recomendaciones y herramientas para el diseño

XII CONGRESO IBÉRICO Y VII CONGRESO IBEROAMERICANO DE ENERGÍA SOLAR
Vigo - España, 14-18 de Septiembre 2004
RECOMENDACIONES Y HERRAMIENTAS PARA EL DISEÑO DE
VIVIENDAS CON CALEFACCIÓN SOLAR Y CLIMATIZACIÓN PASIVA
EN UNA ZONA DE CLIMA MEDITERRÁNEO
Müller E.
Forschungslabor für Experimentelles Bauen [Laboratorio de Construcción Experimental],
Universität Kassel [Universidad de Kassel], Menzelstraße 13, Kassel, D-34109, Alemania,
e-mail: Mueller.Ernst@gmail.com (ernstm@uni-kassel.de)
RESUMEN
Recomendaciones y herramientas de diseño pasivo fundamentadas en normas europeas
fueron desarrolladas con simulaciones térmicas extensas y un año de referencia
especialmente preparado con datos climáticos horarios de la zona central de Chile. Los
resultados de la investigación fueron presentados como manual en castellano con
herramientas simples anexadas en planilla de cálculo. Se demuestra un análisis de diseño
con un enfoque nuevo, que permite entender mejor y optimizar el equilibrio complejo entre
las exigencias de verano e invierno en un clima mediterráneo. Las metodologías y el
enfoque desarrollados son transferibles para otras regiones climáticas. Así la investigación
aporta al mejoramiento del confort térmico y al aprovechamiento de la energía solar en la
vivienda como elementos esenciales de un proceso de desarrollo sostenible.
PALABRAS CLAVE: Casas Solares, Diseño Pasivo, Análisis de Diseño,
Herramientas de Diseño, Calefacción Solar, Enfriamiento Pasivo
ABSTRACT
Recommendations for passive design and design tools based on European building codes
were developed with extensive thermal simulations and a reference year especially prepared
with hourly climate data from the central region of Chile. The results of the research were
presented as a manual in Spanish enclosing simple design tools in an electronic
spreadsheet. The design analysis is presented with a novel approach, that permits a better
understanding and optimisation of the complex design balance between the demands for
summer and winter in a mediterranean climate. The methodologies and approach that were
developed are extendable to other climatic regions. This way the investigation supports the
improvement of thermal comfort conditions and the application of solar energy in dwellings
as essential elements of a process of sustainable development.
KEYWORDS: Solar Houses, Passive Design, Design Analysis, Design Tools, Solar
Heating, Passive Cooling
2
INTRODUCCIÓN
El aprovechamiento pasivo de la energía solar para la calefacción y la climatización pasiva
de viviendas son estrategias prometedoras para el diseño de viviendas sostenibles, tanto en
países ricos como en vías de desarrollo: permiten el mejoramiento de las condiciones de
confort térmico a bajo costo tanto ecológico como económico y por lo tanto accesible para
la mayoría de las personas. Para impulsar la realización de este potencial, todavía poco
aprovechado en los países de América Latina, fue realizado un proyecto internacional de
investigación. Este trabajo se concentró en el clima del interior de la zona central de Chile,
que cuenta con clima de tipo mediterráneo de acuerdo con la Norma Chilena (NCh 1079).
Este clima es interesante porque presenta problemas térmicos tanto en verano (temperaturas
máximas altas y radiación solar excesiva) como en invierno (temperaturas bajas). Al otro
lado ofrece potenciales prometedores de aprovechamiento pasivo gracias a la gran variación
térmica en verano y los buenos niveles de radiación solar en invierno.
Uno de los objetivos principales fue elaborar recomendaciones y herramientas para el
diseño, que permiten entender mejor y optimizar el equilibrio complejo entre las exigencias
de verano e invierno en un clima mediterráneo. Algunos resultados preliminares habían
sido elaborados con métodos tradicionales de análisis y simulaciones térmicas para días
promedios en (Müller, 1998), (Müller, 2000) y (Müller, 2001). Una primera versión de las
herramientas de cálculo fue presentada en (Müller, 2001c), pero aquí se presenta una
versión mejorada con un numero mayor de simulaciones para cubrir una gama más amplia
de construcciones. Los resultados presentados aquí se fundamentan en simulaciones
térmicas con un año de referencia, que fue elaborado por el autor con una metodología
propia a partir de datos horarios medidos en Santiago de Chile como descrito en (Müller,
2001b). El clima y por lo tanto su análisis térmico representan una zona importante donde
moran aproximadamente 40% de los Chilenos, considerando la nueva zonificación
climática habitacional en (MINVU, 2000) hasta 1000m de altura.
METODOLOGÍA
El método principal de investigación constituyeron simulaciones térmicas horarias con el
programa DEROB-LTH para un ambiente dentro de una casa y con un modelo de una casa
unifamiliar completa de dimensiones típicas. DEROB permite obtener valores horarios de
las temperaturas internas de aire y de las temperaturas operativas, definidas como el valor
promedio de la temperatura de aire interior y de la temperatura promedia de las superficies
interiores que deslindan el mismo espacio. Para evaluar el grado de desviación de las
temperaturas de las condiciones de confort térmico fueron definidos los grados-hora diarios
de calor (base 26°C) y frío (base 19°C). El uso del promedio diario hace comparables
periodos de duración diferente (meses, verano etcétera). Los índices de Gh26o y Gh19o
indican el valor de la temperatura de referencia θr y el uso de temperaturas operativas.
La metodología para las herramientas de diseño se puede resumir como sigue:
1. Se calcula las características térmicas básicas de una casa usando normas térmicas
europeas, principalmente la [E DIN EN ISO 13790] y las normas relacionadas. Estas
normas son parecidas a las normas Chilenas, pero más completas.
2. Los valores característicos primarios de este cálculo, originalmente creados para el
cálculo de casas con calefacción en invierno, fueron adaptados y ampliados para la
3
estación calurosa y casas pasivas. Valores característicos y factores de corrección
incluidos en las normas fueron determinados para el clima local con simulaciones
térmicas adicionales. Modelos especiales simples para elementos de climatización
pasiva no considerados en las normas, p. ej. ventilación nocturna, fueron establecidos.
3. Fue realizado un gran número de simulaciones térmicas para una gama amplia de
parámetros de diseño en un ambiente dentro de una casa con temperaturas que flotan
libremente. El análisis regresivo de la correlación entre características térmicas
secundarias, derivadas del cálculo simples, por un lado y los resultados de confort
térmico de las simulaciones por el otro lado permitió establecer las funciones
correlativas más aptas para las estaciones calurosas y frías. Algunos parámetros del
modelo fueron optimizados en este paso para obtener la mejor correlación posible. La
identificación de las características térmicas más significativas y de modelos
matemáticos adecuados fueron cruciales en este paso central.
4. El proceso de cálculo simple junto con las funciones de correlación fueron
implementados en una planilla de cálculo, que se puede distribuir fácilmente y que
permite determinar indicadores de calidad térmica y de confort térmico del diseño.
HERRAMIENTAS DE DISEÑO
Las características térmicas básicas calculadas con las normas pueden ser resumidas en tres
parámetros, cuyo valor todavía depende del tamaño de la construcción:
♦ el coeficiente de perdidas totales de calor (por transmisión y ventilación) Ht en (W/K);
♦ la capacidad térmica efectiva C en (Wh/K);
♦ las ganancias térmicas totales (solares, opacas, internas) Pg en (W).
Aquí solamente cabe un resumen breve de las herramientas. Más detalles se puede
encontrar en (Müller, 2002) y las normas mencionadas. Fue importante para las
herramientas de cálculo definir características térmicas secundarias, que son combinaciones
de las características básicas, pero cuyo valor es independiente del factor de escala:
♦ el constante de tiempo τ = C / Ht en (h) mide la velocidad con la cual una vivienda se
calienta o enfría;
♦ la relación entre ganancias y pérdidas térmicas GP = Pg / (Ht (θr - θe)) (sin dimensión)
con la temperatura de referencia θr y la temperatura exterior θe;
♦ el factor de utilización de las ganancias térmicas η (sin dimensión), calculado de
acuerdo con las formulas de [E DIN EN ISO 13790] como función de GP y τ,
utilizando coeficientes optimizados en el análisis de regresión; η mide la fracción de las
ganancias térmicas que se puede aprovechar en el nivel de la temperatura θr.
En la época fría, la relación entre ganancias efectivas y pérdidas totales GPeff = GP η es el
parámetro esencial. La regresión cuadrada entre los grados-hora diarios de frío Gh19o y
GPeff es muy buena (r² = 0,9992) y aparece en Fig. 1 como "Gh19o/d (modelo)" junto con los
puntos que representan las características térmicas de los diseños simulados. En la misma
Fig. 1 se ve también un segundo "modelo universal", que no depende de los coeficientes de
correlación: se caracteriza por una correlación solo levemente inferior y constituye una
interpolación lineal entre los grados-hora diarios para el aire exterior en Julio (272,6Kh/d),
es decir el clima, y la exigencia obvia de Gh19o = 0 para GP = 0. Así se podría adaptar este
modelo universal para otras zonas climáticas parecidas sin nuevas simulaciones térmicas.
4
Gh19o/d (N)
Gh19o/d (E)
Gh19o/d (modelo)
250
Gh19o/d (S)
Gh19o/d (O)
Gh19o/d (modelo universal)
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
200
150
100
50
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
"ganancias efectivas" / "pérdidas totales" = GPeff
Fig. 1. Correlación de los Grados-hora Diarios de Frío para Diferentes Orientaciones
en el Mes más Frío de Invierno (Julio) en Santiago de Chile (latitud 33,4° sur)
70
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
60
50
40
30
20
Gh26o/d (N)
Gh26o/d (E)
Gh26o/d (modelo)
10
0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
Gh26o/d (S)
Gh26o/d (O)
0,25
0,30
0,35
"ganancias excesivas" / "pérdidas totales" = GPexc
Fig. 2. Correlación de los Grados-hora Diarios de Calor para Diferentes Orientaciones
en el Mes más Caluroso de Verano (Enero) en Santiago de Chile (latitud 33,4° sur)
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En la época calurosa fue posible establecer una correlación entre los grados-hora diarios de
calor Gh26o con la relación entre ganancias excesivas y pérdidas totales GPexc. Las
ganancias excesivas no son utilizables en el nivel de la temperatura de referencia de 26°C,
sino llevan a un sobrecalentamiento. Diferente de la versión anterior de las herramientas en
(Müller, 2001c), la regresión cúbica con GPexc = GP (1 - η) en Fig. 2 ofrece la mejor
correlación (r² = 0,9814).
RECOMENDACIONES SISTEMÁTICAS DE DISEÑO
El análisis detallado de las simulaciones realizadas para el desarrollo de las herramientas de
cálculo permitió también derivar recomendaciones sistemáticas de diseño. Más detalles y la
comparación de propuestas de diseño solar y pasivo con diseños convencionales se
encuentran en el manual de diseño (Müller, 2002), publicado electrónicamente con las
herramientas simples anexadas en planilla de cálculo; aquí solamente cabe un resumen:
♦ Los resultados de las simulaciones fueron analizados con gráficos que diferencian los
puntos de acuerdo con diferentes parámetros de diseño: p. ej. en Fig. 1 se puede
observar que en invierno la orientación norte obtiene las mejores ganancias solares y
condiciones de confort, mientras que en verano y Fig. 2 se puede observar los grandes
problemas que causan las orientaciones este y oeste, que por eso no son recomendables.
♦ Fue posible elaborar una serie de gráficos que demuestran la influencia de la variación
del tipo de construcción (ladrillo, tabique, tapial etcétera) y de otro parámetro de diseño
(estrategia de climatización pasiva, características de ventanas etcétera) sobre el confort
térmico, promediando otros parámetros para obtener comparaciones más significativas.
♦ Las herramientas de cálculo permiten recomendaciones cuantitativas en términos de la
relación entre ganancias efectivas y pérdidas térmicas GPeff para el invierno y de la
relación entre ganancias excesivas y pérdidas térmicas GPexc para el verano.
♦ Varias tablas resumen y sistematizan las recomendaciones interligadas de diseño.
Las herramientas de cálculo permiten identificar y analizar con claridad las características
constructivas, que son las más importantes en cada época del año para mejorar las
condiciones de confort térmico, y recomendar estrategias como las resumidas aquí:
♦ En todas las épocas del año es importante obtener un alto factor de utilización η de las
ganancias internas y solares. Esto implica una constante de tiempo τ lo suficientemente
alta, dependiendo de la relación entre ganancias y pérdidas térmicas GP, siendo que una
GP mayor, con ganancias altas en relación a las pérdidas, exige una constante de tiempo
τ más grande en compensación.
♦ En el periodo frío es importante maximizar la relación entre ganancias y pérdidas
térmicas GP, aumentando las ganancias y reduciendo las pérdidas de forma equilibrada.
Un alto factor de utilización η con una capacidad térmica grande permite entonces
aprovechar bien las ganancias térmicas.
♦ En el periodo caluroso es importante minimizar la relación entre ganancias y pérdidas
térmicas GP, reduciendo las ganancias o aumentando las pérdidas térmicas. Así una
reducción del índice Ht de pérdidas por motivos del invierno exige una compensación
por ganancias reducidas en verano. Una forma selectiva para aumentar las pérdidas de
calor (mejor dicho: eliminar los excesos de calor) representa la ventilación (nocturna),
que no afecta el comportamiento en invierno. Un alto factor de utilización η ayuda a
reducir las ganancias no utilizables y así a evitar el sobrecalentamiento.
6
CONCLUSIONES
Las herramientas de cálculo presentadas permiten una estimación fácil de las condiciones
de confort térmico en casas pasivas y pueden ser usadas de diferentes formas:
♦ como una herramienta de cálculo simple y rápida para evaluar la calidad térmica;
♦ para entender mejor el proceso de optimización sistemática de casas pasivas;
♦ para futuras extensiones de normas térmicas, especialmente con respecto al confort
térmico en la estación calurosa y para casas pasivas.
El manual elaborado presenta los resultados de una forma fácilmente aplicable. Las
metodologías desarrolladas para la elaboración de las herramientas y las recomendaciones
sistemáticas son transferibles para otras regiones climáticas. De esta forma, la investigación
aportó al mejoramiento del confort térmico y al aprovechamiento de la energía solar en la
vivienda como elementos esenciales de un proceso de desarrollo sostenible.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue posible gracias al proyecto "Viviendas sismorresistentes con materiales
locales y climatización pasiva en zonas rurales de los Andes" del Laboratorio de
Construcción Experimental con el financiamiento de la Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) y de la Cooperación Técnica Alemana (gtz). Los datos climáticos horarios originales
fueron facilitados por el Centro Nacional de Medio Ambiente de mediciones de la
Comisión Nacional de Medio Ambiente, ambos en Santiago de Chile. El programa
DEROB-LTH fue utilizado gracias a la cooperación con la Universidad de Lund, Suecia.
REFERENCIAS
MINVU Ministerio de Vivienda y Urbanismo (2000) Manual de Aplicación,
Reglamentación Térmica, Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones, Santiago,
Chile.
Müller E. (1998) Mejoramiento Térmico de Viviendas con Climatización Pasiva para la
Zona Central de Chile con Programas de Simulación Térmica. Congreso Internacional De
Energías Sustentables SENESE X, Noviembre, Punta Arenas, Chile.
Müller E. (2000) Estudios Paramétricos con Simulaciones Térmicas para Viviendas con
Climatización Pasiva en la Zona Central de Chile, COCIM – CONAE, Octubre, Valparaíso,
Chile.
Müller E. (2001) Desenvolvimento de Regras de Desenho Passivo para Edificações
Habitacionais na Zona Central do Chile, ELECS, Abril, Canela/RS, Brasil.
Müller E. (2001b) Development of a Test Reference Year on a Limited Data Base for
Simulations on Passive Heating and Cooling in Chile, Building Simulation, August, Rio de
Janeiro, Brazil.
Müller E. (2001c) Development of New Design Tools and Recommendations for Passive
Design in a Mediterranean Climate, PLEA, November, Florianópolis, Brazil.
Müller E. (2002) Manual de diseño para viviendas con climatización pasiva. Universidad
de Kassel, Alemania. Disponible en formato electrónico por el autor.
Norma Chilena NCh 1079.Of77, Zonificación climático - habitacional para Chile y
recomendaciones para el diseño arquitectónico, Santiago 1977.