Energía y confort en edificaciones

Transcripción

1 Centro de Investigación en Energía UNAM, Temixco Morelos Energía y confort en edificaciones Guadalupe Huelsz Grupo de Energía en Edificaciones Jorge Rojas, Ramón Tovar, Guillermo Barrios Pablo Elías, Adriana Lira Carlos Campo, Antonio Castillo, Maria Cedillo, Fabrisio Gómez, Javier Muñoz, Santiago Juárez, Carlos Ramírez, Ángel Arana Junio 2011

2 Energía y confort en edificaciones Contenido Cuál es la motivación del GEE-CIE Qué estamos haciendo en el GEE-CIE Estudios básicos Estudios aplicados Proyecto SENER-CONACYT Sustentabilidad Energética Necesidad de simulaciones 3D de convección natural 2

3 Cuál es la motivación del GEE-CIE Aproximadamente el 30% del total del consumo de energía del país corresponde a los sectores residencial, comercial y de servicios - energía en edificaciones Más del 90% de la energía que se consume en México, tiene su origen en la quema de recursos no renovables. Energía eléctrica en México 2007 Ahorro de energía en edificaciones Reducción de la demanda energética Reducción de emisiones de CO 2 Fuente: Fide, 2009, Taller sobre la envolvente térmica y el ahorro de energía 3

4 Uso de energía en acondicionamiento higrotérmico y de calidad de aire de las edificaciones Dos terceras partes de la superficie del país presenta condiciones de clima cálido (seco en el norte y húmedo en las costas). Clima templado Consumo eléctrico residencial en México 2007 Entretenimiento 25% Otros 10% Refrigerador 30% Iluminación 35% Aire acondicionado 35% Clima cálido Iluminación 12% Refrigerador 25% Otros 8% Fuente: FIDE, 2009, Taller sobre la envolvente térmica y el ahorro de energía Entretenimiento 20% 4

5 Estudios Básicos Experimentos Escala laboratorio Simulaciones numéricas de dinámica de fluidos computacionales Aplicados Mediciones Simulaciones numéricas de balances globales BG (PowerDOE, Energy Plus) 5

6 Estudios básicos Convección natural en una pared vertical parcialmente calentada Experimentos escala laboratorio Agua, visualización gradientes de densidad (temperatura) (Schlieren) Medición temperatura Simulaciones numéricas 2D (Ecuación de Boltzman en redes) Se determinó la aceleración vertical del frente de la pluma como función del Q número de Rayleigh (flotación/viscosidad) Transición de flujo laminar a flujo turbulento (coeficiente de transferencia de calor h) Tovar R., Rojas J., Cedillo M.L (2004) Int.Com.Heat and Mass Trans. 31(4), Barrios G., Rechtman R., Rojas J., Tovar R. (2005) J.Fluid Mech. 522, Rojas J., Tovar R. (2010) Heat Transfer Engineering 31(10), pp

7 Estudios básicos Convección y ventilación en dos habitaciones conectadas Experimentos escala laboratorio Agua-salmuera coloreada (Δρ - ΔT) Medición de salinidad (atenuación de luz por colorante) Ecuaciones simples (programas BG) Recomendaciones para diseño El número de aberturas internas, su tamaño y su posición determinan el tipo de estratificación que se desarrolla en los cuartos. El tamaño y la posición de la abertura exterior repercute en el flujo a través de la misma (cantidad y régimen). Thomas LP, Marino BM, Tovar R, Linden PF, J. Fluid Mech. 594, Tovar R, Campo Garrido CA, Thomas LP, Linden PF, ASME J. Solar Energy Eng. 131,

8 Estudios aplicados Calentamiento del foro de la sala de conciertos Nezahualcoyotl Calentamiento del foro en invierno ensayos 8:30 a 14:00 10 o C (mínimo 18 o C) Volumen zona foro es <2% del volumen de la sala Existencia de un sistema de calentamiento no eficaz abajo del foro en la cámará acústica Siete alternativas calentamiento foro Calentamiento sala 8

9 Propuesta calentamiento foro aprovecha el sistema existente, se añaden tubos y deflectores y se inyecta horizontalmente aire caliente desde la periferia del piso del foro Simulación numérica dinámica de fluidos (Fluent) y Temperatura en la zona del foro es mayor a los 21 o C después de una hora de iniciado el proceso de inyección de aire x Potencia 14.4 kw o C o C Energía díaria 93.6 kwh 2m 9

10 Calentamiento de toda la sala (21 o C) Simulación numérica PowerDOE Potencia 248 kw (17 veces) Energía díaria 5952 kwh (64 veces) Huelsz G., Rojas J., Alpuche G., Estrada C., Informe técnico para Rectoría UNAM. 10

11 Estudios aplicados Auditorio Tonatiuh del CIE Diseño bioclimático Ventanas remetidas Fuentes laterales Turbinas eólicas Cámara ventilada, plafón-techo Muros dobles 11

12 Mediciones de temperaturas Porcentaje de horas en confort al interior del auditorio (2007) Horario de uso Disconfort cálido 12

13 Modificaciones propuestas: 1) Sistema pasivo Aumentar la protección solar en ventanas con elementos horizontales (en proceso) 13

14 Uso de elementos activos de bajo consumo energético 2) Ventilación nocturna experimentos simulación 3) Turbinas eléctricas con enfriamiento evaporativo (en proceso) Implementado con ventilas de apretura programada Rojas J., Huelsz G., Tovar R., Elías-López P. Alpuche M.G., 2009, ANES. 14

15 Estudio aplicado (vinculación con la industria) Mejorar el comportamiento térmico de viviendas de concreto construidas con el sistema Meccano 15

16 Se realizaron mediciones de parámetros higrotérmicos en casas típicas de concreto monolítico. Evaluación del desempeño térmico. Verificación de la simulaciones numéricas realizadas con el programa Energy Plus. Se construyeron módulos para evaluación de materiales (concreto+barrera térmica, concreto aereado y block de concreto hueco), se midieron parámetros higrotérmicos. Evaluación del desempeño térmico. Verificación de simulaciones numéricas realizadas con el programa Energy Plus (block diferencias importantes) 16

17 Casa modelo con uso de sistemas pasivos de climatización 17

18 Casa modelo de concreto + barrera térmica en el exterior 18

19 Normatividad en México NMX-C-460-ONNCCE-2009 Industria de la construcción aislamiento térmico valor R para las envolventes en vivienda por zona térmica para la República Mexicana Valor R debe ser mayor a un valor de referencia (absurdo) dependiente del clima Basada en transferencia de calor independiente del tiempo NOM-008-ENER-2001 Eficiencia energética en edificaciones, envolvente de edificios no residenciales Ganancia de calor debe de ser menor que referencia Supone todo el tiempo aire acondicionado (25oC) Basada en transferencia de calor independiente del tiempo valor-r NOM-020-ENER-(en proyecto) Eficiencia energética en edificaciones, envolvente de edificios residenciales (=) 19

20 Muro o techo simple Tsa Two Twi Ecuación de conducción de calor 1D independiente del tiempo =0 q ho hi Ti! T! t 2! T " # 2! x = 0 L x Condiciones de frontera " T q" =! k = ho( Tsa! Two) " x wo Solución R = 1 ho q" = + L k To! R + 1 hi Ti " T q" =! k = hi( Twi! Ti) " x wi se desea valor R dado L se desea k 20

21 Muro o techo simple Tsa Two Twi Ecuación de conducción de calor 1D (1D lejos unión otro muro 2D, esquinas 3D) dependiente del tiempo q ho hi Ti! T! t 2! T " # 2! x = 0 " = k! c L x Condiciones de frontera! k " T " x wo = ho( Tsa! Two) se desea α k! k " T " x wi = hi( Twi! Ti) solución por diferencias finitas 21

22 Transferencia de calor a través de muros y techos de la envolvente de la edificación ai Tsa = Ta + + ho C E Sin aire acondicionado 22

23 Muro o techo compuesto Tsa Two Twi Ecuación de conducción de calor 1D dependiente del tiempo para cada componente i q ho hi Ti! Ti " # i! t 2! T! x i 2 = 0 Condiciones de frontera " T1! k1 " x wo " = = ho( Tsa! Two) i ki! c i i! k 1 " T " x =! k " T x 1 2 1! 2 " se desea α i k i 2 1! 2 x " T2! k2 " x wi = hi( Twi! Ti) Orden de las capas? 23

24 Transferencia de calor a través de la envolvente Sin aire acondicionado Con aire acondicionado Ti=cte HDC R=0.27 AeC R=1.03 EPS R=2.7 [R] = m 2 /W EPSext EPSint EPSext R=1.8 R=1.8 R=1.8 Barrios G, Huelsz G, Rechtman R, Rojas J, Energy and Buildings 43, Barrios G, Elías P, Huelsz G, Rojas J, 2010, ANES, Guanajuato, Gto, 2010 ABC-65, 1-6. Huelsz, G., Rechtman, R., Rojas, R. 2009, ANES, Guadalajara, Jal., 28 septiembre- 3 octubre 2009, ABC-050,

25 Desarrollo y validación de una metodología para estimar los impactos en el ahorro de energía por el uso de sistemas pasivo-constructivos en la edificación para diferentes climas de México Proyecto del Fondo Sectorial de Sustentabilidad Energética SENER-CONACYT Convocatoria S

26 Entidades participantes: Centro de Investigación en Energía Universidad Nacional Autónoma de México (líder) Programa de Arquitectura, Departamento de Bellas Artes - Universidad de Sonora Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo- Universidad Autónoma de Tamaulipas Facultad de Arquitectura y Diseño Universidad de Colima Ingeniería Mecánica Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Arquitectura Bioclimática Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco

27 OBJETIVOS 1.Generar información sobre la distribución y características de sistemas pasivos usados en viviendas en diferentes climas de México: cálido semi-húmedo, cálido seco extremoso, cálido húmedo y templado húmedo. 2.Establecer una metodología basada en un análisis de transferencia de calor dependiente del tiempo y con ella generar una herramienta simplificada para la evaluación del desempeño térmico de la envolvente de edificaciones y la estimación del ahorro de energía para climas de México. 27

28 Diagnóstico de uso de sistemas pasivos Sistemas pasivos de climatización Son los elementos constructivos que diseñados adecuadamente acorde al clima propician condiciones de confort higrotérmico o reducen la demanda energética para climatización 126 modelos de viviendas, representan más de 22,200 viviendas, lo que corresponde al 15% de las viviendas ofertadas en las cinco zonas (48% en la ZMCM). 28

29 Conclusión Existe un gran potencial de mejora si se diseñaran las casas con criterios bioclimáticos 29

30 Herramienta simplificada para la evaluación del desempeño térmico de muros y techos de la envolvente de edificaciones Con aire acondicionado y sin aire acondicionado Simulaciones capas homogeneas (en proceso) Simulaciones capas no homogeneas como son las del block y de la bovedilla huecos Necesidad de contar con coeficientes de tranferencia de calor por convección natural en las geometrías reales obtenidos por simulaciones 3D (solo se disponen de resultados de simulaciones 2D) 0.125m x 0.135m x 2.50m 30

31 Conclusiones Es fundamental la colaboración entre arquitectos, expertos en transferencia de calor y en dinámica de fluidos y los constructores Es necesaria la formación de recursos humanos Incluir el diseño bioclimático en la curricula de todos las licenciaturas en arquitectura Especialistas en transferencia de calor, dinámica de fluidos y diseño bioclimático 31

32 Estudio para el Calentamiento del Foro de la Sala Nezahualcóyotl 8/32 Centro de Investigación en Energía, UNAM Alternativas tecnológicas A. Calentamiento zona del Foro 1. Piso radiante 2. Calentadores eléctricos tipo bajo alfombra cubriendo toda el área del Foro 3. Tapetes individuales con calentadores eléctricos 4. Radiadores incandescentes eléctricos 5. Flujo de aire sobre toda el área del Foro 6. Flujo de aire desde la periferia del Foro 7. Sillas con calentadores eléctricos B. Calentamiento de toda la Sala 32