DISEÑO BIOCLIMÁTICO DE UNA VIVIENDA DE FERROCEMENTO, PARA UN CLIMA TEMPLADO SECO, EN LA CIUDAD DE OAXACA

DISEÑO BIOCLIMÁTICO DE UNA VIVIENDA DE FERROCEMENTO, PARA UN CLIMA TEMPLADO SECO, EN LA CIUDAD DE OAXACA Sildia, MECOTT GÓMEZ, Rafael, ALAVEZ RAMIREZ, Prisciliano F. de J. CANO BARRITA Centro interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional I.P.N. Unidad Oaxaca. Calle Hornos No. 1003, Col. Sta. Cruz Xoxocotlán C.P. 71230, Oaxaca, Oax. México, Tel.(01951)5170610, ext.82713. mecott@gmail.com, pcano@ipn.mx, arrafael@yahoo.com.mx Palabras clave: Aislantes naturales, Radiación solar, Confort térmico, Dispositivos de control solar, ahorro energético RESUMEN El reducido espesor de las edificaciones de ferrocemento hace que sea altamente conductor del calor. De esta forma el interior de la construcción es inconfortable en época de verano y en invierno, requiriendo del uso de medios mecánicos de climatización. Para comprobar esto, se llevó a cabo un análisis comparativo de temperatura y humedad relativa de dos edificaciones, una construida con la tecnología de ferrocemento y otra con materiales convencionales. Posteriormente se realizó el estudio bioclimático de una vivienda de ferrocemento, para determinar las estrategias de diseño más apropiadas y lograr condiciones de confort térmico en un clima templado seco de la Ciudad de Oaxaca. Así mismo, se realizó un estudio de geometría solar interrelacionando los datos de temperaturas horarias en la gráfica solar y se diseñaron dispositivos de control solar evaluando las proyecciones solares por medio de gnomon y modelos virtuales. De acuerdo al estudio de temperaturas realizado en las edificaciones mencionadas, se obtuvo que el edificio de ferrocemento presentó mayores ganancias térmicas en verano y mayores pérdidas térmicas en invierno, mientras que la edificación convencional tampoco se encuentra dentro de la zona de confort, aunque presenta mejores resultados que el edificio de ferrocemento. Los resultados del estudio de geometría solar indican que la mejor orientación en la vivienda es el emplazamiento norte-sur, así como también que las estrategias bioclimáticas a seguir son proporcionar inercia térmica y ventilación. INTRODUCCIÓN Actualmente en la mayoría de las construcciones no se toma en cuenta las condiciones climatológicas del entorno para lograr condiciones de confort térmico favorables en una edificación. Esto ocasiona que en muchos países el consumo por energía eléctrica sea muy elevado, como es el caso de México, que de acuerdo al Balance Nacional de energía de 1997 de la Secretaría de Energía (1998) fue de 3,713.423 PJ (1 Peta Joule = 10 15 joules) (Viqueira, 2001)). De acuerdo con información recabada de la Comisión Nacional del Agua, la Ciudad de Oaxaca se caracteriza por tener un clima templado seco con una temperatura 1

promedio anual de 20.6ºC y una humedad relativa mayor a 50%. Sin embargo, en algunos meses del año se han tenido temperaturas cercanas a los 35 o C y en invierno hasta 6 o C. Por lo tanto presenta una oscilación térmica anual de 15.67 o C, que se considera de acuerdo a Fuentes F. (2004) una oscilación muy extrema. La precipitación media anual que presenta la región oscila entre los 700 y 1000mm, lo que indica que es una zona donde existen constantes lluvias a lo largo del año. La altitud de la ciudad es de 1550 msnm y se encuentra ubicado entre 17º 04 de latitud norte y los 96º 44 de longitud. Los vientos dominantes provienen del NE. El ferrocemento es un material que puede ser ventajosamente utilizado en la construcción de estructuras para diferentes propósitos tales como vivienda, auditorios, escuelas, etc., logrando estructuras ligeras y resistentes sobre todo cuando se utiliza en forma de cascarones. Además se obtiene una considerable economía con respecto a sistemas convencionales de construcción (Fernández et al. 2001,Fernández et al. 1998). Sin embargo, el reducido espesor del material hace que sea altamente conductor del calor, haciendo que el interior de la construcción no sea confortable en época de verano e invierno, requiriendo del uso de medios mecánicos de climatización. Esto provoca en el usuario problemas de salud, económicos y baja productividad. Para comprobar lo anterior, se llevó a cabo un análisis comparativo de temperatura y humedad relativa de dos edificaciones, una construida con la tecnología de ferrocemento y otra con materiales convencionales. Posteriormente se realizó el estudio bioclimático de una vivienda de ferrocemento, para determinar las estrategias de diseño más apropiadas y lograr condiciones de confort térmico en un clima templado seco de la Ciudad de Oaxaca. Así mismo, se realizó un estudio de geometría solar interrelacionando los datos de temperaturas horarias en la gráfica solar y se diseñaron dispositivos de control solar evaluando las proyecciones solares por medio de gnomon y modelos virtuales 3D. MATERIALES Y MÉTODOS Este trabajo está basado en la metodología de Fuentes (1994). Para este estudio se tomó en cuenta la orientación de la vivienda y los elementos climáticos del lugar tales como temperatura, humedad relativa, velocidad y dirección de los vientos, que interrelacionadas entre sí determinan las estrategias bioclimáticas a utilizar en la localidad. Análisis de temperatura y humedad relativa. El análisis consistió en tabular y graficar los parámetros de temperatura y humedad relativa durante un periodo de 30 años de acuerdo a los datos de la Comisión Nacional del Agua. Con esta información se determinó la Zona de confort para la Ciudad de Oaxaca. Para tal fin se utilizó la ecuación 1, de Aulliciem (Szokolay, 1984) para determinar la temperatura neutra T n = 17.6 + 0.31T m [1] 2

donde: T n = Temperatura neutra (ºC) T m = Temperatura media (ºC) La zona de confort térmico (Zct) se determinó de acuerdo a lo siguiente (4), Z ct = T n ± 2.5 ºC [2] De esta manera se determinó la zona de confort para la ciudad de Oaxaca, obteniéndose una temperatura neutra de 24ºC, y el rango de confort térmico se encuentra entre los 21.5ºC y los 26.5ºC. El confort en humedad relativa se encuentra entre los 30 y 70%. También se realizó una Carta estereográfica utilizando la información de las temperaturas horarias, con la finalidad de definir la mejor orientación y ubicación de cada uno de los espacios en función de sus requerimientos térmicos, aprovechando o evitando la inclinación de los rayos solares. Diagramas bioclimáticos El primero en definir una zona de confort con fines arquitectónicos a partir de una gráfica de temperaturas y humedades relativas fue Víctor Olygay (1963). Se graficaron las líneas de temperatura y humedad relativa máximas y mínimas de cada mes en la carta psicrométrica y el diagrama bioclimático para obtener las estrategias de diseño. Medición de temperaturas en tres edificios Para comprobar físicamente el comportamiento de la temperatura y humedad relativa de los edificios de ferrocemento se procedió a la colocación estratégica de sensores durante tres meses correspondientes a la estación de invierno, comparándolo con un edificio convencional. Se realizó también un análisis comparativo de un edificio de ferrocemento sin aislante con un edificio de ferrocemento con aislante. Evaluación del diseño bioclimático Se realizó el diseño bioclimático de una vivienda de interés social utilizando bloques de ferrocemento con uniones atornilladas de acuerdo al sistema constructivo propuesto por López (2005). La vivienda consta de dos plantas que contienen 3 recamaras, baño, sala, comedor, cocina, patio de servicio, medio baño y cochera en un terreno de 15 x 8 m con 131m 2 de construcción. Posteriormente se realizó el estudio de circulación del viento a través de los distintos espacios que conforman la vivienda, utilizando una cámara de humo que se constituye con dos cristales que contienen entre ellas un montaje de las plantas arquitectónicas del proyecto, y una serie de tubos a través de las cuales se dispersa el viento, simulado en este experimento por humo para una mejor visualización. Para el estudio fue analizado la fachada sur, norte y noreste que son las direcciones del viento dominantes. 3

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Análisis de temperatura y humedad relativa. En la figura 1y 2 se muestran con color oscuro el mes y el horario cuando se encuentra en confort, los colores cálidos muestran el mes y el horario cuando presenta temperaturas altas y los colores fríos el mes y el horario cuando presentan temperaturas bajas. Para el primer semestre (Fig. 1) se observa que en los meses de enero y febrero existe un bajo calentamiento de 6 a 11ºC entre las 7 y 9 de la mañana y de 9 a 12 horas con bajo calentamiento de 11 a 22ºC, entrando a la zona de confort de 12 a 14 hrs., posteriormente con sobrecalentamiento de 14 a 17 hrs. solo para el mes de febrero, y para el mes de enero el horario de confort es mayor. El comportamiento en los meses de marzo, abril, mayo y junio, es similar con bajo calentamiento de 6 a 11 de la mañana, de 11 a 14 horas se encuentra en confort, mientras que de 14 a 18 horas con sobrecalentamiento. 150 160 170 N 180 0 170 altura solar 160 150 150 160 170 N 180 0 170 altura solar 160 150 140 10 140 140 140 130 h=8:00 20 130 130 130 30 O 100 90 80 110 70 120 18 17 17 16 16 15 14 15 14 13 13 40 50 60 70 80 12 11 90 Jun 21 May. 21 Abr. 21 Mar. 21 Feb. 21 Ene. 21 12 11 10 10 9 9 8 8 7 6 7 120 110 100 70 80 Junio Mayo Abril 90 E Marzo Febrero Enero O 100 90 80 110 70 120 18 17 17 7 8 16 15 9 12 10 14 13 11 Jul. 21 Ago. 21 Sep. 21 Oct. 21 Nov. 21 Dic.21 16 15 12 10 9 8 14 13 11 6 7 120 110 100 70 Julio 80 Agosto Septiembre 90 E Octubre Noviembre Diciembre 60 60 60 60 50 50 50 50 40 30 20 10 0 S 10 Figura 1. Gráfica solar estereográfica (1er semestre) de Oaxaca de Juárez, Oax. 20 30 40 40 30 20 10 0 S 10 Figura 2 Gráfica solar estereográfica (2do semestre) de Oaxaca de Juárez, Oax. 20 30 40 CF TA 21.5 a 26.5 26.4 a 31.4 31.5 a 36.5 36.6 a 41.6 d 41 7 En el segundo semestre (fig.2) el comportamiento de los meses de Julio a Diciembre es similar de 6 a 10 de la mañana se encuentra con bajo calentamiento de 11 a 16ºC, de 10 a 12 horas con bajo calentamiento de 16 a 21 ºC, entrando a la zona de confort de 12 a 14 hrs, posteriormente de 14 a 18 hrs con sobrecalentamiento, solo en el caso del mes de el horario de confort se amplia de 12 a 18hrs. De esta forma se observa que el horario de confort se encuentra entre las 11 y 14 horas, mientras que por las mañanas presenta bajo TB 21.2 16.4 11.3 a a a menos de 16.5 11.4 6.3 6.2 4

calentamiento y por las tardes sobre calentamiento; con lo cual se concluye con base a éste análisis que la orientación óptima para la ciudad de Oaxaca es de norte-sur con el eje largo este-oeste, aprovechando las ganancias solares por las mañanas. Diagramas bioclimáticos En las figuras 3 y 4 se utiliza el metabolismo generado en una vivienda que corresponde a la línea de 130W. Se graficaron las líneas correspondientes a las temperaturas y humedades máximas y mínimas de cada uno de los meses. La figura 3, que corresponde a la estación de verano, durante el mes de Junio un 40% se encuentra dentro de la zona de confort y 60% dentro de las estrategias de radiación, en Julio el 30% se encuentra en la zona de confort y el 70% restante requiere de radiación, en Agosto el 30% se encuentra en confort y el 70% requiere radiación hasta 280 w/m2. En la figura 4, el comportamiento de los tres meses es similar, solo el 10% se encuentra dentro de la zona de confort y el 90% restante requiere de hasta 490 w/m 2 de radiación. Por lo tanto las estrategias obtenidas del diagrama bioclimático son ventilación y radiación por las mañanas. En la carta psicrométrica (Fig. 5 y 6), se obtuvieron las siguientes estrategias de diseño: ventilación natural y calentamiento solar pasivo. M= 400 W M= 300 W M = 210 W M= 130 W DIAGRAMA BIOCLIMÁTICO PARA EXTERIORES TRAZO DE TEMPERATURAS Y HUMEDAD TEMP. MAX. HUM. MIN. HUMEDAD (g/kg aire) Enero Febrero 26.5 28.2 47 41 TEMPERATURA DE BULBO SECO (ºC) Tn = 24 C 4.8 9.6 14.4 TRM. TBS (K) zona de confort límite de resistencia 6 2 1 0.5 0.3 0.25 70 140 210 280 350 RADIACION (w/m2) VIENTO (m/s) Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio 30.8 32.1 31.7 28.8 27.6 27.8 27.2 27.3 27 26.3 TEMP. MIN. 8.6 9.7 12.2 14.2 15.4 16.5 43 35 50 63 50 49 49 57 42 42 HUM. MAX. 90 85 80 81 85 89 420 490 Julio Agosto Septiembre 14.7 86 14.4 95 14.7 93 Octubre 13.1 88 d c b a M E T A B O L I S M O 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Noviembre Diciembre 10.6 9.2 95 93 VERANO HUMEDAD RELATIVA (%) JUNIO JULIO AGOSTO DIAGRAMA BIOCLIMÁTICO (según Olgyay, adecuado por Szokolay) MEDIDAS CORRECTIVAS POR MEDIOS NATURALES O PASIVOS,PARA RETORNAR A CONDICIONES DE CONFORT PARA EXTERIORES Figura 3. Diagrama bioclimático (Verano) 5

M= 400 W M= 300 W M = 210 W M= 130 W DIAGRAMA BIOCLIMÁTICO PARA EXTERIORES TRAZO DE TEMPERATURAS Y HUMEDAD TEMP. MAX. HUM. MIN. HUMEDAD (g/kg aire) Enero Febrero 26.5 28.2 47 41 TEMPERATURA DE BULBO SECO (ºC) Tn = 24 C 4.8 9.6 14.4 TRM. TBS (K) zona de confort límite de resistencia 6 2 1 0.5 0.3 0.25 70 140 210 280 350 RADIACION (w/m2) VIENTO (m/s) Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio 30.8 43 32.1 35 31.7 50 28.8 63 27.6 50 27.8 49 27.2 49 27.3 57 27 42 26.3 42 TEMP. MIN. HUM. MAX. 8.6 90 9.7 85 12.2 80 14.2 81 15.4 85 16.5 89 420 490 Julio Agosto Septiembre 14.7 86 14.4 95 14.7 93 Octubre 13.1 88 d c b a Noviembre Diciembre 10.6 9.2 95 93 M E T A B O L I S M O 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 INVIERNO HUMEDAD RELATIVA (%) DICIEMBRE ENERO FEBRERO DIAGRAMA BIOCLIMÁTICO (según Olgyay, adecuado por Szokolay) MEDIDAS CORRECTIVAS POR MEDIOS NATURALES O PASIVOS,PARA RETORNAR A CONDICIONES DE CONFORT PARA EXTERIORES Figura 4. Diagrama bioclimático (invierno) HUMEDAD RELATIVA EN % Mes Junio Julio Agosto Temp. Max. C Hum. Min. % 26.4 63.0 26.7 50.0 27.8 49.0 30 Mes Temp. Min. C Hum. Max. % Junio 16.5 89.0 Julio 15.8 86.0 Agosto 16.7 95.0 25 20 JUNIO 15 AGOSTO JULIO T 10 0 5 TEMPERATURA DE BULBO SECO ( C) Figura 5. Carta psicrométrica de la ciudad de Oaxaca en Verano 6

HUMEDAD RELATIVA EN % Mes Temp. Max. C Hum. Min. % Diciembre Enero Febrero 25.2 42.0 27.0 47.0 27.8 41.0 30 Mes Temp. Min. C Hum. Max. % Diciembre 8.5 93.0 Enero 10.9 90.0 Febrero 11.6 85.0 25 20 15 ENERO T 10 DICIEMBRE FEBRERO 5 dt 0 dt 4 TEMPERATURA DE BULBO SECO ( C) dt= 21.5 dt= 27.9 Figura 6. Carta psicrométrica de la ciudad de Oaxaca en Invierno Debido a las características físicas del ferrocemento resulta inapropiado utilizar la masividad en sus muros ya que el ferrocemento es llamado como tal por permitir construir con menor espesor y proporcionar seguridad estructural, con lo cual se convierte en un sistema constructivo económico. Sin embargo al utilizar una capa con mayor volumen podría crear conflictos estructurales, al utilizar una capa gruesa en la base y una delgada en la techumbre, además que incrementaría el costo; por lo tanto se propone utilizar aislantes térmicos naturales en los muros para lograr el confort térmico en el interior. Cabe hacer mención que las estrategias que contienen las cartas analizadas no contemplan la utilización de los aislantes, por tal motivo no son arrojados dentro de sus posibles estrategias. Medición de temperaturas en tres edificios Los resultados indicaron una diferencia de temperaturas de hasta 7ºC entre el edificio de ferrocemento y uno convencional. Sin embargo, el horario de confort se presenta similar aunque para el edificio de ferrocemento es en un periodo mas corto (Fig 7). Comparando las temperaturas entre los edificios de ferrocemento con y sin aislantes, se observa que existe una diferencia de temperaturas de hasta 5ºC (Fig 8). Sin embargo el comportamiento térmico del edificio con aislante resulta más favorable que el del edificio sin aislante, pero no logra estar dentro de la zona de confort, por lo tanto se estima que la utilización de los aislantes podría ser una alternativa para lograr el confort en el interior de las viviendas de ferrocemento. 7

Gráfica comparativa ºC 28.00 26.00 24.00 22.00 20.00 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 Edificio convencional Edificio de ferrocemento confort mínimo Confort máximo 00:04 02:04 04:04 06:04 08:04 10:04 12:04 horas 14:04 16:04 Figura 7. Gráfica comparativa de temperatura del edificio convencional y el edificio de ferrocemento. 18:04 20:04 22:04 Grafica comparativa del mes de Febrero 2006 Temperatura (ºC) 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 edificio de ferrocemento sin aislante edificio de ferrocemento con aislante Rango de confort mínimo Rango de confort máximo Tiempo (h) Figura 8. Gráfica comparativa de temperatura del edificio de ferrocemento con aislante y uno sin aislante. Evaluación del diseño bioclimático Las figuras 9 y 10 muestran el diseño del control solar para la fachada sur y la inclinación de los rayos solares en planta. Puede observarse que la utilización de los aleros ayudan a contrarrestar la energía radiante durante las horas no requeridas. La forma de la casa, la posición de la ventana y la inclinación del techo se pueden aprovechar para captar el calor solar. En la figura 11 se muestra la inclinación de los rayos solares durante las 11 y 14:00 horas. Se propone el uso de un techo y un plafón de color claro para que refleje mejor los rayos solares y logre calentar la habitación de la planta alta. 8

10 5 4 3 cochera 2 y patio de servicio cocina patio de servicio recamara principal Recámara comedor Recámara s x sala x' N Control solar en fachada sur b 10 11 12 13 14 15 16 5 4 3 Terraza o futura ampliación 16:00 16:00 16:00 14:00 14:00 14:00 y' jardín 16:00 16:00 Fig.9.Planta arquitectónica baja. Fig10. Planta arquitectónica alta Alero Ayudan a contrarrestar la radiación solar por los lados del Vano, esto con el fin de protegerse contra el sol del atardecer. 14:00 nara protegerse de los rayos solares a partir de las 2 de la tarde. Con estas dimensiones protege la habitación tanto en verano como en invierno. terraza vestibulo recamara Sala comedor cocina Fig.11. Corte y-y Modelo 3D En el modelo virtual que se presentan en las figuras 12, 13 y 14 se comprueba que el diseño de la fachada sur logra aprovechar la incidencia de los rayos solares desde que sale el sol hasta las horas durante la época de invierno, y evita la entrada de los rayos solares de las 12:00 horas en adelante. 9

Fig.12. Incidencia de los rayos solares el 21 de Diciembre a las hrs. Fig.13. Incidencia de los rayos solares el 21 de Diciembre a las 14:00 hrs. Fig.14. Incidencia de los rayos solares el 21 de Diciembre a las 16:00 hrs. Para comprobar los resultados del modelo virtual, se realizó el estudio en 3D por medio de una maqueta escala 1:50, utilizando el gnomon para las proyecciones solares (ver Fig.15,16 y 17). Estas figuras muestran resultados similares a los obtenidos en el modelo virtual, por lo cual la manera más eficiente de proyección de sombras es el modelo virtual. planta alta planta baja planta alta planta baja Fig.15. Proyección solar a las hrs del mes de Diciembre Fig.16. Proyección solar a las 14:00 hrs del mes de Diciembre Estudio de vientos Cabe mencionar que el viento será aprovechado solo en las horas de sobrecalentamiento que se presentan de 14:00 a 18:00 horas (Sol, 2006). a b c d Planta baja Planta alta Fig.17.Imágenes de la circulación del viento a través de ventanas y puertas. a, b y c) vientos dirección norte, d) vientos dirección sur. 10

CONCLUSIONES La ciudad de Oaxaca posee un clima templado seco con oscilaciones térmicas de hasta 16ºC. La zona de confort esta entre los 20 a 26ºC que se presentan en promedio de a 14:00 horas, en el resto del día se encuentra fuera del confort. De acuerdo a los diagramas bioclimáticos, las estrategias a utilizar son ventilación e inercia térmica, siendo esta última incompatible con el uso del ferrocemento. Debido a esta incompatibilidad, deberá explorarse la utilización de aislantes naturales para mejorar el desempeño térmico de este tipo de edificaciones. De acuerdo al estudio de temperaturas horarias realizado en las edificaciones de ferrocemento y convencional, se obtuvo que el edificio de ferrocemento tiene mayores ganancias térmicas en verano y mayores pérdidas en invierno comparado con un edificio convencional. Con la orientación norte-sur propuesta a partir del estudio de la grafica estereográfica, permitirá un mejor aprovechamiento de la energía radiante durante las horas en que son requeridas. Con el estudio de ventilación se demuestra que los espacios interiores que integran el proyecto se encuentran diseñados para tener una mejor circulación de viento y de esta manera aprovechar la ventilación natural y lograr mejores condiciones de confort térmico. AGRADECIMIENTOS Sildia Mecott agradece al CONACYT y a la COFAA-IPN por el apoyo económico brindado para realizar estudios de maestría, Jesús Cano agradece a la CGPI IPN por apoyar el Proyecto de investigación Clave 20050141, Rafael Alavez agradece a la CGPI IPN por el apoyo a la Propuesta de estudio Clave 20050897. REFERENCIAS Fernández, A., Alavez, R. and Montes, P. (2001), Small, resistant, durable and low cost houses, Proceedings of the 7º International Symposium on Ferrocement and Thin Reinforced Cement Composites, (ed. M.A. Mansur and K.C.G.Ong) National University of Singapore, pp. 307-316. Fernández, A., Juarez L. and Cano, F. (1998), A resistant, comfortable and economical school of ferrocement, Journal of Ferrocement, vol. 28, nº 4, Oct, pp. 351-57. Fuentes Freixanet Víctor A. (1994), Metodología de Diseño Bioclimático, Tesis Maestría UAM Azc. Pág 247. López C. H. (2005). Desarrollo de un sistema constructivo modular de mortero armado para vivienda de interés social. Tesis de postgrado, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, México. 11

S.V. Szokolay.(1984). Passive and Low energy Design for Termal and visual comfort. PLEA 84 Pergamon Press. N.Y. USA. p11-28. Viqueira, R. (2001). Introducción a la arquitectura bioclimática 12