. Distribución temperaturas operativas en el modelo de vivienda para Esmeraldas...42 Figura 3.6. Demanda energética y confort anual de viviendas urbanas respecto al caso adecuado - Esmeraldas Figura 3.7. Distribución de temperaturas de urbanizaciones - Esmeraldas Figura 3.8. Distribución anual de temperaturas operativas del caso base en Ibarra Figura 3.9. Demanda energética anual de Calefacción para viviendas sociales en la ciudad de Ibarra Figura Demanda energética anual de Refrigeración para viviendas sociales en Ibarra Figura Distribución temperaturas operativas en el modelo de vivienda para Ibarra. 50 Figura Demanda energética y confort anual de vivendas urbanas respecto al caso adecuado - Ibarra Figura Distribución de temperaturas de urbanizaciones - Ibarra viii

10 RESUMEN Se estudió la influencia de materiales de envolvente en la respuesta térmica de edificaciones de carácter social construidas por el Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda en Ibarra y Esmeraldas. En el Ecuador no existe una tradición de diseño ante variables como el confort térmico que inciden directamente en las condiciones de ocupación. Para aumentar las horas de confort térmico se va a utilizar la estrategia pasiva de cambio de materiales de la envolvente. Se consideraron condiciones meteorológicas, ocupación, rango de confort térmico, materiales de la envolvente de la vivienda y cargas internas para la simulación del caso base en cada ciudad de estudio. Para obtener la mejor combinación de materiales se seleccionó la envolvente que produce el mayor número de horas de confort anual. En Esmeraldas la mejor envolvente se compone de cubierta de hormigón, pared de ladrillo y piso de hormigón alcanzando 40,88% de confort térmico anual, mientras que en Ibarra fue cubierta de teja, paredes de ladrillo y piso de duela y ladrillo con un confort térmico anual de 42,70%. Para mejorar el confort térmico en urbanizaciones en Esmeraldas se debe reducir la incidencia solar directa y para Ibarra se debe procurar que esta aumente. Palabras clave: Vivienda social, confort térmico, materiales de construcción, demanda energética, simulaciones energéticas. ix

11 ABSTRACT This research studied the influence of building envelope materials on the thermal response to social housing constructed by the Ministry of Urban Development and Housing for Esmeraldas and Ibarra. In Ecuador variables like thermal comfort are not considered to build a house, even when them have a direct effect over the occupation conditions. To improve the number of annual comfort hours is going to be used the passive strategy of changing envelop materials. In the base case the weather, occupation, thermal comfort rank, envelop materials and internal loads are considered for the simulation. In order to find the best materials combinations, the envelop who posed the higher number of annual comfort hours is going to be selected. Esmeraldas can reach 40,88% of annual comfort hours with an envelope of concrete roof, brick walls and concrete floor, meanwhile Ibarra has 42,70% annual comfort hours with roof tile, brick walls and stave and brick floor. Solar incidence has a direct influence over the thermal comfort. In Esmeraldas s urbanizations the low solar incidence improves the annual thermal comfort, for Ibarra s urbanization a high solar incidence increases the annual thermal comfort. Keywords: Social housing, thermal comfort, building materials, energy demand, energy simulations. x

12 GLOSARIO DE TÉRMINOS 1. Confort térmico: Es la sensación de conformidad dentro de un ambiente térmico existente. Está relacionado directamente con el balance térmico del cuerpo humano cuando las condiciones de temperatura, humedad y movimientos del aire son agradables dependiendo de la actividad que desarrollan. Las condiciones ambientales requeridas para el confort térmico no son las mismas para todos. 2. Demanda Energética: cantidad de energía requerida por un sistema mecánico para funcionar bajo condiciones establecidas por el usuario. 3. Estrategias pasivas: Diseño pasivo es un método utilizado en arquitectura con el fin de obtener edificios que logren su acondicionamiento ambiental sin consumir energía eléctrica. 4. Horas de confort térmico: Total de horas al año que la temperatura al interior de una vivienda se encuentra dentro de un rango de confort térmico. 5. Horas de ocupación: Es el total de horas anuales en las que al menos un persona se encuentra al interior de la vivienda 6. HVAC: Heating, Ventilation and Air Conditioning (calefacción, ventilación y aire acondicionado). Son sistemas de climatización de ambientes. 7. Paquetes de materiales de construcción: Conjunto de uno o más materiales de similar o diferente espesor y naturaleza considerados un solo cuerpo. 8. Rural: Las áreas rurales incluyen las cabeceras parroquiales, otros centros poblados, las periferias de los núcleos urbanos y la población dispersa. 9. Simulación energética: Método de aproximación al comportamiento real de la demanda de energía en edificaciones mediante la utilización de modelos matemáticos. 10. Temperatura Operativa o Resultante: Temperatura ficticia que da cuenta de los efectos conjugados de la temperatura de aire, de la temperatura de las paredes de un local y de la velocidad del aire en el interior del local. 11. Urbana: Define como áreas urbanas a los asentamientos o núcleos urbanos que son capitales provinciales y cabeceras cantonales o municipios según la división político administrativa (DPA) vigente en el país, sin tomar en cuenta su tamaño. 12. Vivienda social: aquella vivienda donde personas y familias de escasos recursos económicos pueden vivir de forma digna con seguridad y en paz. xi

13 FACTORES DE CONVERSIÓN Unidad Multiplicar por Se obtiene pie (pie xii

14 ESTUDIO Y SIMULACIÓN DE LA RESPUESTA TÉRMICA DE DOS MODELOS DE VIVIENDA DE INTERÉS SOCIAL EN LAS CIUDADES DE ESMERALDAS E IBARRA INTRODUCCIÓN Garantizar el confort térmico de las viviendas sociales del Ecuador no es un tema considerado por arquitectos e ingenieros al momento de diseñar y construir. Para garantizar el confort térmico la solución más rápida es instalar sistemas de climatización, los cuales incrementan la demanda energética en edificaciones. Al considerar viviendas sociales construidas para personas de bajos recursos económicos se debe considerar un método que no involucre el consumo de energía eléctrica. En consecuencia el cambio de materiales de construcción de la envolvente de la vivienda es la alternativa a usar en este proyecto (estrategias pasivas). Los materiales elegidos en la construcción de la vivienda inciden en términos de impacto ambiental y confort térmico. en consecuencia se parte de crear una base de datos de materiales locales (Barragán & Ochoa, 2014). El estudio trata de implementar una estrategia de mejora en el confort térmico a través del cambio de materiales de la envolvente de la vivienda. Se busca igualar las horas de ocupación con las horas de confort térmico en viviendas sociales para las ciudades de Esmeraldas e Ibarra. La investigación se desarrolla en cuatro capítulos los cuales se describen a continuación: El Capítulo 1 describe los objetivos, alcances, la justificación y la introducción al tema de estudio. En el Capítulo 2 describe la fundamentación teórica de principios y conceptos sustentado con una revisión bibliográfica de diversos autores que han estudiado la influencia del comportamiento de materiales en la demanda energética de una vivienda. Entre los cuales se tiene los factores que definen las condiciones de confort térmico, así como las estrategias pasivas que se pueden utilizar, materiales de construcción con sus respectivas propiedades termofísicas y el modelo de vivienda social. En el Capítulo 3 se sustenta la utilización del modelo de vivienda del MIDUVI como el caso base para analizar la respuesta térmica. Aplicando las condiciones meteorológicas de cada ciudad de estudio. Se establece las condiciones de ocupación, el rango de confort térmico, los paquetes de construcción de la envolvente de la vivienda y las cargas internas para la simulación del caso base. 1

15 Para obtener el caso adecuado se parte del análisis rural. Es decir el comportamiento de la vivienda no se ve afectado por interferencias externas. Se utiliza la estrategia pasiva de cambio de materiales. Luego se realiza el cambio de materiales calculando la demanda energética de la envolvente de la vivienda. El caso adecuado seleccionado será aquella combinación que presente la menor demanda energética. Definido el caso adecuado se simula considerando un área urbana ubicando alrededor viviendas del mismo tipo. Se varía la orientación de las viviendas a los 4 puntos cardinales. Finalmente se determina la orientación óptima entre las cuatro seleccionadas, el número de horas de confort y el ahorro energético que generan las diferentes combinaciones. El Capítulo 4 describe las conclusiones y recomendaciones. Pregunta de investigación En esta investigación se intenta dar respuesta a la siguiente pregunta fundamental. Cuál es la influencia de los materiales de construcción o de la envolvente en la respuesta térmica de viviendas sociales? Objetivo General Estudiar y Simular la respuesta térmica de dos modelos de vivienda de interés social en las ciudades de Esmeraldas e Ibarra. Objetivos Específicos 1. Realizar los modelos para una vivienda social integrando normativas de confort térmico 2. Aprovechar la geografía y el entorno de la ciudad de estudio 3. Mantener la identidad cultural de las poblaciones involucradas 4. Utilizar los materiales de construcción propios de la zona 2

16 Alcances 1. Se recopilará información acerca de las condiciones térmicas de Ibarra y Esmeraldas. 2. Se elaborará un inventario de materiales que se limitará a aquellos utilizados en viviendas de interés social en las ciudades escogidas para el estudio. 3. Se realizará los modelos de vivienda social de una sola planta. 4. Se simulará la respuesta térmica de los modelos de vivienda. 5. Se elaborará los planos de las viviendas. 3

17 1. MARCO TEÓRICO 1.1. Antecedentes El déficit de vivienda está ligado con la pobreza por lo cual es necesario partir desde este término para abarcar la problemática de la falta de vivienda. La pobreza afecta a nivel mundial. Una persona de bajos recursos económicos se define como el individuo cuyo ingreso total per cápita es inferior al nivel mínimo disponible que necesita para sobrevivir. En países con ingresos bajos la población es de bajos recursos económicos (Guadagni & Kaufmann, 2006). La tasa de pobreza de los hogares rurales alcanza casi el 82% en países menos desarrollados. En el mundo tres de cada cuatro personas de bajos recursos económicos viven en áreas rurales de acuerdo al World Bank Institute (2004). Guadagni & Kaufmann (2006) mencionan que de los países que se dispone información sobre el ingreso urbano y el rural, se tiene que el 63% de la población y el 73% de las personas de bajos recursos económicos viven en áreas rurales a nivel mundial. La pobreza rural es alta en los países en desarrollo sin importar su nivel de ingreso de estos países. A nivel de Latinoamérica y el Caribe los altos niveles pobreza provocan un déficit habitacional de 27,9 millones de viviendas. Se considera una media de cinco personas por vivienda, en conclusión más de 130 millones de latinoamericanos habitan viviendas precarias y cerca de 140 millones no poseen una vivienda. En total 270 millones de latinoamericanos carecen de vivienda. El déficit cualitativo y cuantitativo de viviendas afecta a más de la mitad de hogares en Latinoamérica. Para dar solución a este déficit sería necesario construir o mejorar 53,6 millones de viviendas (Salas, 2001). Según Rodríguez y Sugranyes (2004) en Latinoamérica las políticas de vivienda social se han orientado en reducir el déficit cuantitativo de vivienda. Las viviendas que se construyen son deficientes en el ámbito de ahorro de energía. Consumen aproximadamente el 40% de la energía total mundial distribuido en el uso del edificio, ventilación y aire acondicionado (Siew, Che-Ani, Tawil, Abdullah, & Mohd-Tahir, 2011). En el Ecuador la demanda de vivienda se da por los hogares que no alcanzan los ingresos necesarios para acceder a una vivienda. Según el Instituto Nacional de Estadística y Censos (INEC) para diciembre de 2016, se considera a una persona de bajos recursos económicos si percibe un ingreso familiar per cápita menor a USD 84,64 mensuales, la pobreza a nivel nacional se ubicó en 22,9% (INEC, 2016). El déficit de 4

18 viviendas calculado es unidades, de las cuales el 72% corresponde al déficit cualitativo y tan solo el 28% al déficit cuantitativo (Acosta, 2012). Según Bouillon (2012) el déficit cualitativo en Ecuador se caracteriza principalmente por la falta de infraestructura y la baja calidad de los materiales de construcción. El perfil de la vivienda social en Ecuador con respecto al déficit cualitativo representa a las viviendas que no poseen las condiciones necesarias para cumplir sus funciones adecuadamente. De las cuales no se cumplen por hacinamiento, uso de materiales que no duran en el tiempo, tenencia informal de suelo, falta de agua potable, luz eléctrica y demás servicios requeridos para el desarrollo adecuado de la familia (Miño, Lobato, & Labus, 2013). A nivel nacional el MIDUVI es el encargado de atender el déficit cuantitativo de viviendas. En las políticas de construcción de vivienda social no se consideran condiciones de confort térmico y demandas energéticas (Miño et al., 2013). Para esta investigación se realizó una revisión de estudios similares los cuales se los describe a continuación. Estos estudios fueron utilizados para tener la idea inicial del proyecto y como resolvieron la problemática planteada. El estudio realizado por Filippín & Larsen (2005) en la ciudad de Santa Rosa en Argentina describe el comportamiento térmico y energético de una vivienda convencional. En el que analizan los resultados de un monitoreo térmico de la edificación para establecer un modelo y simular la vivienda en condiciones reales. El estudio tiene como objetivo determinar el comportamiento térmico de la vivienda, establecer un modelo virtual para simulación, a partir del modelo base varían la resistencia térmica de la envolvente y el área de ganancia directa. El estudio está establecido en un periodo invernal o clima frio con una temperatura media exterior es de 10.1 C. La metodología utilizada es colocar un equipo de calefacción de 4000 Kcal/h para calentar la superficie del edificio. La recolección de información está comprendida en el periodo del 4 de junio al 4 de julio de 2003 donde se ha realizado un monitoreo de térmico y energético. También realizaron un chequeo tri-diario del medidor de gas de calefacción de la vivienda. Con el fin de determinar que ocurre con la calefacción procedieron a encender la estufa, horno y calefactor durante 15 a 22 horas al día. Este uso de calefacción permitió que la vivienda ronde los a 20,5ºC con una temperatura exterior promedio de 9,4ºC. Las simulaciones se efectúan en el programa SIMEDIF desarrollado por INENCO (Instituto de Investigación en 5

19 Energía No Convencional) para calcular la temperatura horaria al interior de edificaciones. La información meteorológica que utilizaron provino de una estación cercana a la ciudad de Santa Rosa. Lo primero era ajustar los valores medidos de temperatura y calefacción con los resultados obtenidos con la simulación. Esto lo lograron al bajar la carga por la reducción de eficiencia en el calefactor que a su vez está asociado al aumento en la velocidad del viento exterior y mayor succión de calor por el conducto de ventilación. Con el modelo ya calibrado al comportamiento de la vivienda real el siguiente paso es mejorar la envolvente con el uso de aislamiento térmico en paredes y cubierta, cambio del tipo de acristalamiento de uno simple a vidrio doble con protección externa. Estas mejoras consiguen que la temperatura promedio al interior de la vivienda suba de 13,5ºC a 16,0ºC. También es importante resaltar que se reduce la amplitud de temperatura. Cuando aumentan el área útil de ganancia directa orientada al norte de 12% (vivienda real) a 20% en conjunto con aislamiento en los muros la temperatura puede subir a 18,1ºC. En este caso significa que el diseño de la vivienda en climas fríos debe tener áreas de ganancia directa orientadas para obtener la mayor incidencia solar. Según este estudio al incrementar la resistencia térmica y el área de ganancia solar la temperatura interior de la vivienda aumenta 4,6ºC y se consigue reducir el consumo de gas para calefacción en un 66% (Filippín, C; Larsen, 2005). En Ecuador se han realizado investigaciones para evaluar el comportamiento térmico de viviendas mediante simulaciones energéticas. En el trabajo elaborado por Miño, Lobato, & Labus (2013) utilizan un modelo de vivienda social con dos dormitorios y un área común de cocina-comedor. Utilizando la misma geometría de vivienda varían los materiales de la envolvente con el objetivo de mejorar el confort térmico y reducir el consumo energético de una vivienda ubicada en Yachay. Las condiciones meteorológicas que predominan son de temperaturas promedio que oscilan entre 16,5 ºC y 20,2ºC con humedad relativa que varía entre 75% y 89%. El rango de confort establecido esta entre 20ºC y 24ºC. También se realiza una evaluación de la orientación cada 15º. Establecen tres casos para el estudio, en el primero utilizan los materiales que predominan en el censo del INEC. En el segundo caso materiales en proceso de investigación y desarrollo. En el tercero utilizan materiales que permiten procesos de armado y desarmado para movilidad de la vivienda. Las simulaciones se realizan en el software DesignBuilder. Para el análisis de datos las horas de confort térmico se miden en base a las horas de ocupación al año (6205 horas). El resultado que obtienen es que al usar madera y lana de roca en cubierta, piso y paredes se obtiene el mayor número de horas de confort al año. Al realizar un balance energético se encuentra que al utilizar materiales de alta 6

20 conductividad como el zinc en la cubierta la vivienda experimenta elevadas ganancias en el día y grandes pérdidas por la noche, convirtiendo a este material en una mala opción de cubierta. En el caso de la rotación de la vivienda en intervalos de 15º determinan que al ubicar las fachadas con acristalamiento en sentido Este-Oeste se incrementa el disconfort en un 20%. Esto demuestra que en climas de este tipo es favorable ubicar las ventanas de la vivienda en dirección al sol para mayor incidencia solar. En caso de usar climatización al usar materiales de alta conductividad térmica en la cubierta, paredes y piso aumentan la demanda energética en calefacción. La conductividad de una combinación de madera y lana de roca varía entre 0,43 y 0,47 W/m 2 K (Miño et al., 2013). Como último estudio referencial se tiene que el comportamiento de materiales en viviendas localizadas en zonas cálidas es diferente de los requerimientos de zonas frías. Dudzińska & Kotowicz (2015) en su postulado presentan el efecto de la capacidad calorífica de materiales constructivos sobre confort térmico en edificaciones pasivas. Los materiales analizados son hormigón celular (0,17 W/mK), bloques de silicato (0,41 W/mK) y ladrillo macizo (0,77 W/mK). El modelo utilizado es una escuela de dos plantas construida en la localidad de Budzów en Polonia. Los pisos son de hormigón armado de 20 cm. Las paredes de la edificación son 25 cm de bloques de silicato con aislamiento de espuma de poliestireno con un grosor de 32 cm. edificación está montado de hormigón reforzado con espesores de 40 cm. Las mediciones de temperatura realizadas se dividen en dos periodos independientes. El primero es en noviembre de 2012 y el segundo junio de Las mayores temperaturas se sitúan en el mes de noviembre. Las mediciones se realizan con la finalidad de ajustar el modelo virtual. Para la simulación utilizan el programa DesignBuilder. A partir del modelo base se elaboran tres modelos que usan la misma geometría, pero se varían los materiales de la envolvente. Como resultado obtuvieron que hormigón celular presenta las temperaturas más bajas ( ºC). Cuando es necesario reducir sobrecalentamiento los ladrillos macizos son la opción más favorable por la alta capacidad de distribuir de manera uniforme el calor (Dudzińska & Kotowicz, 2015) Ciudades de Estudio En el Ecuador debido a su geografía y relieves es un país altamente vulnerable al cambio climático su capacidad de adaptación a sus efectos es limitada a causa de la pobreza y de su ubicación geográfica (Ecuale, 2016). Esta variabilidad en los climas influye en este 7

21 estudio por lo que se enfoca en dos diferentes regiones Costa y Sierra, en las ciudades de Esmeraldas e Ibarra respectivamente. La primera ciudad a estudiar es Esmeraldas, localizada en la costa noroccidental del Ecuador, es la capital de la Provincia del mismo nombre, situada a de latitud norte y de longitud Oeste, sobre la margen izquierda de la desembocadura del Río Esmeraldas. Es un territorio húmedo, con una pluviosidad anual sobre los 700 mm; tiene una temperatura media anual que oscila alrededor de 25 C. Altitud media de 100 msnm, una máxima de 200 msnm y mínima de 0 msnm. Los tipos de construcciones más comunes son de paredes y piso de madera o caña y techo de zinc (PROMUNI, 2013). La temperatura máxima media es de 28,2ºC; en cambio, la temperatura mínima media de 22,7ºC (INAMHI, 2013). La segunda ciudad a estudiar es Ibarra, se encuentra en la región norte del Ecuador, pertenece a la provincia de Imbabura, situada a de latitud norte y de longitud Oeste, sobre los 2200 msnm. La singularidad del cantón Ibarra es la variedad de microclimas que van desde el frío andino en la zona de Angochagua, hasta el tropical seco del valle del Chota, donde se incluye el clima cálido húmedo de la zona de Lita y la Carolina. Los anuarios meteorológicos históricos (41 años) y la lectura del diagrama climático, determinan que el cantón Ibarra presenta una temperatura media de 15,90 C, con una variación mínima menor a 0,3 C. Los registros promedian una temperatura máxima media entre los 20 y 25 C y una mínima media entre los 7 y 11 C (Secretaria Nacional de Riesgos, 2013) Factores que definen las condiciones de confort térmico El presente proyecto es un análisis de las condiciones térmicas en un espacio habitable. De acuerdo a las consideraciones de la ASHRAE (2009). los factores que definen las condiciones térmicas habitables son la tasa metabólica, nivel de arropamiento, la temperatura del aire, temperatura radiante, velocidad del aire y humedad relativa (ANSI/ASHRAE, 2004). Estos factores pueden variar dependiendo del tipo de materiales que constituyen la envolvente de la vivienda (Barragán & Ochoa, 2014). Los materiales utilizados para la construcción pueden incidir en términos de impacto ambiental y confort térmico por su capacidad de aislamiento o baja conductividad térmica. Este estudio aborda el problema de variabilidad climática en el Ecuador considerando dos regiones para el análisis de confort térmico y demanda energética en viviendas sociales. 8

22 Tasa metabólica La tasa metabólica está directamente ligada a la actividad que realiza la persona. La tabla 1.5 de la CIBSE (2006, pp. 1 8) presenta recomendaciones de criterio de confort para actividades específicas. La unidad de medida de la tasa metabólica es el met, Nivel de arropamiento El nivel de arropamiento es la cantidad de aislamiento térmico entre el cuerpo y el ambiente, la unidad de medida es el clo (del inglés clothing). La Tabla 1.2 del estándar CIBSE (2006, pp. 1 5) presenta valores del clo para diversos tipos de vestimenta Temperatura del aire La temperatura de bulbo seco mide la temperatura del aire sin considerar factores ambientales como la radiación, la humedad o el movimiento del aire. Los mismos que tienen el potencial de afectar significativamente la sensación térmica. Uno de los instrumentos más empleados para medir la temperatura seca es el termómetro de mercurio que se expone directamente al aire (ASHRAE, 2009) Temperatura radiante Es la temperatura uniforme de un cuerpo negro ficticio (con coeficiente de emisión igual a 1), representa el intercambio de energía entre el sujeto y el ambiente real. Llamada también temperatura radiante media. El término "media" indica el promedio de calor radiante emitido por todas las superficies que conforman la vivienda. Cuando se usa este parámetro como parte de las condiciones ambientales se asume como referencia el punto central de la vivienda. La temperatura radiante media se puede establecer a partir de la temperatura de todas las superficies interiores de la vivienda (piso, paredes y techo) y de los factores de ángulo entre el punto de medición y dichas superficies (ASHRAE, 2009) Temperatura operativa La temperatura operativa ( ) es la combinación de la temperatura del aire y la temperatura radiante media en un solo valor para expresar su efecto conjunto. Al ser una 9

23 media ponderada de dos valores, su peso individual está en función de un factor radiante mismo que se determina de a partir de la velocidad del viento en el interior de la vivienda (véase tabla 1.1) (U.S Deparment of Energy, 2016). La temperatura operativa se define como: Dónde: (Ecuación 1.1.) Fracción radiante Temperatura media radiante Temperatura del aire Tabla 1.1. Temperatura Operativa Fracción Radiante vs Velocidad del Aire Velocidad del Aire [m/s] < 0,2 0,2 a 0,6 0,6 a 1,0 0,5 0,4 0,3 (Fuente: Energyplus, 2016) Este estudio está enfocado en las temperaturas puesto que va a definir rangos de confort térmico en una vivienda. La temperatura es generalmente la variable ambiental más importante que afecta el confort térmico. Una variación de tres grados cambiará la percepción en la escala de sensación térmica (Tabla 1.2.) por aproximadamente una unidad de escala para las personas sedentarias. Más personas activas son menos sensibles a los cambios en la temperatura ambiente (CIBSE, 2006). Tabla 1.2. Escala sensación térmica. Valor índice Sensación térmica +3 Muy caliente +2 Caliente +1 Ligeramente tibia 0 Neutro -1 Ligeramente fresco -2 Fresco -3 Frío (Fuente: CIBSE, 2006) 10

24 Velocidad del aire Es la tasa de movimiento en un punto sin tomar en cuenta la dirección. La ASHRAE recomienda que la velocidad del aire en una vivienda de 0.2 m/s. (ANSI/ASHRAE, 2004, p. 2) Humedad relativa Es la relación de la presión parcial (o densidad) del vapor de agua en el aire a la presión de saturación (o densidad) de vapor de agua a la misma temperatura y presión total (ANSI/ASHRAE, 2004, p. 2) Estrategias pasivas Se incorporan de forma permanente y natural en el diseño de una edificación sin mecanismos o máquinas que impliquen demandas de energía o recursos externos. Entre las estrategias pasivas que se pueden usar para el mejoramiento energético y de confort térmico se tiene calentamiento pasivo, enfriamiento pasivo, iluminación natural, diseño acústico, integración de sistemas geotérmicos. Las estrategias de calentamiento pasivo son usadas en invierno aprovechando las condiciones naturales, se subdivide en cuatro categorías como son las ganancias solares directas, indirectas, aisladas y cambio de materiales (Innova Chile, 2012). En la estrategia de enfriamiento pasivo se recomiendan para zonas climáticas caracterizadas por sus altas temperaturas en verano. Se subdivide en ventilación natural cruzada, convectiva, nocturna de masa térmica, enfriamiento evaporativo e intercambiadores de calor geotérmicos (Innova Chile, 2012). Para este proyecto la estrategia pasiva de cambio de materiales es la más adecuada que considera los materiales de construcción de la envolvente. Puesto que puede ser aplicada tanto para calentamiento y enfriamiento sin la utilización de una instalación adicional (Innova Chile, 2012). 11

25 1.5. Inventario de materiales de construcción Los materiales de construcción más usados se obtuvieron del VII Censo de Población y VI de Vivienda. El total de viviendas en Esmeraldas es de y en Ibarra de viviendas censadas (INEC, 2010). Para este estudio los materiales de construcción elegidos son los predominantes de cada ciudad en el área urbana y rural. En la Tabla 1.3. Tabla 1.4. y Tabla 1.5. se muestran los materiales más utilizados para la envolvente en la Ciudad de Esmeraldas y en la Tabla 1.6., Tabla 1.7. y Tabla 1.8. los materiales más utilizados en la Ciudad de Ibarra Materiales de construcción para la ciudad de Esmeraldas Tabla 1.3. Material predominante del techo o cubierta de la vivienda en Esmeraldas. Tipo de Material Área urbana Tipo de Material Área rural Zinc 60,00% Zinc 15,22% Hormigón (losa, cemento) 16,85% Hormigón (losa, cemento) 1,57% Asbesto (Eternit, Eurolit) 3,65% Palma, paja u hoja 0,66% (Fuente: INEC, 2010) Tabla 1.4. Material predominante de las paredes de la vivienda en Esmeraldas. Tipo de Material Área urbana Tipo de Material Área rural Ladrillo o bloque 53,10% Ladrillo o bloque 7,82% Hormigón 13,91% Madera 5,17% Caña revestida o bahareque 5,19% Caña no revestida 2,16% (Fuente: INEC, 2010) Tabla 1.5. Material predominante del piso de la vivienda en Esmeraldas. Tipo de Material Área urbana Tipo de Material Área rural Ladrillo o hormigón 28,97% Tabla sin tratar 8,63% Cerámica, baldosa, vinil o mármol 26,27% Ladrillo o hormigón 6,48% Tabla sin tratar 19,82% Cerámica, baldosa, vinil o mármol 1,54% (Fuente: INEC, 2010) 12

26 Materiales de construcción para la ciudad de Ibarra Tabla 1.6. Material predominante del techo o cubierta de la vivienda en Ibarra. Tipo de Material Área urbana Tipo de Material Área rural Hormigón (losa, cemento) 39,81% Teja 13,39% Teja 15,67% Asbesto (Eternit, Eurolit) 5,52% Asbesto (Eternit, Eurolit) 13,80% Hormigón (losa, cemento) 4,70% (Fuente: INEC, 2010) Tabla 1.7. Material predominante de las paredes de la vivienda en Ibarra. Tipo de Material Área urbana Tipo de Material Área rural Ladrillo o bloque 57,83% Ladrillo o bloque 14,84% Adobe o tapia 11,35% Adobe o tapia 9,32% Hormigón 4,49% Madera 1,33% (Fuente: INEC, 2010) Tabla 1.8. Material predominante del piso de la vivienda en Ibarra. Tipo de Material Área urbana Tipo de Material Área rural Cerámica, baldosa, vinil o mármol 36,52% Ladrillo o cemento 12,16% Ladrillo o cemento 21,99% Tierra 6,69% Duela, parquet, tablón o piso flotante (Fuente: INEC, 2010) 9,87% Cerámica, baldosa, vinil o mármol 4,65% 1.6. Parámetros termofísicos de materiales de construcción El programa DesignBuilder considera como principales parámetros termofísicos de entrada para definir un material a la conductividad, calor específico y densidad. Desde la Tabla 1.9. se definen las propiedades para los materiales a utilizarse en el caso base de las dos ciudades de estudio. Algunos parámetros termofísicos no se encuentran definidos en el Ecuador por lo cual se ha utilizado una base de datos de las características de los materiales realizadas en estudios por otros países. 13

27 Tabla 1.9. Parámetros termofísicos para materiales de cubierta. Tipo de Material Asbesto (Eternit, Eurolit) Hormigón (Concreto) Conductividad Calor Específico (W/m-K) (J/kg-K) Densidad Fuente (kg/m 3 ) 0, (Tindale, 2014) 1, (Figueroa, n.d.) Teja (CTE WEB, 2007) Zinc (Tindale, 2014) Tabla Parámetros termofísicos para materiales de paredes. Calor Tipo de Conductividad Densidad Específico Material (W/m-K) (kg/m 3 ) (J/kg-K) Fuente Adobe 0, (Bestraten, Hormías, & Altemir, 2011) Bahareque (Tierra) 1, (Tindale, 2014) Bloque 1, (Disensa Ecuador, n.d.), (Tindale, 2014) Caña no (Technique, Delgado, & revestida 0, Morales, 2012) (Guadúa) Enlucido 1, (Tindale, 2014) Hormigón (Concreto) 1, (Figueroa, n.d.) Ladrillo 0, (Figueroa, n.d.) Madera 0, (Miliarium, 2008) Tapial 1, (Bestraten et al., 2011) 14

28 Tabla Parámetros termofísicos para materiales de piso. Tipo de Conductividad Calor Específico Densidad Material (W/m-K) (J/kg-K) (kg/m 3 ) Fuente Baldosa 0, (Miliarium, 2008), (Tindale, 2014) Masillado 1, (Tindale, 2014) Hormigón 1, (Figueroa, n.d.) (Concreto) Ladrillo 0, (Figueroa, n.d.) Madera 0, (Miliarium, 2008), Tierra 1, (Tindale, 2014) Tabla Parámetros termofísicos para materiales de acristalamiento. Calor Tipo de Conductividad Densidad Específico Fuente Material (W/m-k) (kg/m 3 ) (J/kg-k) Acristalamiento Vidrio 0,9 NA 1 NA (Tindale, 2014) Tabla Parámetros termofísicos para materiales de puertas. Calor Tipo de Conductividad Densidad Específico Fuente Material (W/m-k) (kg/m 3 ) (J/kg-k) Madera 0, (Tindale, 2014) Puertas Plancha de Tol (Tindale, 2014) 1.7. Definición del modelo de vivienda El modelo de vivienda social a utilizar se basa en las viviendas construidas a nivel nacional por el Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda (MIDUVI). De acuerdo a las Especificaciones Técnicas Generales de Edificación para vivienda rural y urbana marginal del MIDUVI (2012) se describe los materiales de construcción de la vivienda. La cubierta de asbesto, paredes de bloque, piso de hormigón, ventanas de vidrio claro, la puerta exterior de tol y las puertas interiores de madera. El modelo de vivienda del MIDUVI será considerado como el caso base para las dos ciudades de estudio. Bajo las 1 NA. Este parámetro no es requerido por el programa Design Builder. 15

29 condiciones meteorológicas, geográficas y elevación propias de cada ciudad (MIDUVI, 2012). Figura 1.1. Modelo de vivienda del MIDUVI. (Fuente: Estimación del comportamiento térmico La simulación energética es una herramienta adecuada para estimar el comportamiento térmico en edificaciones. A través de la modelización de un edificio o conjunto de edificios y su entorno para analizar su comportamiento en términos de intercambio de energía, emisiones de CO2, cargas del sistema, insolación de las superficies envolventes, recorrido de las sombras, entre otros (SEED, 2015). La simulación energética es una herramienta reconocida a nivel mundial por profesionales dedicados a la construcción de edificios sustentables mediante la ayuda de programas informáticos como son Openstudio (OpenStudio, 2015), DesignBuilder (Tindale, 2014), Ecotec (Autodesk, 2015). Para la simulación de las viviendas sociales ubicadas en las ciudades de Esmeraldas e Ibarra se va a usar el programa DesignBuilder Designbuilder-Energyplus (Constructor de diseño más energía) Es un software orientado al diseño de edificaciones energéticamente eficientes y sostenibles. El modelo matemático se basa en métodos numéricos por iteración. Es una 16

30 herramienta con interfaz gráfica y un entorno amigable para modelación de edificios. El ingreso de variables de entrada y la presentación de resultados son fáciles de interpretar. La resolución del modelo matemático es realizado por el Energy Plus desarrollado por el Departamento de Energía de Estados Unidos (U.S Deparment of Energy, 2016). Es un motor de cálculo que proporciona solución integrada de todos los procesos energéticos. Calcula de manera simultánea los efectos de radiación, convección y conducción en todas las superficies de las envolventes. Es posible obtener los resultados en diversos intervalos: anual, mensual, diario, horario y sub-horario. Es posible obtener resultados detallados en cada superficie del modelo, incluyendo la radiación solar incidente y las temperaturas superficiales. Estos cálculos también los realiza al interior de la vivienda cuando se realiza un zonificación. Se puede realizar el análisis paramétrico para evaluar el impacto de diversos parámetros de entrada en un diseño. Los resultados de las simulaciones se exportan a programas como DesignBuilder, este último se encarga de presentarlos de manera dinámica (Sol arq, 2014). Las variables de entrada del programa DesignBuilder son la geometría de la edificación, los materiales de construcción, densidad ocupacional, horarios de ocupación, iluminación y equipamiento interior con su respectivo horario de funcionamiento. El programa requiere el ingreso de información meteorológica propia de cada zona de estudio. El archivo meteorológico cuenta con información de temperatura de bulbo seco húmedo, presión atmosférica, altitud, humedad relativa, radiación solar, precipitaciones, velocidad del viento. El programa permite crear plantillas propias según sean los requerimientos del usuario. La edificación puede ser dividida en diferentes espacios cada una puede tener sus propios parámetros de entrada. En la Figura 1.2. se presenta los parámetros para simulación de modelos en DesingBuilder. Energy Plus parte del análisis dinámico de modelos, utiliza métodos numéricos de iteración para la determinación de transferencia de energía entre los diversos sistemas del edificio. Energy Plus surge de combinar las funciones y características de dos programas de simulación de edificios DOE-2 y Building Loads Analysis and System Thermodynamics (BLAST) y con nuevas características. Energy Plus es un programa completamente escrito en Fortran 90. El programa es un motor de cálculo que no cuenta con una interfaz propia sino que se ha unido a programas desarrollados por terceros como DesingBuilder que recopila los parámetros de entrada necesarios para que funcione el Energy Plus (U.S Deparment of Energy, 2016). 17

31 Figura 1.2. Parámetros para simulación de modelos en DesingBuilder. 18

32 Equipos de climatización El uso de sistemas de climatización permite comprobar que la demanda energética sea de calefacción o refrigeración. Para el presente estudio la combinación de materiales de la envolvente que presente las menores demandas serán tomados como el caso adecuado de cada ciudad. Esto debido a que la demanda requerida está relacionada con las pérdidas y ganancias producidas en la envolvente y se cuantifica en un solo valor para comparar diferentes combinaciones de paquetes de materiales de construcción. La obtención de la menor demanda se realiza como medio de comparación con la combinación de paquetes de materiales de construcción con el mayor número de horas de confort térmico en vivienda cuando esta no tiene ningún elemento mecánico. La comparación se realiza para las dos ciudades de estudio. En el mercado existe gran variedad de modelos de equipos de climatización de diferentes marcas o fabricantes, se selecciona según el tipo de aplicación. Para climatizar un espacio al interior de la vivienda se pueden utilizar las consolas de pared y consolas de techo. Se utilizan en viviendas unifamiliares, salas de reunión, oficinas personales, etc. Si deben climatizarse dos o más zonas con el mismo equipo se utilizan los tipo ventiloconvector más conocido como fan coil, es de uso común en corredores, salas de espera, zonas de trabajo de empresas y lugares amplios. Se usan donde la calidad del aire es estándar. Filtra a 30% y solo se cumple con los requerimientos de ventilación de la ASHRAE (2004). Si los niveles de filtración son más estrictos (ASHRAE, 2013c) y se requieren grandes flujos de aire se utilizan unidades manejadoras de aire configuradas según la ASHRAE (2013b) en zonas con alto grado de contaminación. Todos los equipos para climatización presentan dos partes esenciales, un intercambiador de calor (coil) para climatizar y un ventilador (fan) para impulsar el aire a través del serpentín del intercambiador hacia la zona a climatizar. Los equipos comerciales filtran el aire en la toma antes del ventilador (Figura 1.3.). Dependiendo del fabricante el intercambiador de calor del equipo puede trabajar con agua o refrigerante. 19

33 Figura 1.3. Esquema interno de un equipo de climatización. (Fuente: ASHRAE, 2009) Para este proyecto se va a utilizar un fan coil por la facilidad que tienen de climatizar distintas zonas con un solo equipo. Puesto que el objetivo es variar materiales de construcción para mejorar el comportamiento térmico de la vivienda se hace uso de un equipo fancoil que permite medir la demanda energética Demanda energética La demanda energética es la cantidad de energía requerida por un equipo de climatización para alcanzar el confort térmico. La demanda puede ser de calefacción, refrigeración o combinados. Esta demanda es la métrica de comparación de las diferentes combinaciones de materiales de construcción y configuraciones (orientación) de la vivienda. Para la cuantificación de la demanda de energía se utiliza un equipo tipo fan coil en las simulaciones de cada ciudad Entorno rural y urbano de la vivienda Es importante analizar el comportamiento de las viviendas sociales tanto en un ambiente rural y urbano. En condiciones rurales la vivienda está aislada o las viviendas de los alrededores están demasiado alejadas para afectar el comportamiento del modelo de estudio. En condiciones urbanas las viviendas están adosadas o en contacto directo. En el caso de urbanizaciones están una junto a otra y también al frente y posterior de la misma siendo necesario conocer la distancia mínima entre viviendas. Según las ordenanzas N 3457 y 3477 Artículo 21 estipulan que en zonas urbanas existe acceso a las propiedades de los residentes con prioridad a peatones. La vía es de doble 20

34 carril, cada uno con un ancho de 3,5 m y acera mínima de 1,2 m de cada lado de la calle (Distrito Metropolitano de Quito, 2012). La distancia a usar es de 10 m entre viviendas tanto al frente y atrás. Se presentan cuatro modelos de urbanización (Figura 1.4.), creados a partir del caso base colocando viviendas adosadas y a los alrededores las cuales no generan zonas térmicas pero sí se consideran como obstrucciones solares. Las viviendas circundantes podrían estar o no habitadas y lo único que se desea conocer es el efecto que producen sobre la vivienda que se está analizando. Es decir la incidencia del sol sobre la vivienda de estudio varía la demanda de calefacción y refrigeración. El primer modelo tiene únicamente casas a los lados (UT1), el segundo presenta casas a los lados y al frente de la entrada (UT2), para el tercero tiene viviendas adosadas a los costados, en parte frontal y en la parte posterior de la entrada (UT3) y para el cuarto modelo se colocan casas a los lados y en la parte posterior respecto a la entrada (UT4), como se muestran en la Figura 1.4. Urbanización Tipo 1 (UT1) Urbanización Tipo 2 (UT2) Urbanización Tipo 3 (UT3) Urbanización Tipo 4 (UT4) Figura 1.4. Modelos de urbanizaciones sociales. (Fuente: Tindale, 2014) 21

35 1.11. Orientación de la urbanización Cuando las viviendas se encuentran en una urbanización la orientación pasa a convertirse en un factor importante. Se va a rotar la casa de acuerdo a los puntos cardinales. En el programa DesignBuilder es posible definir la orientación de la edificación que se está analizado. Según el valor deseado de rotación es posible rotar 360 con el incremento que se desee. Para este estudio se va a rotar la vivienda desde 0 con incrementos de 90 como se muestra en la Figura 1.5. Figura 1.5. Rotación de la vivienda. (Fuente: Tindale, 2014) 22

36 2. METODOLOGÍA El presente estudio se enfoca en medir el comportamiento térmico interior de modelos de vivienda social para Esmeraldas e Ibarra mediante la utilización de una estrategia pasiva. Por lo que se seleccionará un modelo de vivienda social como el caso base. Para este proyecto se utilizará como caso base a las viviendas construidas por el MIDUVI. La vivienda del caso base está construida con material de asbesto para la cubierta, paredes de bloque enlucido, piso de hormigón, ventanas de vidrio claro, la puerta exterior es de metal y las puertas interiores son de madera. Tiene una distribución de dos dormitorios, una sala-comedor y baño. Las dimensiones de la vivienda se especifican en el ANEXO 1. En el modelamiento de la vivienda en este estudio se considerará la geometría, los materiales de construcción y el nivel ocupacional de la vivienda. Cada vivienda estará bajo las condiciones meteorológicas propias de cada ciudad de estudio. La ocupación de la vivienda es de cuatro personas definida por el censo de población del INEC, (2010). Cada zona de la vivienda se asignará al total de habitantes razón por la que se definirá horarios de ocupación. El objetivo de esta investigación es determinar cómo influirán los materiales de construcción más comunes que se utilizan en cada ciudad de estudio. Se realizará una investigación para obtener las principales propiedades termofísicas de los materiales como son la (1) densidad, (2) conductividad térmica y (3) calor específico. Esta información se usará como parámetros de entrada del modelo virtual que se simulará en el software DesignBuilder. Con la base de datos de los materiales de construcción para paredes, pisos y cubierta se procederá a realizar la combinación de materiales en la envolvente de la vivienda. Se considera inicialmente como vivienda rural ya que no existen obstáculos alrededor. Se podrá cuantificar el comportamiento térmico en el interior de la vivienda mediante la medición de la demanda energética sea calefacción o refrigeración. La combinación de materiales de construcción con la menor demanda energética definirá el caso adecuado para cada ciudad. A partir del caso adecuado se determinará la demanda energética a nivel urbano adosando viviendas para determinar el efecto que producen obstáculos externos sobre el modelo de estudio. Este efecto se mide con la demanda energética variando la orientación de la vivienda. Para finalmente medir el número de horas de confort térmico en cada vivienda para la ciudad de Esmeraldas e Ibarra. 23

37 2.1. Condiciones Térmicas A estas condiciones térmicas se las conoce también como condiciones meteorológicas. Para las simulaciones de DesignBuilder se utilizan archivos meteorológicos creados a partir de mediciones horarias en estaciones cercanas a las Ciudades de estudio. El archivo meteorológico para la ciudad de Esmeraldas obtenido del INHAMI presenta datos desde el 1 de Julio del 2014 al 18 de Febrero del 2015 (5603 mediciones horarias), al no tener por lo menos un año completo de datos de comparación se generó un archivo alterno en el programa Meteonorm V7 (Remund, Salvisberg, & Stefan, 1995). Para generar archivos meteorológicos en el Meteonorm V7 es necesaria las coordenadas geográficas, la altitud y el huso horario del lugar de estudio. Se realizó una comparación puntual de las 5603 mediciones horarias de temperatura de cada archivo. Debido a que el cambio de sensación térmica se da cada 3 C (Tabla 1.2.) se obtuvo que el 84,3% están en este rango de variación. Por esta razón se usó los datos generados de un año del Meteonorm. La Figura 2.1. muestra la temperatura exterior de bulbo seco del día con la mayor temperatura en archivos climáticos del INHAMI y se da el 1 de julio de Se observa una tendencia similar de las dos curvas con una diferencia entre temperaturas horarias en el rango de 3 C. Temperatura Exterior de Bulbo seco Esmeraldas 35 Temperatura [ºC] Hora Temperatura Exterior de Bulbo Seco (Archivo Meteorológico INHAMI) Temperatura Exterior de Bulbo Seco (Archivo Meteorológico Meteonorm) Figura 2.1. Comparación temperatura de bulbo seco exterior para la ciudad de Esmeraldas. Al no existir estaciones meteorológicas automáticas en las cercanías de la ciudad de Ibarra también se generó un archivo meteorológico alterno. Tomando en cuenta que el 24

38 archivo meteorológico generado por el programa Meteonorm para la ciudad de Esmeraldas presentó una aproximación a la realidad Modelo de vivienda El modelo de base para este estudio es la vivienda del MIDUVI (Ver ANEXO 1). La vivienda presenta dimensiones exteriores de 6 x 6 m. Distribución interior de dos habitaciones, baño y cocina-sala como se muestra en la Figura 2.2. La cubierta de la vivienda es de asbesto, paredes de bloque enlucido, piso de hormigón, acristalamiento de vidrio claro, puertas interiores de madera y la puerta del acceso principal de metal. Figura 2.2. Distribución interna del modelo de vivienda social del MIDUVI. (Fuente: Tindale, 2014) La Tabla 2.1. muestra las áreas de la envolvente de la vivienda, las más representativas son cubierta, muros y piso. Bajo esta consideración se determinará el caso adecuado combinando los materiales de cada una de las tres zonas. Se mantiene las propiedades del modelo del MIDUVI para las puertas y acristalamiento. 25

39 Tabla 2.1. Área de la envolvente de la vivienda. Área % Área Área del Piso 32,491 26,04% Área de Muros 52,028 41,69% Área de Cubierta 34,148 27,36% Área de Acristalamiento 4,240 3,40% Área Puerta Ext 1,890 1,51% Total 124,8 100,00% 2.3. Paquetes de construcción Con los materiales de construcción obtenidos del INEC (2010) se inicia un desglose de las capas que lo conforman. Cada conjunto de capas va a ser llamado un paquete de construcción, cada uno se utilizará en la simulación en Design Builder. Los componentes del paquete de construcción poseen propiedades termofísicas y espesores característicos como muestra la Figura 2.3. Figura 2.3. Paquete de construcción con diferentes capas de material. (Fuente: Chegg, 2016) Los espesores definidos están basados en las Especificaciones Técnicas Generales de Edificación para vivienda rural y urbana marginal del Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda (MIDUVI). La Tabla 2.2. presenta los paquetes de construcción, espesores y coeficiente de transferencia de calor de materiales que definen el caso base. 26

40 Tabla 2.2. Paquetes de construcción para cubierta. Coeficiente global de Paquete de Tipo de Espesor Fuente para transferencia U construcción Material (m) espesores (W/m2-K) Asbesto Asbesto 0,005 6,49 (SERVITECHOS, 2010a) Hormigón Hormigón 0,1 5,07 (Arqhys, 2015) Teja Teja Aire Madera 0,005 0,02 0,02 3,22 (Decodrywall, 2015) (Tindale, 2014) (Nutsch, 2005, p. 66) Zinc Zinc 0,0002 7,14 (SERVITECHOS, 2010b) Tabla 2.3. Paquetes de construcción para paredes. Coeficiente global de Paquete de Tipo de Espesor Fuente para transferencia U construcción Material (m) espesores (W/m2-K) Adobe Adobe 0,15 2,01 (MIDUVI, 2012) Bahareque Tierra 0,15 3,48 (MIDUVI, 2012) Enlucido 0,015 (MIDUVI, 2012) Bloque Bloque y 0,15 3,26 (MIDUVI, 2012) Enlucido 0,015 (MIDUVI, 2012) Enlucido 0,015 (MIDUVI, 2012) Ladrillo Ladrillo y 0,15 1,58 (MIDUVI, 2012) Enlucido 0,015 (MIDUVI, 2012) Guadúa Guadúa 0,02 4,33 (Nutsch, 2005, p. 66) Hormigón Hormigón 0,15 3,91 (MIDUVI, 2012) Madera Madera 0,02 3,08 (Nutsch, 2005, p. 66) Tapial Tapial 0,15 3,78 (MIDUVI, 2012) 27

41 Tabla 2.4. Paquetes de construcción para piso. Coeficiente Paquete de construcción Baldosa y Hormigón Baldosa y Ladrillo Hormigón Ladrillo Duela y Hormigón Duela y Ladrillo Madera Tipo de Material Espesor (m) global de transferencia U (W/m2-K) Baldosa 0,02 Masillado 0,02 Hormigón 1,8 0,05 y Grava 0,1 Baldosa 0,02 Masillado 0,02 Ladrillo y 0,05 1,48 Grava 0,1 Masillado 0,02 Hormigón y 0,05 1,88 Grava 0,1 Masillado 0,02 Ladrillo y 0,05 1,54 Grava 0,1 Duela 0,02 Masillado 0,02 Hormigón 1,46 0,05 y Grava 0,1 Duela 0,02 Masillado 0,02 Ladrillo y 0,05 1,24 Grava 0,1 Fuente para espesores (Piedra Purpura, 2010) (MIDUVI, 2012) (MIDUVI, 2012) (MIDUVI, 2012) (Piedra Purpura, 2010) (MIDUVI, 2012) (Blanco Ladrillos, 2010) (MIDUVI, 2012) (MIDUVI, 2012) (MIDUVI, 2012) (MIDUVI, 2012) (MIDUVI, 2012) (Blanco Ladrillos, 2010) (MIDUVI, 2012) (Nutsch, 2005, p. 66) (MIDUVI, 2012) (MIDUVI, 2012) (MIDUVI, 2012) (Nutsch, 2005, p. 66) (MIDUVI, 2012) (Blanco Ladrillos, 2010) (MIDUVI, 2012) Madera y 0,02 1,67 (Nutsch, 2005, p. 66) Tierra 0,3 Tierra Tierra 0,3 2,25 (MIDUVI, 2012) 28

42 Tabla 2.5. Paquetes de construcción para acristalamiento. Paquete de construcción Tipo de Material Espesor (m) Coeficiente global de transferencia U (W/m2-K) Fuente para espesores Vidrio Vidrio 0,002 5,93 (MIDUVI, 2012) Tabla 2.6. Paquetes de construcción para puertas. Paquete de construcción Tipo de Material Espesor (m) Coeficiente global de transferencia U Fuente para espesores (W/m2-K) Madera Madera 0,04 1,59 (Simbolocalidad, 2008) Metal Plancha de Tol 0,002 3,84 (Aceroscenter, 2010) 2.4. Condiciones de ocupación La ocupación está directamente relacionada con los factores de confort térmico. Para una vivienda la tasa metabólica correspondiente a actividades sedentarias es de 1,1 met y la velocidad del aire es de 0,2 m/s (ASHRAE, 2009). El rango ideal de humedad relativa (HR) por recomendación de la CIBSE (2006, pp. 1 5) es de 40% a 60%. Debido a motivos de salud al sobrepasar el 60% HR empieza el crecimiento de microorganismos y afecta a equipos electrónicos. Por otro lado bajo el 40% HR se presentan problemas de acumulación de polvo e irritación en la piel (CIBSE, 2006, pp. 1 5). Al tratar de analizar la respuesta térmica la humedad relativa solo va a ser considerada para ayudar a definir los rangos de confort térmico. El nivel de arropamiento se ha calculado con los valores sugeridos en la Tabla 8 de la ASHRAE (2009). Para cada ciudad se ha seleccionado una vestimenta común como se muestra en la Tabla 2.7. Con los valores definidos de tasa metabólica, velocidad del viento, nivel de arropamiento y humedad relativa de 40% a 60% se determina las temperaturas que definirán los rangos de confort respectivos de cada ciudad. Para determinar el rango de confort térmico de Esmeraldas e Ibarra con el nivel de arropamiento calculado en la Tabla 2.7. para cada ciudad se debe aplicar las ecuaciones Ecuación 2.1. y Ecuación

43 Tabla 2.7. Nivel de arropamiento (clo) para Esmeraldas e Ibarra. Nivel de arropamiento Esmeraldas Ibarra Ropa interior 0,04 0,04 Calcetines 0,06 Sandalias 0,02 Zapatos 0,02 Camiseta manga corta 0,19 0,19 Pantalón simple 0,24 0,24 Chaqueta simple ligero 0,36 Total 0,49 0,91 Nivel de clo a utilizar 0,5 0,9 (Fuente: ASHRAE, 2009) (Ecuación 2.1.) (Ecuación 2.2.) Dónde: : límite superior de temperatura operativa para un índice de arropamiento I cl. : límite inferior de temperatura operativa para un índice de arropamiento I cl. : índice de arropamiento de los ocupantes. Se va a utilizar el método gráfico sugerido por la ASHRAE (2009). Para determinar las temperaturas máxima y mínima a 0,5 clo y 1,0 clo para el rango de confort térmico como muestra la Figura

44 Figura 2.4. Rangos aceptables de temperatura operativa y humedad para viviendas. Fuente: (ANSI/ASHRAE, 2004, p. 5) Con los valores de temperatura de la Tabla 2.8. se determina los rangos de confort térmico de la Tabla 2.9 para valores de arropamiento de 0,5 clo en Esmeraldas y de 0,9 clo para Ibarra. El rango de confort térmico de cada ciudad se utiliza como consigna de calefacción y refrigeración en las simulaciones energéticas. Tabla 2.8. Límites de Temperatura mínima y máxima para determinar el rango de confort térmico [ C]. Límites de temperatura para el rango de confort [ C] 24 27, Las viviendas van a ser utilizadas por núcleos familiares de cuatro integrantes (INEC, 2010). La vivienda está dividida en dos dormitorios, un baño y una sala-comedor. En la Tabla se asigna el total de ocupantes por habitación y la densidad de ocupación requerida por el programa. Es necesario establecer horarios de ocupación (Tabla 2.11.) para cuantificar el total anual de horas. 31

45 Tabla 2.9. Rango de confort térmico para Esmeraldas e Ibarra. Rango de confort térmico [ C] Esmeraldas 0,5 clo Ibarra 0,9 clo 24 20,8 27,5 25,5 Tabla Densidad de ocupación de la vivienda. Área del piso Densidad Personas (m 2 ) (personas/m 2 ) Cocina-Sala 13,8 4 0,3 Dormitorio 1 8,1 2 0,25 Dormitorio 2 8,1 2 0,25 Para el horario de ocupación el programa trabaja con valores entre 0 y 1. El valor 0 significa que la habitación está vacía y el valor 1 representa que la habitación está completamente ocupada para la densidad de personas por unidad de área asignada. Tabla Horario de ocupación de la vivienda. Horario de ocupación de la vivienda Lunes - Domingo Dormitorio 1 Dormitorio 2 Sala y Comedor 21:00-06: :00-07: :00-08: ,5 08:00-13: :00-17: ,5 17:00-21: Para el baño no se considera un horario específico de ocupación por el corto tiempo de uso. De los horarios de ocupación establecidos se determina que durante 19 horas se encuentra al menos una persona al interior de la vivienda. Por lo tanto las horas de ocupación al año son 6935 horas en las cuales se buscará igualar las horas de confort térmico. 32

46 El programa considera cargas térmicas de iluminación por lo cual se propone el uso de focos ahorradores de 25 Watts, ver Tabla Tabla Iluminación de la vivienda. Área del piso (m 2 ) Cantidad de focos de 25 watts Iluminación (W/m 2 ) Cocina-Sala 13,8 2 4 Dormitorio 1 8,1 1 3 Dormitorio 2 8, Infiltración de la vivienda El tiempo necesario para cambiar totalmente el aire en un edificio es denominado tiempo de demora y se determina por la tasa de ventilación. Para viviendas cerradas sin ventilación mecánica, el tiempo de demora es mayor. Según la ASHRAE (2013a, p ) la mayoría de las viviendas en los Estados Unidos tienen fugas es decir, generalmente un cambio de aire por hora. Se usa esta información debido a la inexistencia de datos prácticos en Ecuador. La infiltración en la vivienda es de 53,12 CFM (Tabla 2.13.) que es mayor a la ventilación necesaria de 41,85 CFM (Tabla 2.14.). En consecuencia no es necesario instalar un sistema de ventilación forzada. En la configuración del DesignBuilder la renovación por hora es de uno para el caso base. La misma configuración se mantendrá para determinar el caso adecuado. Tabla Cálculo de infiltración en la vivienda. Volumen de Vivienda (m 3 ) Cambios Hora Total (m 3 /h) Total (CFM) 90, , ,12 (Fuente: (ASHRAE, 2013a, p ) 33

47 Tabla Cálculo de ventilación necesaria en la vivienda. Vivienda L/s. Renovación del L/s.m 2 persona aire (L/s) Área Total (m 2 ) 32,5 0,3 9,75 Número de personas 4 2,5 10 Total (L/s) 19,75 Total (CFM) 41,85 (Fuente: (ASHRAE, 2007, p. 14) 2.6. Demanda energética Para contestar la pregunta fundamental de esta investigación acerca de la influencia de los materiales de construcción de la envolvente en la respuesta térmica de las viviendas sociales se realiza la combinación de paquetes de construcción establecidos en la Sección 2.3. Para cuantificar la influencia de los materiales se utilizan sistemas de climatización. Debido a que permite medir las pérdidas y ganancias de calor del comportamiento global de la envolvente de la vivienda. Dependiendo de las condiciones meteorológicas el primer criterio de selección fue determinar el tipo de demanda sea de calefacción o refrigeración que más afecta al comportamiento de la vivienda. El segundo criterio es buscar la combinación de paquetes de construcción que presenten la menor demanda energética en calefacción o refrigeración según lo que se establezca en el primer criterio siendo este el caso adecuado para cada ciudad. Después se retira el sistema de climatización para determinar el número de horas de confort térmico. 34

48 3. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN La Tabla 3.1 muestra el caso base para las dos ciudades de estudio, los paquetes de construcción corresponden al modelo de construcción del MIDUVI. Tabla 3.1. Caso base para las dos ciudades de estudio. Paquete de construcción Tipo de Material Espesor (m) Techo o cubierta Asbesto Asbesto 0,005 Enlucido 0,015 Paredes Bloque Bloque y 0,15 Enlucido 0,015 Masillado 0,02 Piso Hormigón Hormigón y 0,05 Grava 0,1 Puertas Madera Madera 0,04 Metal Plancha de Tol 0,002 Ventana Vidrio Vidrio 0,002 (Fuente: MIDUVI, 2012) 3.1. Caso base para Esmeraldas El caso base de Esmeraldas es el modelo de vivienda del MIDUVI (2012) y bajo las condiciones meteorológicas de la ciudad de Esmeraldas. Se determina que la mayor demanda según el primer criterio es por refrigeración siendo de 21260,74 kwh anual. En cuanto a calefacción es de 151,72 kwh que representan el 0,714% respecto a la demanda en refrigeración. Para este modelo que se determina como el caso base se retira el sistema de climatización para determinar el número de horas de confort térmico. En la Figura 3.1. se muestra la distribución anual de temperaturas operativas (8760 horas). Del total anual las horas de ocupación son 6935 horas determinadas a partir del horario de ocupación de la Tabla Se observa que la mayor parte del tiempo las temperaturas operativas se encuentran sobre el rango de confort. El sistema de climatización presentó mayores demandas en refrigeración respecto a la calefacción. 35

49 Figura 3.1. Distribución anual de temperaturas operativas del caso base para la ciudad de Esmeraldas. En la Tabla 3.2. se muestran las horas de confort térmico de todas las combinaciones posibles de los paquetes de construcción para la ciudad de Esmeraldas. Se hace relevancia al caso base el cual tiene un número de horas de confort térmico de 2560 horas. Este valor es la referencia para comparar las diferentes combinaciones de paquetes de construcción. Tabla 3.2. Horas de confort de la combinación de paquetes de construcción para la ciudad de Esmeraldas. PISO PARED Bloque Ladrillo Bahareque Guadúa Hormigón Madera CUBIERTA Asbesto CUBIERTA Hormigón CUBIERTA Zinc Hormigón Madera Baldosa y hormigón Ladrillo Baldosa y ladrillo Hormigón Madera Baldosa y hormigón Ladrillo Baldosa y ladrillo Hormigón Madera Baldosa y hormigón Ladrillo Baldosa y ladrillo

50 Del total de horas de ocupación (6935 horas) el 36,91% de horas (2560 horas) permanece en confort térmico. El 2,74% de horas restantes se encuentran bajo el rango de confort térmico y 60,35% sobre el rango de confort térmico definido en la sección Análisis rural para Esmeraldas En el análisis rural se realiza con el fin de determinar el comportamiento de la vivienda sin interferencias de ningún tipo alrededor de la vivienda. En este modelo de vivienda se realiza la combinación de paquetes de construcción que para la ciudad de Esmeraldas se tiene 90 posibles combinaciones. Según el segundo criterio de selección definido en la sección 2.6. el parámetro de selección del caso adecuado en Esmeraldas será la combinación de paquetes de construcción que presente la menor demanda en refrigeración. La Figura 3.2. muestra la demanda en refrigeración de todas las combinaciones posibles de paquetes de construcción para la ciudad de Esmeraldas. Se tiene que la demanda anual en refrigeración del caso base es de 21260,74 kwh y del caso adecuado de 15997,17 kwh. Se debe considerar que el caso adecuado para Esmeraldas es determinado por la demanda en refrigeración y el mismo modelo de vivienda para determinar la demanda en calefacción. La Figura 3.3. muestra la demanda en calefacción de todas las combinaciones posibles de paquetes de construcción para la ciudad de Esmeraldas. De los resultados obtenidos el caso que presenta la menor demanda en refrigeración está compuesto de cubierta de hormigón, piso de hormigón y paredes de ladrillo. Esta combinación tiene 2835 horas de confort térmico. Este número de horas de confort térmico no es el mayor de todas las posibles combinaciones de paquetes de construcción que se muestra en la Tabla 3.2. El paquete constructivo que presenta el mayor número de horas confort térmico (2988 horas) está compuesto por cubierta de zinc, piso de baldosa hormigón y paredes de madera. Fue necesario comparar el comportamiento de temperaturas operativas de las dos viviendas. 37

51 Figura 3.2. Demanda energética anual de Refrigeración para viviendas sociales en Esmeraldas. 38

52 Figura 3.3. Demanda energética anual de Calefacción para viviendas sociales en Esmeraldas. 39

53 En la Figura 3.4. se observa que la combinación de paquetes de construcción que presenta la menor demanda en refrigeración es el que tiene las menores variaciones del rango de temperaturas operativas y más cercanas al rango de confort térmico respecto a la combinación que tiene el mayor número de horas de confort térmico. Con lo que se determina que el caso adecuado es la combinación de paquetes de construcción que presentó la menor demanda en refrigeración. Figura 3.4. Comparación de temperaturas operativas anuales entre el caso adecuado y el paquete de construcción con mayor número de horas de confort térmico. La Tabla 3.3. presenta la combinación de paquetes de construcción con la menor demanda en refrigeración. Se reduce de 21260,74 kwh de la demanda en refrigeración del caso base a 15997,17 kwh con el caso adecuado, teniendo una mejora del 24,76% respecto al caso base. 40

54 Tabla 3.3. Caso adecuado para Esmeraldas. Techo o cubierta Paquete de construcción Tipo de Material Espesor (m) Coeficiente global de transferencia U (W/m2-K) Hormigón Hormigón 0,005 5,07 Enlucido 0,015 Paredes Ladrillo Ladrillo y 0,15 1,58 Enlucido 0,015 Masillado 0,02 Piso Hormigón Hormigón y 0,05 1,88 Grava 0,1 Puertas Madera Madera 0,04 1,59 Plancha de Metal 0,002 3,84 Tol Ventana Vidrio Vidrio 0,002 5, Distribución de temperatura operativa para Esmeraldas Para observar el comportamiento de la vivienda se escoge realizar la comparación el 1º de julio siendo el mismo día de la comparación de los archivos meteorológicos del INHAMI y Meteonorm. La comparación se realiza entre las temperaturas de exteriores de bulbo seco, las temperaturas operativas del caso base y el caso adecuado. La Figura 3.5. muestra que la variación de temperaturas en el caso adecuado se reduce respecto al caso base. El caso base presenta una tendencia similar al comportamiento de la temperatura exterior de bulbo seco. Las horas de confort térmico se determinaron después de retirar el sistema de climatización. El número de horas de confort aumenta de 36,91% del caso base a 40,88% para el caso adecuado. 41

55 Temperatura [ C] DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS OPERATIVAS 1º DE JULIO - ESMERALDAS 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Hora Temperatura Exterior de Bulbo Seco Temperatura Operativa Caso Base Temperatura Operativa Caso Adecuado Figura 3.5. Distribución temperaturas operativas en el modelo de vivienda para Esmeraldas Análisis urbano para Esmeraldas El análisis urbano se lo realiza para determinar el comportamiento de la vivienda cuando existen interferencias alrededor de la vivienda estas pueden ser viviendas adosadas o que se encuentren al frente o posterior de la misma (Ver Figura 1.4.). Se rota la urbanización en los 4 puntos cardinales para analizar el efecto de la incidencia solar en las fachadas. Las viviendas en un entorno de urbanización en Esmeraldas presentan una reducción de la demanda anual en refrigeración respecto al caso adecuado. Como muestra la Figura 3.6. se disminuye la demanda hasta un 91,41% en refrigeración siendo de 15997,17 kwh a 14623,06 kwh al año. El número de horas de confort térmico anual sube de 40,88% a 42,06% en el modelo UT3-90 (Urbanización Tipo 3 con rotación 90º, Ver Figura 1.4.). 42

56 CONSUMO RESPECTO CASO ADECUADO % 110,00% 100,00% 90,00% 80,00% 70,00% DEMANDA ENERGÉTICA Y CONFORT TÉRMICO ANUAL SIN HVAC DE VIVENDAS URBANAS RESPECTO AL CASO ADECUADO - ESMERALDAS 37,46% 97,38% 38,02% 96,65% 38,44% 96,24% 37,84% 96,93% 41,37% 92,10% 41,73% 91,73% CONSUMO REFRIGERACIÓN 42,06% 91,41% 41,72% 91,79% 37,62% 97,27% 37,89% 96,76% 38,51% 96,15% 38,15% 96,64% 41,43% 92,09% 41,69% 91,74% 42,09% 91,43% 41,67% 91,78% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% CONFORT ANNUAL % % HORAS DE CONFORT ANUAL SIN HVAC Figura 3.6. Demanda energética y confort anual de viviendas urbanas respecto al caso adecuado - Esmeraldas. En la Figura 3.7. se observa la distribución horaria promedio de temperaturas operativas en para el 1 de julio del modelo UT3-90 (Urbanización Tipo 3 con rotación 90º) respecto al caso adecuado y caso base. La variación de temperaturas se reduce y aumenta el confort térmico. Temperatura [ C] DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS OPERATIVAS 1º DE JULIO - URBANIZACIONES ESMERALDAS Caso Base Caso Adecuado UT Hora Figura 3.7. Distribución de temperaturas de urbanizaciones - Esmeraldas. 43

57 3.5. Caso base para Ibarra El caso base de Ibarra es el modelo de vivienda del MIDUVI (2012) y bajo las condiciones meteorológicas de la ciudad de Ibarra. Se determina que la mayor demanda según el primer criterio es por calefacción siendo de 7563,89 kwh anual. Respecto a refrigeración es de 767,96 kwh que representan el 10,15% de la demanda de calefacción. Para este modelo que se determina como el caso base se retira el sistema de climatización para determinar el número de horas de confort térmico. En la Figura 3.8. se muestra la distribución anual de temperaturas operativas (8760 datos). Del total anual las horas de ocupación son 6935 horas determinadas a partir del horario de ocupación de la Tabla Se observa que la mayor parte del tiempo las temperaturas operativas se encuentran debajo del rango de confort. En consecuencia el sistema de climatización presentó mayores demandas en calefacción respecto a la refrigeración. Figura 3.8. Distribución anual de temperaturas operativas del caso base en Ibarra. En la Tabla 3.4. se muestran las horas de confort térmico de todas las combinaciones posibles de los paquetes de construcción para la ciudad de Ibarra. Se hace relevancia al caso base el cual tiene un número de horas de confort térmico de 1883 horas. Este valor 44

58 es la referencia para comparar las diferentes combinaciones de paquetes de construcción. Tabla 3.4. Horas de confort de la combinación de paquetes de construcción para la ciudad de Ibarra. CUBIERTA Asbesto CUBIERTA Hormigón CUBIERTA Teja PISO PARED Bloque Ladrillo Hormigón Madera Adobe Tapial Hormigón Madera Baldosa y hormigón Duela y hormigón Ladrillo Baldosa y ladrillo Duela y ladrillo Tierra Hormigón Madera Baldosa y hormigón Duela y hormigón Ladrillo Baldosa y ladrillo Duela y ladrillo Tierra Hormigón Madera Baldosa y hormigón Duela y hormigón Ladrillo Baldosa y ladrillo Duela y ladrillo Tierra Se determina que del total de horas de ocupación (6935 horas) el 27,15% de horas (1883 horas) permanece en confort térmico. El 67,53% de horas restantes se encuentran bajo el rango de confort y el 5,32% restante se encuentra sobre el rango de confort térmico definido en la sección

59 3.6. Análisis rural para Ibarra En el análisis rural se realiza con el fin de determinar el comportamiento de la vivienda sin interferencias de ningún tipo alrededor de la vivienda. En este modelo de vivienda se realiza la combinación de paquetes de construcción que para la ciudad de Ibarra se tiene 144 posibles combinaciones. Según el segundo criterio de selección definido en la sección 2.6 el parámetro de selección del caso adecuado en Ibarra será la combinación de paquetes de construcción que presente la menor demanda en calefacción. La Figura 3.9. muestra la demanda en calefacción de todas las combinaciones posibles de paquetes de construcción para la ciudad de Ibarra. Se tiene que la demanda anual en calefacción del caso base es de 7563,89 kwh y del caso adecuado de 2793,94 kwh. Se debe considerar que el caso adecuado para Ibarra es determinado por la demanda en calefacción y el mismo modelo de vivienda para determinar la demanda en refrigeración. La Figura muestra la demanda en refrigeración de todas las combinaciones posibles de paquetes de construcción para la ciudad de Ibarra. De los resultados obtenidos el caso que presenta la menor demanda en calefacción está compuesto de cubierta de teja, paredes de ladrillo y piso de duela-ladrillo. Esta combinación tiene 2961 horas de confort térmico. Este número de horas de confort térmico es el mayor de todas las posibles combinaciones de paquetes de construcción que se muestra en la Tabla 3.4. Esta combinación se determina como el caso adecuado. La Tabla 3.5. presenta la combinación de paquetes de construcción con la menor demanda energética anual en calefacción. Se reduce de 7563,89 kwh de la demanda en calefacción del caso base a 2793,94 kwh con el caso adecuado, la mejora es de 63,06% de la demanda en calefacción respecto al caso base. 46

60 Figura 3.9. Demanda energética anual de Calefacción para viviendas sociales en la ciudad de Ibarra. 47