Simulaciones energéticas como herramienta para evaluación térmica de las viviendas sociales del Ecuador: Caso Yachay

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1 Simulaciones energéticas como herramienta para evaluación térmica de las viviendas sociales del Ecuador: Caso Yachay Isabel Miño 1,*, Andrea Lobato 1, Jerko Labus 1 1 INER, Quito, Ecuador * Autor corresponsal: isabel.mino@iner.gob.ec RESUMEN El crecimiento urbano de países en desarrollo como el Ecuador, representa un problema de gran magnitud en cuanto a la construcción de viviendas sociales para reducir el déficit habitacional. Asumiendo la existencia de un mayor déficit cualitativo en las viviendas, el objetivo de este estudio es analizar las condiciones de confort térmico y la eficiencia energética que se puede conseguir según el tipo de materiales utilizados en la envolvente de una edificación. Este estudio presenta resultados de simulaciones energéticas de un prototipo diseñado en base a características de viviendas sociales de Ecuador. Se analizaron tres casos de estudio cuya variable es la materialidad de los elementos constructivos. La zona de análisis corresponde al Cantón Urcuquí en la provincia de Ibarra. Orientación de superficies acristaladas, protecciones solares y aislación térmica se analizaron como estrategias pasivas. A través de estas variables se obtuvieron resultados sobre las condiciones de confort de las viviendas en cada uno de los tres casos. El caso que utiliza los materiales de construcción predominantes de las viviendas sociales en Ecuador, presenta mayor pérdida de energía a través de la envolvente ocasionando un alto nivel de disconfort. Sin embargo, se alcanza un 79% de horas de confort a través del uso correcto de aislación térmica y protecciones solares. Por lo que se concluye que para mejorar las condiciones de habitabilidad en una vivienda social, es necesario el uso adecuado de materiales aislantes en la envolvente y un control efectivo de las ganancias solares. PALABRAS CLAVES Simulación, confort térmico, materialidad, viviendas, Ecuador. INTRODUCCIÓN En los países en desarrollo, particularmente en América Latina, el rápido crecimiento de las áreas urbanas ha dado lugar a problemas complejos como la explotación de los recursos naturales, la contaminación ambiental y las emisiones de gases de efecto invernadero (Cerón Palma et al., 2013). El desarrollo urbano acelerado surge como consecuencia del crecimiento poblacional y por lo tanto el incremento en la demanda de vivienda. En países industrializados, la vivienda es un producto terminado. Ferguson and Navarrete (2003) mencionan en su artículo que en países en desarrollo el 70% de la vivienda social es un producto de crecimiento progresivo y usualmente generado a partir de invasión de tierras. La conclusión del trabajo de Rodríguez and Sugranyes (2004) es que las políticas de vivienda social en Latinoamérica se han enfocado en reducir el déficit cuantitativo de vivienda. Como consecuencia, en la actualidad se generan deficiencias en las características cualitativas de las viviendas. Las edificaciones consumen más del 40% de la energía a nivel mundial. En el Ecuador, el sector residencial representa el 35% de la demanda de energía eléctrica anual(conelec, 2013). De acuerdo al análisis del perfil de la vivienda social en Ecuador desarrollado por Jarrin (2012), el déficit cualitativo representa a las viviendas que no cuentan con las condiciones necesarias para cumplir sus funciones adecuadamente. Estas condiciones Página 1 of 8

2 pueden ser el hacinamiento, uso de materiales imperdurables, tenencia informal de suelo, falta de agua potable, luz eléctrica y demás servicios requeridos para el desarrollo adecuado de la familia. 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. La falta de vivienda social está relacionada a los hogares que no alcanzan los ingresos necesarios para acceder a una vivienda. El déficit calculado es unidades, de las cuales el 72% corresponde al déficit cualitativo y tan solo el 28% al déficit cuantitativo (Acosta, 2012). A nivel nacional, los programas habitacionales para atender el déficit cuantitativo son ejecutados por el Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda (MIDUVI) y financiados por el Banco Ecuatoriano de la Vivienda (BEV). Sin embargo, se han relegado en las políticas de vivienda social, condiciones de habitabilidad (confort térmico) y consumos energéticos. El objetivo principal de este estudio es analizar las condiciones de confort térmico y la eficiencia energética que se puede conseguir de acuerdo al tipo de materiales utilizados en la envolvente de una edificación. Las variables estudiadas fueron orientadas a las condiciones de confort térmico de un prototipo de vivienda social para la región interandina del Ecuador. METODOLOGÍA Para el diseño del prototipo, se utiliza como referencia la materialidad de las viviendas sociales a nivel nacional y la tipología de casa o villa según datos del último Censo de Población y Vivienda (INEC, 2010). En la Figura 1 se presenta el diseño del prototipo de vivienda, que ocupa un área de 45,17 m 2. El área está dividida en una zona interior de 40,64 m² y otra exterior de 4,53 m². La misma referencia indica que la densidad de ocupación es de 3,7 usuarios por vivienda. a) b) Figura 1: a) Planta del prototipo de vivienda, b) Perspectiva del prototipo de vivienda Este prototipo está planificado para ser fácilmente portable con el fin de replicar la toma de datos en diferentes localidades. Para la definición de materiales de la envolvente se consideraron datos estadísticos y resultados de investigaciones a nivel nacional. La vivienda se simula con las condiciones climáticas de la ciudad de Yachay, en el Cantón Urcuquí, provincia de Ibarra. El sitio está ubicado en las coordenadas Norte y Oeste, a una altitud de msnm. La temperatura media anual es de 17,8ºC, durante el año varía desde 16,5ºC a 20,2ºC. Los mínimos pueden llegar hasta 9ºC y los máximos a 28,5ºC. Los meses más fríos son junio, julio y agosto, mientras que los más cálidos se presentan en dos períodos, marzo abril y octubre noviembre. La humedad relativa media anual es de Página 2 of 8

3 84% y varía según la estacionalidad entre 75% y 89%. El archivo climático para la simulación fue generado mediante el programa Meteonorm (Remund, Kunz, & Schilter, 2008). El estudio consiste en la modelización de 3 casos de estudio en los que se varían los tipos de materiales que conforman la envolvente. Las simulaciones energéticas de los casos de estudio se han realizado en el programa DesignBuilder (DesignBuilderSoftwareLtd, 2010). Se consideran resultados que corresponden a una simulación anual a nivel horario. Los resultados analizados incluyen únicamente las horas de ocupación (6.205 horas). De acuerdo a estándares internacionales, el rango de confort considera variables como tasa metabólica, vestimenta (nivel de aislación), temperatura del aire, temperatura radiante, velocidad del aire y humedad relativa (ASHRAE, 2004). Sin embargo, en este estudio se considera únicamente datos de temperatura del aire en un rango entre 20ºC y 24ºC usados para contrastar los resultados. Asimismo, se evaluó la incidencia de la orientación de la vivienda con variaciones de 15º. La envolvente se simuló con tres tipos de materiales y dos sistemas constructivos, tal como se describe en la Error! No se encuentra el origen de la referencia.. El porcentaje de acristalamiento en los muros verticales es del 25%, considerando la puerta de entrada y las ventanas de piso a cielo raso. Esta estrategia evita el desperdicio de material por recortes en dinteles y antepechos. La ventilación natural está planificada para que se realice a través de las secciones que conforman las ventanas de planta baja y entre los cumbreros. La tasa de ventilación fija para la simulación es de 3 renovaciones de aire por hora. Las persianas exteriores se consideran como sistema de protección solar para todas las ventanas. Tabla 1: Tipo de materiales por Caso de estudio Piso Muros Ventanas Perfilería CASO 1 CASO 2 CASO 3 Materialidad W/m²K Materialidad W/m²K Materialidad W/m²K Concreto Cemento y Bloque Vidrio Simple Aluminio 2,69 2,27 6,12 5,88 Caña Guadua Balsa Caña Guadua Balsa Vidrio Cámara Aire PVC 0,83 1, ,47 Madera Lana de Roca Madera Lana de Roca Vidrio Cámara Aire PVC 0,43 0,47 2,70 3,47 Cubierta Zinc 7,14 Metal y Guadua Balsa 0,75 Metal y madera Lana de Roca 0,43 En el Caso 1, los materiales seleccionados corresponden a aquellos que se usan de forma predominante en las viviendas del país de acuerdo a los datos del último censo expuestos por el INEC. Para el Caso 2, se emplean materiales que se encuentran en proceso de investigación y desarrollo, como es el caso de paneles de caña guadua con aislación de madera de balsa a cargo de la Universidad Católica Santiago de Guayaquil (EcoMateriales, 2009). El Caso 3 utiliza materiales que permiten la movilidad de la vivienda, proceso de armado y desarmado. La asignación de ganancias internas por ocupación, equipos e iluminación se ha simplificado en los modelos empleando los mismos valores en los tres casos de estudio, como se puede observar en la Tabla 2. Página 3 of 8

4 Tabla 2: Ganancias internas TASA TASA DE VENTILACIÓN DENSIDAD EQUIPOS ILUMINACIÓN METABÓLICA NATURAL (persona/m²) (W/persona) (W/ m²) (W/ m²) (ac/h) 0, , Para simplificar el análisis de resultados se consideró una zona térmica. Los resultados son presentados en función de rangos y frecuencia de temperatura para lo cual se usa el valor de la temperatura operativa. La temperatura operativa representa el valor medio entre la temperatura media de bulbo seco y la temperatura media radiante de un espacio. Este valor se lo usa frecuentemente en el análisis del desempeño térmico de edificaciones. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados obtenidos en los tres casos simulados demuestran que la temperatura interior varía de acuerdo al material utilizado en la envolvente. La Figura 2 presenta el porcentaje de horas anuales en diferentes rangos de temperatura de los tres casos estudiados. El que presenta mayor porcentaje de horas con temperatura de confort al año (79%), es la combinación madera/lana de roca (Caso 3). Con respecto al disconfort, donde entran los rangos con temperaturas menores a 17ºC y mayores a 27ºC, el mayor porcentaje se da en el Caso 1 (21% de las horas de ocupación). En contraste, las horas de disconfort en los Casos 2 y 3 llegan a 8% y 5%, respectivamente. Figura 2: Rangos de temperatura operativa Las frecuencias de distribución de temperaturas se presentan en la Figura 3. La curva de tendencia del Caso 1 muestra la mayor agrupación de horas en un rango de temperatura entre 17ºC y 20ºC. En los Casos 2 y 3, la curva de tendencia se desplaza hacia el rango de 20ºC y 24ºC. Asimismo, se puede observar la variación entre las máximas y mínimas temperaturas del interior. Esta diferencia en el Caso 1 es de 17,5 grados y oscila entre los 12,3ºC y los 30ºC. La diferencia de temperatura interior en los Casos 2 y 3 se reducen en 1,3 grados y 2,5 grados respectivamente con respecto al Caso 1. Página 4 of 8

5 Figura 3: Variación de temperatura de acuerdo a las horas de ocupación El balance energético que se muestra en la Figura 4, evidencia que el Caso 1 pierde energía de forma heterogénea, principalmente por paredes y pisos. El comportamiento en los Casos 2 y 3 es diferente, y las pérdidas se distribuyen uniformemente entre los componentes. El comportamiento de las pérdidas por infiltración y ventilación son inversas al de la envolvente. A mayor cantidad de pérdidas por envolvente menores son las pérdidas por infiltración y ventilación. El Caso 1 (bloque/zinc) presenta como resultado un menor balance energético final por techo a pesar de ser el material de mayor conductividad térmica (7,14W/m²K). El resultado obtenido es consecuencia de grandes pérdidas y ganancias equilibradas que se pueden evidenciar en un balance energético diario. Las cargas internas que generan mayor aporte son las de iluminación y ocupación. Las dos cargas establecidas se mantienen uniformes. Las ganancias solares a través de los cristales se reducen considerablemente por la implementación de protecciones solares exteriores en los tres casos. Figura 4: Balance Energético La estrategia de orientación se evaluó únicamente con el Caso 3 que presenta los mejores resultados de confort. La vivienda se rotó 360 grados en intervalos de 15º. Los resultados muestran un incremento del 20% de disconfort al ubicar ventanas en sentido EsteOeste Página 5 of 8

6 demostrando que la orientación más favorable es la que coloca sus fachadas acristaladas en las caras NorteSur, siendo la cara Sur la que menor incidencia de radiación solar recibe. Figura 5: Demandas energéticas de climatización A pesar de que no es común el uso de sistemas de calefacción en la región interandina del Ecuador, se realizó una simulación para calcular el requerimiento aproximado de calefacción y refrigeración para cada uno de los casos de estudio. El Caso 1 presenta una demanda de calefacción anual para suplir el requerimiento térmico de 719kWh, representando un incremento en el consumo energético total de la vivienda del 35%. Por otro lado, la demanda de calefacción para el Caso 2 y el Caso 3 alcanzan a penas un 9% y 3% respectivamente en comparación al Caso 1. La demanda energética de climatización del prototipo de vivienda de caña/balsa (Caso 2) representa un incremento del consumo energético total de la vivienda del 3% y el Caso 3 no llegan al 1%. Con respecto a los rangos de confort térmico, se establecieron cinco rangos de temperatura (Figura 2). El rango entre 20ºC y 24ºC se considera como óptimo, con temperaturas que mejor corresponden a la sensación de confort térmico de las personas según las normativas existentes. Teniendo en cuenta que se trata de una vivienda social, donde por lo general no hay uso de la ventilación mecánica y se considera la capacidad de adaptación térmica de los ocupantes, se extendió el rango de temperatura confort. Las temperaturas aceptables para este rango adaptativo de confort térmico están entre 18ºC y 26ºC. Con respecto a las pérdidas causadas por la selección de los materiales constructivos, los balances térmicos de los Casos 1 y 3 muestran el mismo nivel de pérdidas por vidrios. Esto se relaciona directamente con las características de transferencia de calor de los cerramientos opacos. En el Caso 1 se generan la mayor cantidad de pérdidas de energía a través de paredes, pisos y techos sin aislación térmica que representan el 90% de la superficie de la envolvente. El incremento de pérdidas a través de infiltración y ventilación en los Casos 2 y 3, se atribuyen a la configuración de la simulación energética. La activación del sistema de ventilación natural está programada a los 22ºC, condición que no es frecuente en el Caso 1. Las ganancias internas son similares en los tres casos de estudio. Entre ellas, las más representativas son las generadas por iluminación, debido a la asignación de cargas para la simulación. Este aporte energético por iluminación se puede reducir aplicando una estrategia de optimización lumínica. Las ganancias por ocupación en el Caso 1 son ligeramente más altas que en los Casos 2 y 3. La diferencia se asocia a que el Caso 1 presenta niveles de Página 6 of 8

7 temperatura más bajos, por lo tanto la incidencia del aporte calorífico por ocupación es más representativa. Por último, la incorporación de protecciones exteriores en las ventanas permite reducir en un 82% las ganancias solares en vidrios. La frecuencia de la temperatura máxima y mínima presentada en la Figura 3 se ve reflejada en los resultados de las demandas de climatización (Figura 5). El Caso 1 presenta temperaturas de hasta 13ºC al interior, generando una alta demanda de calefacción. En este caso, para mantener la temperatura del aire dentro del rango de confort, se requeriría de un sistema mecánico. Al contrario, los Casos 2 y 3 tienen demandas de climatización muy bajas que no justifican la implementación de un sistema mecánico. CONCLUSIONES Este estudio presenta una revisión bibliográfica sobre el déficit habitacional en el Ecuador, la cual indica un mayor déficit cualitativo que cuantitativo en las viviendas. El objetivo planteado es el análisis de las condiciones de confort térmico y la eficiencia energética que se puede conseguir de acuerdo al tipo de materiales utilizados en la envolvente de una edificación. Sobre este análisis, se desarrolló un prototipo de vivienda social basado en características existentes en el país. La simulación térmica se aplicó para evaluar tres casos de estudio en los que se modificó la materialidad de la envolvente. El prototipo de vivienda bloque/zinc (Caso 1) utiliza los materiales de construcción predominantes de las viviendas sociales. Estos materiales de envolvente presentan valores de conductividad térmica muy inferiores a los recomendados de acuerdo a los resultados obtenidos en el Caso 3 (madera/lana de roca). Los resultados de los tres casos estudiados permiten concluir que las condiciones de habitabilidad se pueden mejorar reduciendo la conductividad térmica en un 85% en pisos, 82% en paredes y 94% en techo. Aplicando estos criterios como en el Caso 3, se alcanza un 79% de horas de confort y si se amplía el rango de la temperatura aceptable se puede alcanzar hasta un 95%. De acuerdo al cálculo de cargas para climatización, el Caso 1 requiere un sistema de calefacción para mantener niveles adecuados de temperatura al interior. El sistema de calefacción generaría un incremento del 35% en el consumo energético de una vivienda social. La baja demanda energética en los Casos 2 y 3 no justifica la implementación de un sistema de climatización. La orientación, aislación térmica, ventilación natural, dimensiones de superficie acristalada y protección solar exterior se analizaron como estrategias pasivas. Las estrategias más efectivas para conseguir un alto desempeño térmico fueron aislación térmica y protección solar. A través del uso de materiales aislantes se incrementaron las horas de confort y se disminuyó la oscilación de temperatura al interior. Las ganancias solares interiores se reducen en un 82% con el uso de protecciones solares en superficies acristaladas. Este estudio es el punto de partida de una serie de estudios que se realizarán como parte de un proyecto de investigación que analizará las condiciones de confort térmico y eficiencia energética en edificaciones a nivel nacional. Asimismo, se calibrarán los datos obtenidos en las simulaciones energéticas con los datos tomados de un prototipo de vivienda construido de acuerdo a la materialidad del Caso 3. AGRADECIMIENTOS Los autores desean expresar su agradecimiento por el apoyo económico al Proyecto de Investigación Estudio para edificaciones de bajo consumo energético en Yachay. Página 7 of 8

8 REFERENCIAS Acosta, M. E. (2012). Viviendas deshabitadas. Un desafío para los Países. Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda. México. ASHRAE (2004). ASHRAE STANDARD Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. Atlanta. Bouillon, C. P. (2012). Un espacio para el desarrollo Banco Interamericano de Desarrollo, Los mercados de vivienda en américa Latina y el caribe. CerónPalma, I., SanyéMengual, E., OliverSolà, J., Montero, J.I., PonceCaballero, C., & Rieradevall, J. (2013). Towards a green sustainable strategy for social neighbourhoods in Latin America: Case from social housing in Merida, Yucatan, Mexico. Habitat International, 38, CONELEC. (2013). Demanda anual de energía eléctrica a nivel nacional por grupo de consumo (GWh). Registro Administrativo del Consejo Nacional de Electricidad Retrieved 2013, from l_01&tipo=anual DesignBuilderSoftwareLtd. (2010) (Version ). Retrieved from EcoMateriales. (2009). Universidad Católica Santiago de Guayaquil from Ferguson, B., & Navarrete, J. (2003). New approaches to progressive housing in Latin America: A key to habitat programs and policy. Habitat International, 27(2), doi: INEC. (2010). Instituto Nacional de Estadísticas y Censos, 2013, from Jarrin, A. M. (2012). Perfil del Sector Vivienda en Ecuador ONU HABITAT (pp. 300). Remund, J., Kunz, S., & Schilter, C. (2008). Meteonorm (Version Version 6.1). Switzerland. Retrieved from Rodríguez, A., & Sugranyes, A. (2004). El problema de vivienda de los "con techo". EURE (Santiago), 30, Página 8 of 8