EVALUACIÓN SISTEMÁTICA DEL DESEMPEÑO TÉRMICO DE...

XXIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXIII- SPES), Huancayo, 14 -19.11.2016

EVALUACIÓN SISTEMÁTICA DEL DESEMPEÑO TÉRMICO DE UN

MÓDULO EXPERIMENTAL DE VIVIENDA ALTOANDINA PARA

LOGRAR EL CONFORT TÉRMICO CON ENERGÍA SOLAR

Juan Omar Molina Fuertes – [email protected]

Manfred Horn Mutschler – [email protected]

Universidad Nacional de Ingeniería, Lima

Resumen. El presente documento es parte de la elaboración de una tesis de maestría en Energías Renovables y Eficiencia

Energética ( de JOMF) impartida en la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería. Se muestra los

resultados iniciales de un estudio de campo con un Módulo Experimental de Vivienda (MEV) con dos ambientes

contiguos (Norte y Sur) construido en San Francisco de Raymina, una comunidad al Sur de Ayacucho a 3700 m snm,

con el énfasis de evaluar su comportamiento térmico mediante la aplicación de técnicas bioclimáticas y el uso de

tecnologías solares, con el objetivo de lograr el confort térmico y ahorro energético en viviendas o edificaciones de

zonas altoandinas. El estudio de campo se inició en Julio 2016 (temporada de heladas), con una primera etapa que

comprendió evaluar el comportamiento del MEV sólo con técnicas bioclimáticas de aislamiento en pisos, techos, y uso

de dobles puertas y ventanas de doble vidrio con cobertura de madera. Se observó en el interior una temperatura

media diaria de 12.0 ˚C en el ambiente Norte, y de 9.5 ˚C en el ambiente Sur, con una temperatura exterior media de

3.7 ˚C (con mínimos horarios hasta - 4.2 ˚C). Una segunda etapa de medidas comprendió la inclusión de dos sistemas

de calefacción solar: muro radiante y tubo radiante, donde se alcanzó temperaturas interiores de 13.8 ˚C en el

ambiente Norte y 12.6 ˚C en el ambiente Sur. Posteriormente se llevará a cabo una tercera y cuarta etapa donde se

incluiran cargas internas y la implementación de nuevas acciones constructivas sencillas, económicas, y apropiadas,

para lograr temperaturas de confort para el poblador altoandino de San Francisco de Raymina.

Palabras-clave: Confort Térmico, Energías Renovables, Arquitectura Bioclimática, Eficiencia Energética.

1. INTRODUCCIÓN

Hasta hoy en día, año tras año, entre los meses de junio a agosto principalmente, son noticias de cada día las

consecuencias que causa el fenómeno climatológico de las “heladas” y frio extremo en las diferentes zonas Altoandinas

del país. Temperaturas cuyos descensos por las noches en zonas por encima de los 3200 m snm y época de helada están

por debajo o igual a los 0 °C, mientras que, en localidades por encima de los 4200 m snm las temperaturas se

intensifican llegando a alcanzar valores cercanos a los -18 °C (SENAMHI, 2016). Estas condiciones climáticas al

sobrepasar los umbrales de adaptación de la población pueden ocasionar daños a la vida, salud, educación, actividad

agrícola y ganadera e infraestructura, principalmente en las poblaciones que se encuentran en situación de alta

vulnerabilidad, sea por su condición social (pobreza y pobreza extrema), por su edad (niños, niñas, adultos mayores), y

ubicación territorial (Presidencia del Consejo de Ministros, 2016). Hasta fines de junio de 2016, el Instituto Nacional

de Defensa Civil (INDECI), informó que las bajas temperaturas habían afectado la salud de 257.251 personas (51% de

ellas en Puno y 21% en Cusco). El reporte del INDECI también registró que al menos 48 niños menores de 5 años

murieron por causas relacionadas con el frío entre mediados de abril y el 20 de junio de 2016 (El Comercio, 2016).

Ante esta situación y para paliar estas consecuencias, una alternativa es que las poblaciones cuenten con viviendas

dignas donde los materiales locales predominen en su construcción y donde las fuentes naturales de energía como la

solar, sean consideradas de manera obligatoria en la etapa de diseño debido a que en las zonas altoandinas y

principalmente al Sur del país, la radiación solar bordea anualmente los 6 kWh/m2día (M. Horn, 2006).

En este contexto, el presente documento refiere al estudio del confort térmico mediante evaluaciones sistematicas

de un módulo experimental de vivienda (MEV) construido y evaluado en forma preliminar por Rafael Leonardo

Espinoza Paredes (R. Espinoza, 2014). El MEV se encuentra en San Francisco de Raymina, una comunidad al sur de

Ayacucho a 3700 m snm (latitud 13°45’40’’S y longitud 73°51’26’’O). El presente estudio comprendió como etapa

previa la rehabilitación del MEV y despues como etapa inicial la evaluación de su desempeño usando solamente

técnicas bioclimáticas arquitectónicas pasivas de aislamiento térmico: piso aislado, dobles puertas de madera, ventanas

con doble vidrio y coberturas de madera, y techo con cielo raso. Una segunda etapa incluyó adicionar a la evaluación

anterior, a dos sistemas de calefacción solar: los denominados muro radiante y tubo radiante, que utilizan como fuente

de energía el Sol y el agua como medio de acumulación de calor en forma de calor sensible. La tercera etapa prevé

evaluar el MEV con cargas internas como el uso de una estufa, y personas percnoctando, y una última etapa de

implementar nuevas acciones constructivas como construir un contenedor con cobertura transparente para el colector

solar en el techo.


Figura 1. Vista del MEV.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Alcanzar el confort térmico en viviendas y/o edificaciones conlleva hasta hoy en día a nivel mundial al uso

desmedido de las tecnologías convencionales que utilizan combustibles fosiles, lo que ocasiona su contribución al

aumento de los gases de efecto invernadero, que genera el aumento de la temperatura de la tierra. Lograr el confort

térmico en localidades aisladas donde el frio o calor extremo son causales no solo de incomodidad térmica sino que en

ocasiones hasta cobra vidas (INDECI, 2016), resulta dificil por el hecho que las viviendas construidas no cuentan con

algún criterio de bioclimático que permita contrarrestar las inclemencias del clima mediante el uso de estrategias y

técnicas bioclimáticas bien complementadas con tecnologías limpias y pasivas. Las estrategias bioclimáticas nos

recomiendan el que hacer para lograr el confort térmico pero no nos detallan el cómo hacerlo (R. Espinoza, 2014).

Entre las técnicas de aplicación para alcanzar el confort térmico andino aprovechando el recurso energético solar y

el agua como medio de acumulación como calor sensible, se propone el uso del “muro radiante”, o del “tubo radiante”

(volúmenes de agua como almacenadores de calor) (ver figura 2). Estas técnicas llevadas a la práctica permitirán

mejorar la calidad del aire al interior de la vivienda en lo que respecta a su temperatura y humedad, complementada con

una buena ventilación e iluminación natural.

Figura 2. A la izquierda, vista del serpentín sin tarrajeo; al centro, tarrajeo de la pared que contiene al serpentín; a la

derecha, vista del tubo radiante.

3. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

Se lleva cabo a base de medidas y ensayos de pruebas y error hasta determinar el grado de aplicabilidad y

confiabilidad de las buenas prácticas en el uso de las tecnologías renovables para alcanzar el confort térmico en el

MEV. La aplicabilidad de las técnicas o componentes bioclimáticos contempla su experimentación y realización de

análisis térmico de transferencia de calor. Asimismo, la investigación se centra específicamente en la evaluación de los

componentes bioclimáticos del MEV. El inicio de la evaluación y monitorización empezó el 04 de julio de 2016.

Los instrumentos de medición de las variables meteorológicas y climatológicas como la temperatura, humedad

relativa, velocidad y dirección del viento, y radiación solar, son medidos las 24 horas en el lugar mismo donde se ubica

el MEV, así como al interior de sus ambientes. Se utiliza para ello los ONSET HOBO Data Loggers y uma estacion

meteorológica.


Figura 3. Esquemas que representan la ubicación de los sensores. A la izquierda, sensores 1 y2 en el fluido de entrada y

salida del serpentín, sensores 3,4 y 5 sobre la superficie del serpentín; a la derecha, sensores 6,7,8,9 y 10, sobre la pared

que contiene al serpentín.

Figura 4. Representacion esquematica del MEV y la ubicación del total de sensores instalados.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Un ambiente cerrado las 24h y el otro

con ventanas sin coberturas entre las

6:00am y 6:00pm. Y viceversa con el

otro ambiente.

Ambientes sólo con puertas

principales cerradas y ventanas sin

coberturas entre las 6:00am y 6:00pm.

Dobles puertas cerradas en ambos

ambientes y ventanas sin coberturas

entre las 6:00am y 6:00pm.

Ambos ambientes sin coberturas en las

ventanas y puerta semiabierta entre las

6:00am y 6:00pm

Plan de medidas

Meses

Jul. Ago. Sep. Oct. Nov

Semanas

I. MEV sólo con técnicas de aislamiento térmico


MEV con sistemas activados y el

mismo procedimiento de medidas que la

etapa I.

Estufa operando entre las 6-8am, 1-3pm,

y 6-8pm.

Personas percnoctando e interactuando

con el MEV entre las 6pm hasta las 9am.

Colector tipo piscina sobre carcasa de

madera y cubierta de policarbonato.

III. MEV con implementaciones nuevas

II. MEV con adición de los sistemas de calentamiento:Tubo-muro radiante

III. MEV con incorporación de cargas internas

Figura 5. Cronograma de plan de medidas para la operatividad del MEV.

4. CONDICIONES CLIMATICAS EXTERIORES

De acuerdo a la data recogida y evaluada en el estudio, se encontró que en la Comunidad de San Francisco de Raymina,

la temperatura media diaria exterior para el mes de Julio de 2016 osciló entre 3.75˚C y 7.64 ˚C, siendo la media

mensual de 5.7˚C. Asimismo, la humedad relativa oscila entre 42% y 89% con una media de 65.5%; y la irradiancia

solar media diaria fue de 5.7 kWh/m2 .

Figura 6. Gráfica de la radiación solar en Julio 2016 en San Francisco de Raymina

5. TÉCNICAS DE AISLAMIENTO

5.1 PISO

Para evitar el ascenso de la humedad de la tierra del suelo, se cubrió íntegramente el área expuesta con una manta de

polietileno sobre la que se instaló un entramado de listones de madera de 0,04x0,02 m. Sobre el entramado y como piso

final se colocan una planchas tipo emparedado de poliuretano de 0,05 m de espesor.

Figura 7. Esquema en corte transversal de una porción del piso conformado en cada una de las dos habitaciones del

MEV .

5.2 MUROS

Los muros conforman el componente de mayor área de transferencia de calor del MEV, tradicionalmente el material

utilizado en las construcciones es el Adobe, elaborado a partir de tierra, paja y agua. El espesor de los muros es de

0.40m y se suma a esto, su baja conductividad térmica (0.95 W/m-K), la capacidad de almacenar energía durante el día

para emitirla durante la noche y el bajo costo de fabricación, todo ello hacen del muro de adobe una buena alternativa

en la búsqueda de obtener condiciones confortables dentro de la vivienda a bajo costo.


5.3 TECHO

Constituido por un techo a dos agua y cielo raso para tener mejor control sobre el cerramiento interior en relación con el

riesgo de perder calor o mayores dificultades en la tarea de aislarlo. Para el cielo raso se eligió del mismo material que

se empleó en el aislamiento del suelo, es decir, el emparedado de poliuretano con láminas de acero, de modo tal que se

forme un volumen cerrado entre el techo y el cielo raso.

5.4 VENTANAS

El MEV cuenta con 4 vanos para ventanas, dos sobre el muro que mira al este y dos sobre el muro que mira al oeste, por

lo tanto cada habitación tiene dos ventanas en posición relativa enfrentada, este-oeste, definida así para capturar energía

solar por la mañana y por la tarde.

Figura 8. Detalles del diseño de la ventana con dos vidrios medio dobles separados 0,1 m montados sobre un marco de

madera pino de 0,5 m de espesor.

5.5 PUERTAS

Por ambiente el MEV lleva dos puertas separadas entre si por 0.65 m. Con esta configuración se evitará enfriamientos

súbitos y rápidos, como sucedería cada vez que se abra una puerta.

Figura 9. Corte transversal vertical de la esclusa formada por la puerta de la habitación y la contrapuerta del pórtico

interior.

6. SISTEMAS MURO Y TUBO RADIANTES

Ambos sistemas utilizan la energia solar y el agua como medio de acumulación por calor sensible en el momento de

disponibilidad para suministrarla posteriormente cuando la demanda sea mayor que la disponible.

Figura 10. Esquema del sistema de almacenamiento térmico utilizado.


6.1 SISTEMA MURO RADIANTE

Se compone de cinco partes principales; a. colector solar (1), b. serpentín (6), c. tablero de control de flujos (4), d.

bomba y control (5), e. tuberías de conexión (resto). Se hace notar que la bomba hidráulica instalada es de 220 VCA y

cuenta con un dispositivo de control automático para su encendido y apagado en función de la diferencia de

temperaturas entre el punto más caliente (salida del colector solar) y la temperatura del aire al interior de la habitación.

6.2 SISTEMA TUBO RADIANTE

Se compone de cinco partes principales: a. colector solar (1), b. tubo radiante (6), c. depósito de vaciado (8), d.

sistema de bombeo FV (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), e. tuberías de conexión (resto).

Figura 11. Representación esquemática de los sistemas radiantes instalados en el MEV. A la izquierda, sistema tubo

radiante; a la derecha, sistema muro radiante.

7. RESULTADOS

De las mediciones realizadas en campo se encontró:

Figura 12. Gráfica de las temperaturas medias diarias ambientes Norte-Sur y exterior.

En la gráfica de la figura 12 se puede obervar el comportamiento de las temperaturas interiores en ambos ambientes del

MEV. Del 04/07/2016 al 23/08/2016 sólo con las técnicas de aislamiento, y del 24/08/2016 al 29/09/2016 con las

técnicas de aislamiento más los sistemas de calefacción. Como es de esperar, en la segunda etapa las temperaturas

aumentan por el aporte de los sistemas.


Tabla 1. Temperaturas medias diarias según plan de medidas primera y segunda etapa.

Temperaturas con técnicas de aislamiento

Temperaturas con técnicas de aislamiento + sistemas de calefacción

Temperatura exterior

Amb. Sur

(°C) Amb. Norte

(°C) Amb. Sur (°C) Amb. Norte (°C)

Estación Meteorológica (°C)

Mín. 8.39 9.80 10.07 11.78 3.75

Máx. 12.07 13.29 14.87 15.74 9.45

Promedio 9.46 11.96 12.62 13.77 6.97

Figura 13. A la izquierda, gráfica de temperaturas en la superficie exterior del serpentín . A la derecha, gráfica de la

temperatura del fluido en la entrada y salida del serpentín.

La figura 13 representa el comportamiento de la temperatura en la superficie del serpentín medida en 3 puntos, parte

inferior, central y superior (ver figura 3). En promedio la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior de

las pruebas realizadas en la segunda etapa con la primera etapa esta por encima de los 3 °C.

Tabla 2. Temperaturas medias diarias en la superficie del serpentín.

Temperaturas con técnicas de aislamiento

Temperaturas con técnicas de aislamiento + sistemas de calefacción

Sup. Inferior Sup. Superior Sup. Inferior Sup. Superior

Mín. 7.55 7.95 9.71 10.27

Máx. 11.50 11.75 13.75 14.34

Promedio 8.83 9.21 12.04 12.57

En el serpentín el calor se transfiere por convección del fluido a su superficie interna, seguido por un proceso de

conducción sobre el espesor del serpentín, y finalmente por convección y radiación desde la superficie exterior del

serpentín al medio que lo rodea. La figura 14 a la derecha representa las horas del día donde se produce al transferencia

de calor del serpentín al ambiente Sur.


Figura 14. A la izquierda, modos de transferencia de calor en una sección del serpentín. A la derecha, el

comportamiento de la temperatura máxima alcanzada por el fluido.

Figura 15. A la izquierda, gráfica de temperaturas en el tubo radiante (en el agua y su superficie exterior). A la derecha,

gráfica de la temperatura media horaria para la máxima temperatura al interior del tubo radiante.

8. CONCLUSIONES

o De la tabla 1 se obtiene que el incremento de la temperatura interior respecto a la temperatura exterior en el

ambiente norte es de 6.8°C y en el ambiente Sur de 5.65°C.

o Los sistemas de calefacción como apoyo para lograr el confort térmico incrementan las temperaturas interiores

en 3 °C.

o La utilización de doble puerta respecto de una sola, contribuye a que el calor interior no se pierda

repentinamente al ingresar al MEV, además, cumple la función de mantener por más tiempo y más elevada la

temperatura interior debido al mayor aislamiento.

o Ambos sistemas de calefacción son apropiados y asequibles para el poblador altoandino cuyo potencial

energetico solar está asegurado.

o Se espera que el comportamiento térmico al interior del MEV según los resultados obtenidos a la fecha

mejoraran aún más cuando se llevará a cabo la tercera y cuarta etapa del estudio. Implementar un invernadero

adosado al MEV, aumentar las dimensiones de las ventanas para ganar calor por radiación directa ó, alojar el

colector tipo piscina sobre un contenedor aislado con cubierta de vidrio, serán algunas alternativas para lograr

el objetivo propuesto.

Agradecimiento

Agradecemos al Sr. Jaime Mendoza, lugareño de la Comunidad de San Francisco de Raymina, quien, con sus ánimos

de aprender, colaboró en el registro de datos.


REFERENCIAS

El Comercio, 2016. Amplían emergencia en 14 regiones por heladas y friaje [WWW Document]. El Comer. URL

http://elcomercio.pe/sociedad/peru/amplian-emergencia-14-regiones-heladas-y-friaje-noticia-1920620

(accessed 8.12.16).

INDECI, 2016. Situación nacional ante las bajas temperaturas.

M. Horn, 2006. El estado actual de las energías renovables no convencionales en el Perú [WWW Document]. URL

http://fc.uni.edu.pe/mhorn/ER%20in%20Peru.htm (accessed 04.08.16).

Presidencia del Consejo de Ministros, 2016. Plan multisectorial ante heladas y friajes.

R. Espinoza, 2014. Evaluación experimental de la performance de dos componentes bioclimáticas de calentamiento

aplicadas en un módulo de vivienda de San Francisco de Raymina-Ayacucho con el propósito de validarlas

como técnicas de estrategias bioclimáticas para viviendas rurales Alto Andinas. Universidad Nacional de

Ingeniería.

SENAMHI, 2016. Avisos SENAMHI [WWW Document]. Minist. Ambiente-Senamhi. URL

http://www.senamhi.gob.pe/_0142.php?tip_alert=022&anio=2016&cod=066 (accessed 12.08.16).

Abstract. A prototype adobe house in the cold climate of high Andean region (near the equator) with apropiate

isolation and two types of solar heating was studied, with the goal to get thermal comfort. During the cold month of july

2016, with apropiate isolation, a temperature increase of 5,7 – 8,2 °C was acheaved and with additional solar heating,

of 8,8 - 9,9 °C.

Key words: Solar house, Bioclimatic architecture, cold climate house

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