Segundo Congreso Científico Tecnológico de la Carrera de IME de la FES Cuautitlán

IE-03 Segundo Congreso Científico Tecnológico de la Carrera de IME de la FES Cuautitlán COMPARACION ENTRE EL ANALISIS DE PRECISION LUMINICO REALIZADO POR UN HELIODON Y UN PROGRAMA DE SIMULACIÓN LUMINICA: CASO TORRE ALTUS, CIUDAD DE MEXICO. Francisco Javier López Contreras y Agustín Torres Rodríguez Posgrado en Arquitectura, Universidad Nacional Autónoma de México, Col. Coyoacán, México D.F, 0510, México, cosar0@hotmail.com Posgrado en ingeniería en Energía, UNAM, Coyoacán, D.F, 0510, México, agustin71tr@yahoo.com.mx RESUMEN El Laboratorio de Diseño Bioclimático del posgrado de Ingeniería de la Universidad Autónoma México, ya contaba con un heliodón de mesa fija y foco móvil. El objetivo del presente trabajo es mostrar la precisión lumínica con la que se puede alcanzar al usar este tipo de heliodones, los cuales permiten visualizar rápidamente las diferencias estacionales y horarias al efectuar simulaciones en comparación con algún software como el 3D Studio Max en un caso de estudio de un edificio ubicado en la Ciudad de México. Para cumplir el objetivo se hizo necesaria la construcción de una maqueta para efectuar simulaciones de comportamiento de sombras, penetración solar y control lumínico. Se efectuó un modelo en Autocad para ser importado al programa de simulación lumínica en donde se registraron los datos de altura, declinación solar, azimut, radiación solar, y visualización de sombras para los días 11, 12 y 13 de abril, registrando datos y trayectorias del comportamiento. En el heliodón se colocó la maqueta y se efectuaron las mediciones para la misma fecha. Se realizaron mediciones en el edificio con sensores de iluminación para comparar la precisión de ambos métodos de simulación. Los resultados se presentan al final del presente trabajo. Finalmente queremos resaltar las ventajas y desventajas de utilizar estos dos métodos de simulación tienen para el ingeniero y el arquitecto de hoy el día en la realización de cualquier proyecto bioclimático. ABSTRACT The bioclimatic laboratory design engineer of Nacional Autonomy University, it has a table set heliodon and mobil focus. The objective of present document is to show the luminic precision that is posible to reach with this kind of heliodons, these let to see quickly the stational differences and hours because of making simulations in comparation with some software like 3d Studio Max in studio case of building what is laid in Mexico city. For reaching the objective we made a prototype in order to study the behavior of shadows, solar penetration and luminic control. We made a model in Autocad in order to imported a simulation luminic program where we registrated hihg data, solar declination, acimuth, solar radiation and shadows vision on april 11th, 12th and 13th, we registrate data and behaviour trayectories. On heliodon we put a prototype and took the measurements on the same date. We made measurements in the building with ilumination sensors in order to compare the precision of both similation methods. Finally we want to show tha advanteges and disadvantages of using two sumilation s methods to the engineer and architect today are making for whichever bioclimatic s project. Palabras claves: heliodón, simulación, software, mediciones y lumínico. CARTAS BIOCLIMÁTICAS DE GIVONI Y SOKOLAY PARA EL MES DE ABRIL. Para estudiar las condiciones climatológicas de la delegación se hizo necesario recurrir a las normales climatológicas proporcionadas por la estación metereológica del Sistema Meterológico Nacional para los años comprendidos entre 1951 y 1980.La delegación se ubica en 19.35 grados latitud norte y 99.30 grados de longitud oeste a 2283 metros sobre el novel del mar. Con ayuda del programa desarrollado por el Doctor Adalberto Tejeda procedemos a calcular las condiciones de temperatura y humedad prevalecientes en la delegación. En la tabla 1 se pueden observar las temperaturas exteriores para el año. 1

ESTIMACION DE TEMPERATURAS HORARIAS MEDIAS MENSUALES, A PARTIR DE MEDIAS EXTREMAS. Localidad Cuaji. D.F Lat. (xx.x) 19,35 Long.(xxx.x) 99,3 Altitud (m) 2283 ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic Temp max 17,3 18,3 21, 21,8 21,7 19, 18,0 18,0 17,7 17, 1,7 15,8 Temp min,,7 7,8 8, 9,5 8,7 8,2 8,0 8,0 7,0 5,5, Temp med 11,0 11,5 1,7 15,2 15, 1,1 13,1 13,0 12,9 12,3 11,1 10,1 Hora min,52,318,07 5,779 5,53 5,20 5,9 5,9 5,9,225,,581 Hora max 13,93 13,818 12,897 13,9 13,133 13,330 12,719 13,19 13,53 13,395 13,9 13,831 Hora (TSV) 0:00 7,9 8,1 11,1 11, 12,1 10,9 10,3 10,2 10,3 9, 8, 7, 1:00 7,3 7,5 10,5 11,0 11, 10,5 9,9 9,8 9,8 9,1 7,9,9 2:00,8 7,0 10,0 10,5 11,2 10,2 9,5 9, 9,5 8,7 7,, 3:00,,5 9,5 10,2 10,9 9,9 9,3 9,1 9,2 8, 7,0,0 :00,0,1 9,2 9,8 10, 9, 9,1 8,9 8,9 8,1,7 5,7 5:00 5,7 5,8 8,9 9, 10, 9, 8,9 8,7 8,8 7,9,5 5, :00 5,5 5, 8,7 8, 9,7 8,9 8, 8,1 8,0 7,7,3 5,2 7:00,8 5,1 8, 10,0 11,3 10,5 9,8 9,2 8,7 7, 5,7,5 8:00,5 7,3 11,2 12,7 1,0 13,0 12,0 11, 10,7 9,2 7,3,0 9:00 9,3 10, 1, 15,8 1,8 15, 1,2 13,7 12,9 11,7 9,8 8,5 10:00 12,3 13,5 17, 18,5 19,1 17, 1,1 15,7 15,0 1,1 12, 11,1 11:00 1,7 15,9 19,7 20, 20,7 18,7 17,3 17,1 1,5 15,9 1,5 13,3 12:00 1,3 17,5 21,0 21,5 21,5 19,3 17,9 17,8 17, 17,0 15,9 1,8 13:00 17,1 18,2 21,5 21,8 21, 19,3 17,9 18,0 17,7 17,5 1, 15, 1:00 17,2 18,2 21, 21, 21,2 18,9 17, 17,7 17,5 17,5 1, 15,7 15:00 1,8 17, 20,7 20,7 20,5 18,2 1,9 17,1 17,0 17,0 1,2 15, 1:00 1,0 1,7 19,7 19, 19,5 17,3 1,1 1,3 1,3 1,3 15,5 1,7 17:00 1,9 15,5 18,5 18,5 18, 1,3 15,2 15, 15, 15, 1, 13,7 18:00 13,8 1,3 17,2 17,2 17,2 15, 1,3 1, 1,5 1, 13,5 12,7 19:00 12, 13,0 15,9 1,0 1,1 1, 13,5 13,5 13, 13, 12,5 11,7 20:00 11,5 11,8 1,7 1,9 15,1 13,5 12,7 12,7 12,8 12,5 11,5 10, 21:00 10, 10,7 13,7 13,9 1,2 12,7 11,9 12,0 12,0 11, 10, 9,7 22:00 9,5 9,7 12,7 13,0 13, 12,0 11,3 11,3 11, 10,9 9,8 8,8 23:00 8,7 8,9 11,8 12,2 12,7 11, 10,7 10,7 10,8 10,2 9,0 8,1 Más de 35 o C De 35 a 30 o C De 30 a 25 o C De 25 a 20 o C De 20 a 15 o C De 15 a 10 o C De 10 a 5 o C De 5 a 0 o C Menos de 0 o C Tabla 1. Temperaturas horarias en Centígrados para la delegación Cuajimalpa. De acuerdo con los datos registrados en la tabla 1 los datos de interés para nosotros los representa el mes de abril. Utilizando la misma metodología y con los datos de temperatura máxima, media y mínima se procede a calcular la humedad de la delegación en donde se encuentra ubicada torre Altus. ESTIMACION DE HUMEDADES RELATIVAS HORARIAS MEDIAS MENSUALES, A PARTIR DE MEDIAS EXTREMAS. Localidad Cuaji. D.F Lat. (xx.x) 19,35 ong.(xxx.x 99,3 Altitud (m) 2283 Esta hoja de cálculo estima la H R media horaria mensual a partir de los valores promedio de máxima y de mínima. Los valores de H R max y H R min pueden ser calculados a partir de la media en el caso de no contar con los valores observados. Desea utilizar valores observad (Sí / No ): No Si no cuenta con los valores de la H R media, éstos pueden ser estimados a partir de la temp. mínima. Cuenta con los valores observa (Sí / No ): No ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic Temp max 17,3 18,3 21, 21,8 21,7 19, 18,0 18,0 17,7 17, 1,7 15,8 Temp med 11,0 11,5 1,7 15,2 15, 1,1 13,1 13,0 12,9 12,3 11,1 10,1 Temp min,,7 7,8 8, 9,5 8,7 8,2 8,0 8,0 7,0 5,5, R med observ H R max observ H R min observ H R med calc 1 2 5 8 70 9 70 8 9 70 H R max calc 89 87 83 8 85 87 89 89 89 89 90 91 H R min calc 1 0 1 8 51 50 51 8 7 8 Hora max,52,318,07 5,779 5,53 5,20 5,9 5,9 5,9,225,,581 Hora min 13,93 13,818 12,897 13,9 13,133 13,330 12,719 13,19 13,53 13,395 13,9 13,831 Hora (TSV) 0:00 77 7 73 7 7 79 81 80 80 79 79 80 1:00 79 78 75 7 78 81 82 82 82 80 81 82 2:00 81 80 7 77 79 82 8 83 83 82 82 8 3:00 83 81 78 79 81 83 85 8 8 83 8 85 :00 8 82 79 80 82 8 85 85 85 8 85 87 5:00 85 83 80 81 82 85 8 8 8 85 8 88 :00 8 8 80 8 85 87 88 88 89 8 87 88 7:00 88 8 81 79 79 81 83 8 8 87 89 91 8:00 82 78 72 70 70 72 7 7 79 80 83 85 9:00 72 8 2 0 0 3 5 7 70 71 73 7 10:00 2 57 53 52 52 55 58 59 2 2 11:00 53 9 5 7 51 5 5 5 55 5 57 12:00 7 1 2 8 51 51 52 51 51 51 13:00 2 0 1 8 51 50 51 9 8 8 1:00 2 0 2 5 50 52 51 52 9 8 8 15:00 2 5 8 52 55 5 5 51 9 9 1:00 8 7 8 51 5 58 57 57 5 52 52 17:00 52 51 9 52 55 59 1 0 0 57 55 5 18:00 5 55 53 5 59 3 5 1 59 0 19:00 0 59 57 0 3 8 7 7 3 20:00 3 1 3 70 72 71 70 8 7 8 21:00 8 7 5 7 9 73 7 73 73 71 70 71 22:00 72 70 8 9 72 75 77 7 7 7 7 7 23:00 75 73 70 72 7 77 79 78 78 7 7 77 Menos de 30% de humedad. De 30 a 0% de humedad. De 0 a 50% de humedad. De 50 a 0% de humedad. De 0 a 70% de humedad. Más de 70% de humedad. Tabla 2. Humedades relativas horarias en porcentaje 2

Con los datos anteriores y aplicando la ecuación (1) procedimos a calcular las temperaturas de confort para el mes de interés. En donde Tn es la temperatura de confort, Te es la temperatura media o media mensual, que en este caso fue de 21.3 grados centígrados. Para este caso fue de 22.31 grados centígrados +,- 2.5 C con una temperatura media mensual de 15. C. Tn=((0.31)(Te)+17.5)+,-2.5oC (1) Con la temperatura de confort para el mes de abril procedimos a realizar las cartas bioclimáticas de Givoni y de Olgyay. En las figuras 1 y 2 se muestran las respectivas cartas. Aquí podemos observar la zona de confort comprendida entre 20 grados centígrados y 25 grados centígrados con 50% de humedad relativa. Para un horario comprendido entre las 11:00; 12:00; 13:00 y 1:00 horas. Mediciones realizadas con el termohigrómetro HOBO Una vez que realizamos el estudio de las condiciones de temperatura y humedad procedimos a registrar en el sitio las condiciones de temperatura, humedad y luminosidad del interior del departamento. Para ello se coloco un sensor el día 11 de abril a las 1:00 horas y se dejo de monitorear hasta el día 13 de abril a las 9:59 horas. El sensor es un HOBO data logger que registra condiciones promedio de temperatura, humedad relativa y luminosidad para el interior de las habitaciones para un intervalo de tiempo de 5 minutos. 100% 90% 80% 70% 0% 50% 0% HUMEDAD RELATIVA 35 30% 30 TEMP. DE BULBO HUMEDO C 25 DESHUMIDIFICACIÓN 20% VENTILACIÓN EXTENSIÓN 20 PARA ALTITUDES 2300 A 3000 ZONA DE RADIACIÓN 15 CONFORT INFRARROJA AIRE ACONDICIONADO NOCTURNA 10 23 INERCIA 5 21 TÉRMICA 2120 9 10 1 115 5 3 8 22 0 19 1718 1311 12 0 CALENTAMIENTO PASIVO CALENTAMIENTO ENFRIAMIENTO HUMIDIFICACIÓN CONVENCIONAL EVAPORATIVO 10% 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C 25 C 30 C 35 C 0 C 5 C 50 C 55 C TEMPERATURA Figura 1. Carta bioclimática de Givoni para el mes de abril H U M E D A D R E L A T I V A 0% 10% 20% 30% 0% 50% 0% 70% 80% 90% 100% POSIBLE INSOLACIÓN AMBIENTE DE MÁXIMA RESISTENCIA HUMANA 5º 0º 35º 30º 25º 20º 15º 10º 5º CALOR SECO AMBIENTE DIFÍCIL HUMIDIFICACIÓN 5.5 TEMPERATURA DEL CUERPO 5.5 grs. vapor / kg de aire seco 3.5 3 2.5 2 1.5 ZONA DE CONFORT 1.0 FRIO CORTANTE 131 12 11 151 10 17 18 9 192021 5º POSIBLE DESMAYO 0º 35º SOFOCACIÓN Y BOCHORNO 30º 2 1 0.5 0.5 25º 0.3 0.23 0.23 LÍNEA DE SOMBRA 20º 70 10 15º AMBIENTE 8 MUY HUMEDO 22 23 1 0 2 35 210 7 280 FRIO HUMEDO PENETRANTE 10º 350 20 90 5º ENTUMECIMIENTO RADIACION W / w 2 VENTILACIÓN M / S 0º -5º TEMPERATURA DE CONGELAMIENTO POSIBLE CONGELAMIENTO DE DEDOS Y PIES 0º -5º -10º -10º 0% 10% 20% 30% 0% 50% 0% 70% 80% 90% 100% Figura 2. Carta bioclimática de Olgyay para el mes de abril. 3

En la tabla 3 se muestran los registros realizados con el termohigrómetro en los cuales se puede observar que la temperatura más alta se presento entre las 17:0 y las 17:59 horas y fue de 2oC(en color rojo). En el caso de la humedad esta fue de 33.57 % que fue entre 10:0 y 10:59 que se registro el día 12 de abril (resaltada con el color azul) y la máxima cantidad de luminosidad se presento entre las 1:0 y las 1:59 horas del mismo día y fue de 53.99 luxes (en color amarillo). Fecha Promedio Temperatura ( C) Humedad Relativa (%) Intensidad (Luxes) 11/0/2007 21,19 19,99 3,91 11/0/2007 22,37 21,19 95,38 11/0/2007 promedio 1:0 a 1:59 2,38 19,00 9,03 11/0/2007 25,35 17,05 33,32 11/0/2007 25,35 18,8 19,8 11/0/2007 2,9 19,81,00 11/0/2007 23,29 20,85 3,90 11/0/2007 22,30 21,59 3,90 11/0/2007 21,51 22,8 3,90 11/0/2007 20,92 23,02 3,90 12/0/2007 20,5 23,8 3,90 12/0/2007 19,9 2,7 3,90 12/0/2007 19,5 25,8 3,90 12/0/2007 18,93 2,9 3,90 12/0/2007 promedio 0:0 a 0:59 18,1 27,33 3,90 12/0/2007 promedio 05:0 a 05:59 17,90 27,93 3,90 12/0/2007 promedio 0:0 a 0:59 17,3 28,88 3,90 12/0/2007 1,97 30,21 13,12 12/0/2007 1,70 31,39 1,75 12/0/2007 1,71 32,93 98,5 12/0/2007 promedio 10:0 a 10:59 17,03 33,57 13,22 12/0/2007 promedio 11:0 a 11:59 17,8 30,05 203,02 12/0/2007 promedio 12:0 a 12:59 18,8 2,91 20,17 12/0/2007 promedio 13:0 a 13:59 19,99 27,75 27,3 12/0/2007 21,5 22,05 35,29 12/0/2007 22,7 1,79 8,75 12/0/2007 promedio 1:0 a 1:59 2, 1,70 53,99 12/0/2007 2,00 18,19 15,22 12/0/2007 25,9 1,03 220,09 12/0/2007 25,3 17,1 9,2 12/0/2007 23,87 18, 3,90 12/0/2007 22,75 19,1 3,90 12/0/2007 21,89 20,01 3,90 12/0/2007 21,3 20,08 3,90 13/0/2007 20,80 20,7 3,90 13/0/2007 20,17 21,9 3,90 13/0/2007 19,55 23,13 3,90 13/0/2007 19,11 23,8 3,90 13/0/2007 promedio 0:0 a 0:59 18,2 2,35 3,90 13/0/2007 promedio 05:0 a 05:59 18,17 25,02 3,90 13/0/2007 promedio 0:0 a 0:59 17,72 25,85 3,90 13/0/2007 17,27 2,5 1,1 13/0/2007 17,01 27,38 55,8 13/0/2007 17,07 29,28 97,23 Tabla 3. Registros de temperatura, humedad y luminosidad utilizando el temohigrómetro. En la figura 3 se muestra la gráfica de la temperatura y la humedad basada en los datos de la tabla anterior. La línea de color azul es la de la temperatura y la línea de color magenta es la de la humedad. Temperatura y humedad relativa del 11 al 13 de Abril del 2007 0,00 35,00 30,00 25,00 20,00 Temperatura ( C) Humedad Relativa (%) 15,00 10,00 5,00 0,00 promedio 1:0 a 1:59 promedio 0:0 a 0:59 promedio 05:0 a 05:59 promedio 0:0 a 0:59 promedio 10:0 a 10:59 promedio 11:0 a 11:59 promedio 12:0 a 12:59 promedio 13:0 a 13:59 promedio 1:0 a 1:59 promedio 0:0 a 0:59 promedio 05:0 a 05:59 promedio 0:0 a 0:59 11/0/2007 12/0/2007 13/0/2007 Figura 3. Gráfica de temperatura y humedad relativa del 11 al 13 de Abril del 2007

En la figura se muestra una grafica de la intensidad lumínica en el departamento del edificio y se puede observar el valor más alto de 53.99 luxes. INTENSIDAD LUMINICA (luxes) 00,00 500,00 00,00 300,00 Intensidad (Luxes) 200,00 100,00 0,00 promedio 1:0 a 1:59 promedio 0:0 a 0:59 promedio 05:0 a 05:59 promedio 0:0 a 0:59 promedio 10:0 a 10:59 promedio 11:0 a 11:59 promedio 12:0 a 12:59 promedio 13:0 a 13:59 promedio 1:0 a 1:59 promedio 0:0 a 0:59 promedio 05:0 a 05:59 promedio 0:0 a 0:59 11/0/2007 12/0/2007 13/0/2007 Figura. Intensidad lumínica en luxes. Pruebas de la maqueta en el heliodón. Se construyo una maqueta de 19.7 centímetros a escala de 1:100 para conocer las fachadas en las que se presentaba la mayor parte de la incidencia por radiación solar y lumínica. En la figura 5 se muestra la parte superior del heliodón con el que se realizaron dichas pruebas. Figura 5. Heliodón Se observa que la incidencia solar y lumínica para este horario se presenta sobre la fachada Oeste. Desarrollo y pruebas del modelo en 3DStudio. Para comparar los resultados obtenidos con el heliodón se obtuvo primero un modelo por computadora de la torre en el cual se confirma que la radiación solar se presenta en la fachada Oeste y por lo tanto la radiación solar afecta la zona de las escaleras de emergencia (color amarillo) que tienen una buena ventilación natural y por lo tanto la fachada Este que dispone de una zona con cristales antes de las 12:00 horas recibe la mayor carga de calor. En la figura se puede observar el modelo computarizado con la sombra generado en el edificio. Figura. Modelo por computadora de Torre Altus. 5

Para ello diseño se hizo necesaria la utilización del programa SketchUp para simular el día 12 de Abril del 2007 y observar la fachada de la torre que resulta iluminada. Después se desarrollo otro modelo tridimensional en el programa Autocad y se obtuvo un archivo de 3DStudio para ser modelado con el programa ECOTEC y observar las trayectorias solares de todo el año. En la figura 7 se muestra la simulación con estos dos programas. Se ve la posición del Sol a las 1:00 horas en color amarillo y la larga sombra en color gris generada por el edificio. La línea punteada blanca denota el mes de Abril y la zona del lado derecho (viendo la imagen de frente) es el lado Oeste. Por lo que confirmamos lo anteriomente mencionado. Figura 7. Modelo por computadora con trayectorias solares de todo el año de Torre Altus con el programa ECOTEC. Discusión de resultados De acuerdo con el monitoreo realizado en el piso 5 de la torre y con los resultados obtenidos en las simulaciones podemos observar que la facha Oeste recibe la radiación solar y por la tanto la iluminación. Según lo reportado por el programa de cálculo de las temperaturas horarias que fue de 21.8oC y con el sensor de temperatura se registro un dato de 19.99oC la mayor intensidad lumínica se presenta a las 1:0 horas. En ambas figuras y 7 se observan largas sombras por lo que vemos como incide el Sol de manera más perpendicular sobre la torre. En el caso del heliodón es importante mencionar que la escala de la maqueta es factor importante para generar esta sombra. Por otra parte y de acuerdo con la gráfica 3 es interesante observar como en el edificio a menor temperatura (línea de color azul) la humedad aumenta y a mayor temperatura menor humedad. Finalmente quisieramos mencionar la baja humedad reportada por el sensor entre las 1:0 y las 1:59 horas del día 12 de abril por lo circula un aire extremadamente seco dentro de las habitaciones. En la tabla 2 nos sirve de antecedente para esperar condiciones de humedad muy bajas. Y con ello aumenta la necesidad de utilizar el aire acondicionado para aumentar el grado de humedad pero con el consecuente consumo de energía eléctrica. Conclusiones De acuerdo con la metodología observada el heliodón nos proporciona una referencia visual de la intensidad lumínica pero no nos dice cuantos luxes llegan al edificio. Creemos que este es una importante limitación de este tipo de metodología. Por otra parte de los dos programas mencionados el primero también nos indicaba y mostraba como se ilumina la torre pero no nos indico cuanta intensidad llegaba. Y el segundo programa si nos mostraba con más detalle la iluminación de la torre, la base de datos del programa utiliza 12500 luxes de intensidad de diseño del cielo. Pero uno de los inconvenientes de usar este programa es que no indica de que fecha son los datos tomados como base de datos de la Ciudad de México y cual metodología se utilizo para obtener esta información además de no precisar diferentes condiciones climáticas para diferentes delegaciones de la misma ciudad. Ya que la torre esta ubicada en la zona poniente y se pierde precisión en los resultados obtenidos. Finalmente concluimos que si se quiere solo presentar una simulación de la iluminación del edificio se pueden utilizar los programas de computadora o el heliodón pero si se requiere saber de condiciones climáticas y de intensidad lumínica con gran precisión la mejor metodología es monitorear el edificio en diferentes pisos y zonas de este tanto con sensores interiores como exteriores para proceder a realizar cálculos de control solar o bien como en nuestro caso diseñar microclimas que contribuyan a elevar la humedad relativa de los espacios. Además se ve la necesidad de crear bases de datos de intensidad lumínica pues para consultar estos datos no se tienen al alcance aun en las distintas estaciones metereológicas ubicadas en el Distrito Federal. REFERENCIAS Morillón Galvez David y Mejía Domínguez David. (200). Modelo para diseño y evaluación del control solar en edificios. Instituto de Ingeniería. México. No. SID/5, p. 25-3. www.google.com/sketchup www.smn.gob.mx