Universidad Autnoma de San Luis Potos

Facultad del Hbitat

Simulacin solar para el diseo de viviendas de inters

social en San Luis Potos, Mxico

Protocolo de investigacin para optar por el ttulo de

Licenciatura en Arquitectura

Salvador Espinosa Muoz

01/06/2010

Director de tesis: MDB. Jorge Aguilln Robles

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Resumen

El medio ambiente y los factores climticos juegan un papel importante en el

emplazamiento de una obra arquitectnica. La arquitectura bioclimtica busca

maximizar el confort de los usuarios a travs de la observacin del clima y los

materiales. As, el anlisis de los requerimientos de climatizacin ayuda a

integrar estrategias como el control solar desde la fase de diseo. El objeto de

esta investigacin es comparar la trayectoria solar en las zonas centro y media

del estado de San Luis Potos, Mxico, al realizar una simulacin mediante el

software Ecotect para establecer recomendaciones conceptuales de diseo en

viviendas de inters social, donde se encuentran carencias importantes de

confort.

Palabras Clave: Arquitectura bioclimtica, control solar, simulacin solar,

vivienda de inters social.

Abstract

Bioclimatic architecture, through climate and materials observation, seeks to

maximize the users comfort. The analysis of the acclimatization requirements

results in the integration of strategies such as solar control, right from the

designing phase. The environment and climate factors play an important role in

the siting of a construction. With this in mind, its necessary to understand the

solar course through solar simulation. The object of this investigation seeks to

compare the solar trajectory in the middle and central regions of the state of San

Luis Potos, Mxico, using the Ecotect software to make a solar simulation, in

3

order to provide conceptual design suggestions for the social housing design,

where a lack of comfort is commonly found.

Keywords: Bioclimatic architecture, solar control, solar simulation, social

housing.

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Introduccin

Durante siglos, la humanidad ha aprovechado los beneficios otorgados por el

sol, llegndolo a tomar como referencia decisiva en la organizacin de la vida del

hombre. Las civilizaciones antiguas consideraban que el sol influa en los

espacios arquitectnicos, por ello integraban los elementos y caractersticas

propias del lugar donde se emplazaban. En la actualidad, el sistema econmico

genera en el hombre la necesidad de crear una arquitectura ajena a su entorno,

omitiendo el clima en el que se encuentra e incrustando diseos arquitectnicos

europeos en latitudes donde el contexto climtico los convierte en devoradores

de energa y en espacios carentes de confort, inhabitables para sus usuarios.

Mltiples tendencias especializadas adornan a la arquitectura con

adjetivos como: sustentable, ecolgica, bioclimtica, verde, solar, pero un

arquitecto que no considera el lugar en el que se proyecta la obra y el impacto

sobre los que usuarios y el entorno, no puede llamarse arquitecto (Aguilln,

2006; King, 1994; Olgyay, 1998 y Rodrguez, 2001).

Hoy en da se sabe que la mitad de las emisiones de CO2 del planeta se

deben a la calefaccin, iluminacin y refrigeracin de los edificios (Edwards,

2004). Por ello, se debe entender que consideraciones tan simples como la

orientacin y el dimensionamiento de los elementos arquitectnicos, pueden

reducir considerablemente el empleo de dichas estrategias activas y, por ende,

las emisiones de CO2 producidas por el diario habitar de las edificaciones.

Cada vez es ms comn escuchar de personas que instalan estrategias

de climatizacin activa como el aire acondicionado para refrescar sus casas en

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verano y calentarlas en invierno, as como el costo de stas en cuestiones de

electricidad.

A pesar de la gran cantidad de informacin que existe sobre el tema de

arquitectura bioclimtica, las recomendaciones bsicas para ciertos tipos de

climas y lo obvio que parezca su integracin a una construccin, la mayora de

los arquitectos pasan por alto su aplicacin real al momento de disear un

proyecto ejecutivo, concentrndose mayormente en aspectos estticos y de

vanguardia formal.

En un intercambio escolar en la ciudad de Quebec, Canad, donde el

clima es tan extremoso que va desde los -40C en invierno hasta los 30C en

verano, se tuvo la oportunidad de involucrarse con docentes y estudiantes

preocupados por disear arquitectura de bajo consumo energtico, con bases

para crear envolventes eficientes y diseos de mayor calidad ambiental

apoyados con software de simulacin trmica como Autodesk Ecotect, entre

otros.

Este proyecto de investigacin aplicado a la vivienda de inters social en

San Luis Potos, Mxico, ser una gran oportunidad para aplicar el conocimiento

adquirido en dicho intercambio y aportar una nueva visin a la arquitectura que

se genera en el estado.

De ah el inters por abordar la problemtica, as como establecer

recomendaciones conceptuales de diseo para la implantacin y la adecuacin

de la estrategia bioclimtica de control solar en viviendas de inters social,

6

comparando dos zonas climticas del Estado de San Luis Potos, Mxico: La

zona media y la zona centro (ver fig. 1).

Fig. 1. Ubicacin geogrfica de la zona media y la zona centro del Estado de San Luis

Potos, Mxico.

Fuente: elaboracin propia a partir de imagen digital, INEGI, 2010.

Especficamente se quiere contestar las siguientes preguntas: Cules

son las principales diferencias y similitudes del clima estacional de la zona media

y centro de San Luis Potos, Mxico?, qu se requiere para determinar una

adecuada estrategia bioclimtica de control solar para dicha zona? y cules

son las recomendaciones conceptuales de diseo que se pueden ofrecer a los

constructores de vivienda de inters social de la regin antes mencionada?

En cuestiones ms operacionales del estudio propuesto se establecen

tres preguntas: Cules son los datos climticos de los estudios existentes que

se debern vaciar en el software Autodesk Ecotect para poder efectuar la

simulacin?, cules son las variables de la estrategia que se debern

considerar para que sta arroje un resultado favorable en ambas zonas

climticas? y cules elementos de la vivienda se debern reforzar o suprimir en

base al contexto climtico?

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Al tomar en cuenta la estrategia bioclimtica de control solar, se buscar

reducir el impacto ambiental y crear un confort trmico y una habitabilidad del

espacio arquitectnico que conllevar a la apropiacin e identificacin del

usuario con su unidad habitacional. Por medio del anlisis del clima estacional

de las zonas a estudiar, se determinar cundo se requiere de proteccin solar,

en qu medida, y cmo se deber aplicar la estrategia.

Por lo tanto, el objetivo principal es: Determinar las caractersticas de

dicha estrategia bioclimtica y si deben modificarse segn el contexto geogrfico

en el que se encuentre el proyecto para conseguir un mejor control trmico en la

vivienda de inters social en las zonas media y centro del estado de San Luis

Potos, Mxico, as como establecer recomendaciones conceptuales en su

diseo.

Para el desarrollo de este objetivo principal, se plantearon los siguientes

objetivos especficos:

1) Determinar las diferencias y similitudes del clima estacional de ambas

zonas para dar lugar a la adecuacin de la estrategia bioclimtica de

control solar para dicha zona.

2) Identificar los elementos necesarios para conseguir una adecuada

estrategia bioclimtica de control solar para las regiones contempladas.

3) Encontrar recomendaciones conceptuales de diseo que se puedan

ofrecer a los constructores de vivienda de inters social de la regin antes

mencionada.

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Revisin preliminar de la literatura

Para comenzar este apartado se presentan a continuacin algunos conceptos

clave en torno al tema de estudio, los cuales propone Bienestar Habitacional

(2004):

Simulacin solar: Simulacin de la trayectoria del sol y la inclinacin de

sus rayos a lo largo de las temporadas del ao, dependiendo de la longitud y la

latitud del emplazamiento, apoyados por software especializado como el

Autodesk Ecotect.

Zona media: Una de las cuatro zonas geogrficas del Estado de San

Luis Potos, delimitada al Oeste por las Sierras de lvarez y Guaxcam; al este

por la Sierra Madre Oriental; al sur y sureste por las derivaciones y estribaciones

de la Sierra Gorda. Tiene tres climas importantes: en la parte norte es semi-

seco/semi-clido, en el centro es seco-semi-clido y en gran parte del suroeste

es templado sub-hmedo, con lluvias en verano; tiene una temperatura media

anual de 21C y precipitacin pluvial de 479.5 mm.

Zona centro: Lugar donde se encuentra la capital del Estado de San Luis

Potos, la ciudad de San Luis Potos. Tiene tres climas importantes: en la parte

norte es semiseco, semiclido, en el centro es seco-semiclido y en gran parte

del suroeste es templado sub-hmedo, con lluvias en verano; tiene una

temperatura media anual de 21C y precipitacin pluvial de 479.5 mm.

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Autodesk Ecotect1: Software de anlisis de diseo sostenible que

proporciona herramientas que ayudan a los arquitectos y diseadores a

maximizar el comportamiento medioambiental y econmico de un edificio,

mejorando su diseo a travs de:

Anlisis energtico de todo el edificio.

Rendimiento trmico.

Consumo y evaluacin de los costes de agua.

Radiacin solar.

Iluminacin diurna.

Sombras y reflexiones.

Arquitectura bioclimtica: La arquitectura bioclimtica o de elevada

eficiencia energtica es aquella que tiene por objeto la consecucin de un gran

nivel de confort habitacional mediante la adecuacin del diseo, la geometra, la

orientacin y la construccin del edificio a las condiciones climticas de su

entorno. Se trata, pues, de una arquitectura adaptada al medio ambiente,

sensible al impacto que provoca en la naturaleza y que intenta minimizar el

consumo energtico, y con l la contaminacin ambiental.

Asoleamiento: Grado de exposicin solar que reciben las viviendas.

Calefaccin: Sistemas que se utilizan para calentar un edificio o parte de

l.

11http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/index?siteID=455755&id=14690096

10

Confort: Condiciones del espacio que proporcionan bienestar y

comodidad al usuario.

Confort, zona de: Intervalo de condiciones dentro de las cuales un alto

porcentaje de la poblacin se siente cmoda. A mayor porcentaje, mayor es el

rango que abarca la zona de confort. La ASHRAE (American Society of Heating,

Refrigerating, and Air Conditioning Engineers) determina la zona de confort en

un diagrama psicomtrico convencional y es una de las referencias

estandarizadas ms usada universalmente. Este diagrama especifica un rango

de temperatura entre 18.3C y 28.3C, dentro de dos niveles fijos de presin de

vapor, entre 5 y 14mmHg, correspondientes a una humedad relativa entre 20% y

85%, donde 18.3C es el mnimo para invierno, si la humedad relativa es de

85%, y de 28.3C como mximo para verano, si la humedad relativa es de 20%

para personas sedentarias, para esto considera una velocidad de aire mxima

de 7.6 m/min.

Factor trmico: Condicin trmica que presenta la vivienda, que se

evala por la temperatura y la humedad relativa del aire al interior de ella y el

riesgo de condensacin. Estas caractersticas estn condicionadas por la

renovacin y velocidad del aire; las caractersticas trmicas de la envolvente; el

diseo y la forma de vivienda; el tamao, orientacin y ubicacin de ventanas y

muros; las condiciones climticas exteriores y las condiciones de habitar (uso y

tipo de calefaccin, etc.).

Ganancias trmicas por radiacin: Energa solar transmitida al interior

de la vivienda, principalmente a travs de los elementos translcidos de la

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envolvente. Depende del porcentaje de la superficie de ventanas, de la

orientacin de la vivienda y de la estacin del ao.

Ganancias y prdidas trmicas: Factores que inciden en mantener o

perder el confort trmico dentro de un recinto.

Habitabilidad trmica: Relacin de las horas en que la vivienda entrega

las condiciones mnimas de confort requerido en relacin a las horas totales del

periodo en estudio. Se expresa en porcentaje por estacin, es decir, se indica la

habitabilidad trmica de invierno y la de verano.

Orientacin: Ubicacin de un elemento espacial con respecto a los

puntos cardinales.

Recomendaciones: Propuestas especficas de diseo orientadas a

corregir los problemas detectados en las escalas consideradas.

Requerimientos: Exigencias o condiciones que debera satisfacer la

respuesta de diseo. Consta de tres partes: una premisa, un conjunto de

supuestos y algunas sugerencias.

Vivienda: Se entiende no slo como la unidad que acoge a la familia, sino

como un sistema integrado adems por el terreno, la infraestructura de

urbanizacin y de servicios, y el equipamiento social-comunitario dentro de un

contexto cultural, socioeconmico, poltico y fsico ambiental. Tiene su

manifestacin en diversas escalas y lugares, como: localizacin urbana o rural,

conjunto habitacional, entorno y vivienda. Sus atributos se expresan en aspectos

funcionales, espaciales, formales, materiales y ambientales.

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Vivienda de inters social: Esquema de vivienda tipificada cuya forma

de operacin est proyectada desde la perspectiva del subsidio y basada en

mecanismos del mercado e ingresos familiares, construidas bajo la normativa de

planeacin, uso de suelo, urbanismo y construccin y el control de calidad de

instituciones gubernamentales como el INFONAVIT (Tarchopulos, 2003).

Las variables que se tomarn en cuenta para dicha estrategia en cada

clima sern las propuestas por King (1994), mismas que se enlistan a

continuacin:

1) Generales del proyecto.

2) Ubicacin en el lote.

3) Orientacin de la fachada ms larga.

4) Localizacin de las actividades.

5) Tipo de techo.

6) Altura de piso a techo.

7) Aberturas.

8) Ubicacin en fachada segn dimensin.

9) Ubicacin respecto al nivel de piso interior.

10) Forma de abrir.

11) Proteccin.

12) Ventilacin.

13) Unilateral.

14) Cruzada.

15) Otras.

13

16) Dispositivos de proteccin y ganancia solar.

17) Remetimientos.

18) Salientes en fachada.

19) Patio interior.

20) Aleros.

21) Prticos y balcones.

22) Tragaluces.

23) Parteluces o quiebrasoles.

24) Vegetacin.

25) Lneas temticas.

26) El clima y la arquitectura.

27) Seleccin de bioclimas.

28) La trayectoria solar.

29) Acondicionamiento bioclimtico: Control solar.

30) Anlisis de viviendas actuales en los bioclimas a estudiar.

31) Simulaciones solares de las regiones geogrficas de estudio aplicando la

estrategia.

Planeacin del mtodo

El enfoque de la investigacin ser principalmente cuantitativo, ya que se

pretende analizar estudios de asoleamiento existentes para determinar cmo se

debe adecuar la estrategia de control solar en los climas de las zonas media y

centro del estado de San Luis Potos, Mxico, ocupando as el mtodo deductivo

propio de dicho proceso.

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Como ya se mencion, se pretende realizar simulaciones de asoleamiento

en Autodesk Ecotect, vaciando los datos climticos obtenidos a partir del

anlisis de los estudios existentes, para el establecimiento de recomendaciones

conceptuales de diseo para la estrategia de control solar, remarcando las

adecuaciones que se debern hacer en cada clima de las zonas a estudiar.

Unidades de anlisis:

La unidad de anlisis en el estudio propuesto ser la vivienda de inters social

de las zonas antes mencionadas. Se propone realizar un anlisis comparativo de

viviendas en las dos zonas considerando lo siguiente:

Orientacin y dimensionamiento de espacios arquitectnicos (reas de

estar, zonas de servicio, reas hmedas, reas secas).

Orientacin, dimensionamiento y morfologa de los elementos

arquitectnicos: Muros, puertas, ventanas, techumbres, elementos de

proteccin solar (si los hay).

Energa solar pasiva (estudios de asoleamiento).

Se anexarn imgenes de la tipologa de las casas en cada uno de los

contextos geogrficos.

Procedimientos:

Organizacin y metodologa general a seguir.

1. Recopilacin de informacin en libros, estudios climticos, grficas,

publicaciones e internet.

2. Evaluacin de datos climticos, elaboracin de fichas y reportes.

3. Redaccin apoyada en el punto anterior y en fuentes citadas.

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4. Integracin de datos en el software a utilizar, para crear simulaciones

de asoleamiento con la estrategia aplicada.

5. Recomendaciones conceptuales bsicas de la adecuacin de la

estrategia a cada clima estudiado.

Poblacin y muestra:

La poblacin o campo de anlisis en esta investigacin, ser el Estado de

San Luis Potos, Mxico, analizando ms especficamente los climas de la zona

media y zona centro del estado a travs de grficas y estudios climticos

existentes de ambas zonas.

Como muestra, se considerarn viviendas de inters social de

aproximadamente 60m2 de construccin, donde habiten hasta cinco personas y

cuyo terreno no exceda los 90m2.

Como ya se coment, el mtodo que se utilizar ser el deductivo,

partiendo de lo general a lo particular, analizando estudios de asoleamiento

existentes de ambas zonas del Estado de San Luis Potos y dando una

respuesta particular a un problema en especfico.

Las variables bioclimticas que se estudiarn sern las propuestas por

Aguilln (2007):

Anlisis del entorno climtico.

Anlisis del entorno bioclimtico.

Anlisis del clima estacional.

Requerimientos de climatizacin.

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Asimismo, las tcnicas de recoleccin propuestas son las que el mismo

autor sugiere, las cuales se mencionan a continuacin:

Estudio del plano de ubicacin geogrfica de la localidad y datos

generales del clima.

Recoleccin de mediciones de la grfica de los elementos del clima

de ambas regiones.

Elaboracin de grfica de bioclima interior y requerimientos de

climatizacin de cada zona.

Sntesis y manejo del bioclima y sistemas de climatizacin en base

al control solar.

Tcnicas de anlisis

Anlisis de grficas.

Anlisis de los elementos y variables de la estrategia de control

solar.

Anlisis experimental de la aplicacin de la estrategia.

Anlisis de viviendas de inters social en ambas regiones.

La metodologa de investigacin que se aplicar para el anlisis de las

variables bioclimticas de cada regin, se basar en analizar los componentes

del entorno climtico, bioclimtico, fsico, estacional y los requerimientos de

climatizacin en base al control solar.

Asimismo, en las viviendas de inters social seleccionadas, se

examinarn las variables antes mencionadas.

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La hiptesis planteada para el estudio explica que a mayor adecuacin

del diseo de las variables de la estrategia de control solar como orientacin,

aberturas y protecciones al clima de cada zona, se podrn deducir

recomendaciones conceptuales de diseo para obtener mayor grado de control

solar y trmico en la vivienda de inters social en el Estado de San Luis Potos,

Mxico.

Composicin general tentativa

1. Anlisis del entorno climtico.

1.1 Elementos climticos de las zonas de estudio.

1.1.1. Localizacin: Latitud, longitud, altitud.

1.1.2. Temperatura media anual.

1.1.3. Oscilacin trmica anual.

1.1.4. Precipitacin media anual.

1.1.5. Radiacin solar media anual.

1.1.6. Vientos.

1.2 Trayectoria solar: Autodesk Ecotect.

1.2.1. Grficas solares y estudios de asoleamiento.

1.3. Orientacin y emplazamiento en la arquitectura.

1.4. Zona de confort.

1.5. Dficit acumulado de grados de temperatura debajo de la zona de confort.

1.5.1. Das grado de calefaccin.

18

1.6. Supervit acumulado de grados de temperatura por encima de la zona de

confort.

1.6.1. Das grado de enfriamiento.

1.7. Clima estacional.

1.7.1. Zona media: Rioverde.

1.7.2. Zona centro: San Luis Potos.

2. Requerimientos de climatizacin.

2.1. Climatizacin por regin por temporada.

2.2. Sistemas pasivos de climatizacin.

2.3. Configuracin estructural.

2.3.1. Ganancia directa y proteccin solar.

2.4. Control solar en la arquitectura.

2.4.1. Antecedentes.

2.4.2. Dispositivos de control solar.

Horizontales.

Verticales.

Combinacin.

Nuevos acristalamientos.

Elementos no arquitectnicos.

2.5. Anlisis de vivienda de inters social en las dos zonas de estudio.

2.5.1. Seleccin de una vivienda de inters social en ambas zonas

geogrficas.

2.5.2. Generales del proyecto.

19

2.5.3. Aberturas.

2.5.4. Ventilacin.

2.5.5. Dispositivos de proteccin y ganancia solar.

3. Recomendaciones conceptuales: Aplicacin de la estrategia de control solar.

3.1. Seleccin de los elementos adecuados de control solar para el clima de

cada regin.

3.2 Comprobacin de su eficiencia por medio de estudios de simulacin creados

en Ecotect.

3.3 Conclusiones: Recomendaciones conceptuales grficas de la ptima

utilizacin de la estrategia de control solar.

3.3.1. Zona media: Rioverde.

3.3.2. Zona centro: San Luis Potos.

3.4 Conclusiones Generales.

Lista de referencias

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Luis Potos. Mxico: Tesis de maestra no publicada, Universidad de Colima,

Colima, Mxico.

Aguilln, J. (2007). Atlas bioclimtico para el Estado de San Luis Potos,

Municipio de SLP y Municipio de Rioverde, Mxico. Manuscrito no publicado,

ESDEPED, Facultad del Hbitat. San Luis Potos, Mxico.

20

Aguilln, J. (2007). La iluminacin y orientacin aplicada al diseo

arquitectnico. Instituto de investigacin y posgrado, Facultad del Hbitat,

Universidad Autnoma de San Luis Potos, San Luis Potos, Mxico.

Universidad de Chile, Facultad de Arquitectura y Urbanismo, Instituto de la

Vivienda, Universidad Tcnica Federico Santa Mara, Fundacin Chile Bienestar

Habitacional, Gua de Diseo para un Hbitat Residencial Sustentable (2004).

Bienestar Habitacional Gua de Diseo para un Hbitat Residencial Sustentable

Chile: Universidad de Chile. Recuperado de

http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/lb/instituto_de_la_vivienda/bienestarhab

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Dubois, M. P. (2009). Une maison cologique et conome. Paris, Francia:

Massin.

Edwards, B. (2004). Gua Bsica de la sostenibilidad. Madrid, Espaa: Gustavo

Gili.

Gmez, G. (1990). Recomendaciones bioclimticas para la arquitectura en la

ciudad de Colima. Manuscrito no publicado, Universidad de Colima, Mxico.

Hernndez-Sampieri, R., Fernndez, C. y Baptista, P. (2010). Metodologa de la

investigacin (5a. Ed.). Mxico., D.F., Mxico: McGraw-Hill Interamericana.

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solar.html.

21

King, D. (1994). Acondicionamiento bioclimtico. Manuscrito no publicado,

Universidad Autnoma Metropolitana, Mxico.

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Rodrguez, M. (2001) Introduccin a la arquitectura bioclimtica. Mxico, D.F.,

Mxico: Limusa.

Sanchez, G. y Dahuajare, M. (2001). Un problema!, una hiptesis!, una

solucin! Tesis de licenciatura no publicada, Universidad Nacional Autnoma de

Mxico, Mxico.

Tarchopulos, D. (2003). Vivienda social: miradas actuales a retos recientes.

Mxico, D.F., Mxico: CEJA.

Velez, R. (1992). La ecologa en el diseo arquitectnico. Mxico, D.F., Mxico:

Trillas.

22

Cronograma de actividades

23

Semblanza

Salvador Espinosa Muoz.

Titulacin por investigacin para obtener el ttulo de arquitecto:

"Simulacin solar para el diseo de vivienda de inters social en la zona media y

zona centro del estado de San Luis Potos".

Publicacin en la revista H+D Hbitat ms Diseo, Ao 3/ Nmero 5/

2011, con el ttulo de "Simulacin solar para el diseo de vivienda de inters

social en las zonas media y centro de San Luis Potos" y en la revista Hbitat

Sustentable, Ao 1/ Nmero 1/ Enero-Junio 2011, del cuerpo acadmico del

mismo nombre.

Participacin en el programa de movilidad estudiantil en Quebec, Q. C.,

Canad en el semestre Agosto-Diciembre 2009.

Participacin como concursante en el XXI Encuentro Nacional de

Estudiantes de Arquitectura (ENEA). Tampico, Tamaulipas, Mxico, 04/2009

Ponente en el Seminario Regional sobre Tecnologas y Materiales para

Viviendas Sustentables. San Luis Potos, SLP, Mxico, 04/2011

Asistente al Seminario Nacional de Arquitectura. Tampico, Tamaulipas,

Mxico, 05/2011