EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO TÉRMICO DE DIVERSAS

Transcripción

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO TÉRMICO
DE DIVERSAS SOLUCIONES DE VENTANA
PARA LA VIVIENDA DE LA ZONA SUR DEL
PERÚ
CONFORTA PERU SAC - HABITAT CONSTRUCCIONES SAC
Estudio realizado por Universidad Rovira i Virgili - España
Centro de Ingeniería térmica aplicada
INTRODUCCIÓN
Introducción
El presente informe es parte de un estudio realizado por el grupo de
investigación CREVER (Universidad Rovira i Virgili) para, y en
colaboración con, la empresa peruana Hábitat Construcciones S.A.C.
El objetivo central del estudio fue evaluar diversas soluciones de
ventana empleadas en la vivienda de la región sur de Perú,
principalmente en lo que respecta a su desempeño térmico.
El análisis de las diferentes soluciones de ventana se desarrolló en dos
etapas:
• 1. Análisis de ventanas mediante simulaciones ópticas y de
transferencia de calor en dos dimensiones.
• 2. Evaluación del impacto de diferentes tipos de ventana en el
desempeño ambiental y energético de la vivienda, mediante
simulaciones dinámicas.
VIVIENDA TIPO A SIMULAR
VARIANTES DE SIMULACIÓN
A) Vivienda separada y vivienda adosada. La primera es la vivienda separada (no
adosada a otras viviendas), con la fachada norte expuesta a la radiación solar (sin
elementos de sombreado importantes). La segunda representa la vivienda adosada a
otras viviendas. En ese caso las pérdidas de calor a través de los cerramientos de
contacto se reducen significativamente y la fachada norte se considera más protegida
de la radiación solar (reduciendo las ganancias de calor por radiación solar a través de
ventanas).
VARIANTES DE SIMULACIÓN
B) Vivienda sin aislamiento y con aislamiento. Además de efectuar las simulaciones
con los cerramientos tal cual fueron descritos por la oficina consultante, se hicieron
simulaciones considerando la adición de una capa de aislamiento en la parte exterior
de los cerramientos expuestos. Esto con el objeto de evaluar el impacto de las
diferentes opciones de ventana dependiendo del nivel de aislamiento de la vivienda.
C) Simulaciones en modo mecánico y en modo pasivo. En el caso de las simulaciones
en modo mecánico se consideró el uso de sistemas de climatización (HVAC) para
mantener unas condiciones de confort adecuadas. En este caso el principal parámetro
empleado para evaluar las diferentes opciones de ventana fueron los consumos
energéticos asociados a los sistemas HVAC. En las simulaciones en modo pasivo, por
otro lado, no se consideró el uso de sistemas de climatización, de tal manera que las
condiciones ambientales de la vivienda dependen de las condiciones exteriores, las
ganancias internas y las características arquitectónicas. Dado que no existen
consumos energéticos asociados a la climatización, en este caso el parámetro de
evaluación de las diferentes opciones de ventana son las condiciones ambientales
internas, principalmente la temperatura.
CONSIDERACIONES INICIALES PARA
LA SIMULACIÓN TÉRMICA DE UNA
VIVIENDA TIPO
CONSIDERACIONES INICIALES
• El presente estudio se ha desarrollado considerando una vivienda tipo de 12 m2
• Se ha tomado en cuenta, las condiciones meteorológicas de la ciudad de Puno
(temperaturas, humedades, radiación solar)
• Temperatura anual de bulbo seco en la ciudad de Puno
Relación de zonas térmicas incluidas en el modelo.
ZONA
N01-Es ta r
N01-Coci na
N01-Ves tíbul o
N02-Dormi tori o 01
N02-Dormi tori o 02
N02-Dormi tori o 03
N02-Servi ci o s a ni ta ri o 01
N02-Servi ci o s a ni ta ri o 02
N02-Ves tíbul o
TOTALES
Área (m2)
28.68
Volumen (m3)
80.29
12.13
13.20
19.09
11.71
12.60
3.49
5.90
17.26
33.95
36.97
53.45
32.78
35.29
9.77
16.52
48.33
124.05
347.33
Relación de superficies de cerramientos exteriores. Las ventanas representan el 10%
de todos los cerramientos
Superficie (m2)
TIPO DE CERRAMIENTO
Cubi erta
70.05
Suel o s obre terreno
54.00
Suel o exteri or
Muro exteri or
16.04
177.50
Venta na s
21.72
Puerta
2.42
TOTAL
341.73
Propiedades
generales de los
cerramientos
empleados en
los modelos de
simulación
Muros exteriores . Todos los muros
expuestos al ambiente exterior.
Muros interiores . Muros que
separan los espacios entre si.
Cubierta plana. Cerramiento de
azotea, expuesto al ambiente exterior.
Suelo interior. Forjado de entrepiso,
entre espacios de niveles 01 y 02.
Suelo exterior. Forjado en voladizo,
expuesto al ambiente exterior.
Suelos sobre terreno. Suelos en
contacto con el terreno.
U = Transmitancia térmica total
k-m = Capacidad de calor interna
Sin aislamiento
Con aislamiento
Muro exterior 01
Muro exterior 02
2
U (W/m -K) = 2.703
U (W/m2-K) = 0.687
k-m (KJ/m2-K) = 136.1
k-m (KJ/m2-K) = 136.1
Muro interior 01
2
Muro interior 01
U (W/m -K) = 2.703
U (W/m2-K) = 2.703
k-m (KJ/m2-K) = 136.1
k-m (KJ/m2-K) = 136.1
Cubierta plana 01
Cubierta plana 02
2
U (W/m -K) = 2.392
U (W/m2-K) = 0.665
k-m (KJ/m2-K) = 118.7
k-m (KJ/m2-K) = 118.7
Suelo interior 01
2
Suelo interior 01
U (W/m -K) = 1.842
U (W/m2-K) = 1.842
k-m (KJ/m2-K) = 138.2
k-m (KJ/m2-K) = 138.2
Suelo exterior 01
Suelo exterior 02
2
U (W/m -K) = 1.842
U (W/m2-K) = 0.617
k-m (KJ/m2-K) = 138.2
k-m (KJ/m2-K) = 138.2
Suelo sobre terreno 01
2
Suelo sobre terreno 01
U (W/m -K) = 3.383
U (W/m2-K) = 3.383
k-m (KJ/m2-K) = 204.5
k-m (KJ/m2-K) = 204.5
Propiedades generales de las opciones de ventana analizadas
Valor U
SHGC
Transmitancia
Visible
W/m2 -K
Op01 - Referenci a
5.840
0.571
0.574
Op02 - Al um01
4.159
0.502
0.516
Op03 - Met8A
3.510
0.527
0.553
Op04 - MetMa d7A
3.082
0.485
0.511
Op05 - PVC01
2.591
0.472
0.503
Op06 - Ma d9A
2.584
0.481
0.512
CORROBORACIÓN DATOS
Medición de conductividad térmica en módulo construido en la
Universidad Católica Santa María
Conductividad térmica de la ventana de Metal Madera.
. 𝑄𝑅𝐸𝐴𝐿 = 𝑈𝑃𝑉𝐶 ∙ 𝐴𝐻 ∙ 𝑡𝑖.𝑚 − 𝑡𝑎,𝑚
QA: Pérdida energética de la apertura
: Conductividad Termina de ventana de Metal
Madera.
AH : Superficie del huerco (1,210 x 1,010 mm)
ti,m : Temperatura media interior de la caja
ta,m : Temperatura media exterior (ambiente)
𝑈𝑀𝐸𝑇𝐴𝐿−𝑀𝐴𝐷𝐸𝑅𝐴 =
𝑄𝑅𝐸𝐴𝐿
𝐴𝐻 ∙ 𝑡𝑖.𝑚 − 𝑡𝑎,𝑚
=
109.32
𝑾
= 𝟐. 𝟗𝟖 𝟐
1,210𝑥1,010(30)
𝒎 𝒌
CORROBORACIÓN DATOS
Medición de conductividad térmica en módulo construido en la
Universidad Católica Santa María
conductividad termina de la ventana de PVC
. 𝑄𝑅𝐸𝐴𝐿 = 𝑈𝑃𝑉𝐶 ∙ 𝐴𝐻 ∙ 𝑡𝑖.𝑚 − 𝑡𝑎,𝑚
QA: Pérdida energética de la apertura
: Conductividad Termina de ventana de PVC.
AH : Superficie del huerco (1,210 x 1,010 mm)
ti,m : Temperatura media interior de la caja
ta,m : Temperatura media exterior (ambiente)
𝑈𝑃𝑉𝐶 =
𝑄𝑅𝐸𝐴𝐿
𝐴𝐻 ∙ 𝑡𝑖.𝑚 − 𝑡𝑎,𝑚
=
85.88
𝑾
= 𝟐. 𝟑𝟒 𝟐
1,210𝑥1,010(30)
𝒎 𝒌
Relación de áreas de ventanas
UBICACIÓN DE VENTANAS
Es ta r - Sa l a
Es ta r - Comedor
Coci na
Dormi tori o 01
Dormi tori o 02
Dormi tori o 03
Ves tíbul o
TOTAL:
Ancho (m)
3.55
3.50
1.50
Alto (m)
1.10
2.10
2.10
Área (m2)
3.91
7.35
3.15
2.50
1.50
1.50
1.10
1.10
1.10
2.75
1.65
1.65
1.15
1.10
1.27
21.72
Datos de entrada relacionados con las ganancias por ocupación
Espacio
Densidad
(pers/m2)
Tasa m et.
(W/pers)
Factor Met.
Ganancia
(W/m2)
N01-Estar
0.019
110
0.90
1.86
Estar
N01-Cocina
0.024
160
0.90
3.41
Cocina
N01-Vestíbulo
0.016
180
0.90
2.51
Circulación
N02-Dormitorios
0.023
90
0.90
1.85
Dormitorio
N02-Servicios S.
0.019
120
0.90
2.02
SS
N01_02-Vestíbulos
0.016
180
0.90
2.51
Circulación
Program ación
Notas:
1. La tasa metabólica depende del tipo de actividad. Mientras más intensa es esta última, mayor es la tasa metabólica
2. El factor metabólico pondera la constitución física de los ocupantes. Hombre = 1.00, Mujer = 0.85, Niño = 0.75
3. La tasa de ganancia de calor por ocupación (W/m2) = Densidad x Tasa metabólica x Factor metabólico
4. La ganancia de calor se modifica en el tiempo por los valores de la programación
Datos de entrada relacionados con las ganancias por aparatos
Espacio
Ganancia
(W/m2)
Concepto
F.
Perd.
F.
Lat.
F.
Rad.
F.
Sens.
N01-Estar
3.9
General
0.00
0.00
0.20
0.80
Estar
N01-Cocina
30.3
General
0.00
0.00
0.20
0.80
Cocina
N01-Vestíbulo
1.6
General
0.00
0.00
0.20
0.80
Circulación
N02-Dormitorios
3.6
General
0.00
0.00
0.20
0.80
Dormitorio
N02-Servicios S.
1.7
General
0.00
0.00
0.20
0.80
SS
N01_02-Vestíbulos
1.6
General
0.00
0.00
0.20
0.80
Circulación
Program ación
F. Perd. = Fracción de pérdida (calor expulsado al exterior), F. Lat. = Fracción latente, F. Rad. = Fracción
radiante, F. Sens. = Fracción sensible
Datos de entrada relacionados con las ganancias por Iluminación.
Espacio
Ilum in. Min. Energ. Ilum . Ganancia
(lux)
(W/m2-100lux)
(W/m2)
F.
Ret.
F.
Rad.
F.
F.
Visib. Conv.
Program ación
N01-Estar
150
5.00
7.50
0.00
0.42
0.18
0.40
Estar
N01-Cocina
300
5.00
15.00
0.00
0.42
0.18
0.40
Cocina
N01-Vestíbulo
100
5.00
5.00
0.00
0.42
0.18
0.40
Circulación
N02-Dormitorios
100
5.00
5.00
0.00
0.42
0.18
0.40
Dormitorio
N02-Servicios S.
150
5.00
7.50
0.00
0.42
0.18
0.40
SS
N01_02-Vestíbulos
100
5.00
5.00
0.00
0.42
0.18
0.40
Circulación
F. Ret. = Fracción de retorno (calor extraido), F. Rad. = Fracción radiante, F. Visib. = Fracción visible, F. Conv. = Fracción
convectiva
Nota: La ganancia de calor se modifican en el tiempo por los valores de la programación
Programaciones de ocupación.
1o de enero al 31 de diciembre
Estar
Cocina
Dorm itorio
Servicio S.
Vestíbulo
00:00 - 07:00 =0.00
00:00 - 07:00 =0.00
00:00 - 07:00 =1.00
00:00 - 06:00 = 0.00
00:00 - 07:00 =0.00
07:00 - 10:00 =1.00
07:00 - 10:00 =1.00
07:00 - 08:00 =0.50
06:00 - 07:00 = 0.25
07:00 - 10:00 =1.00
10:00 - 14:00 =0.00
10:00 - 19:00 =0.00
08:00 - 09:00 =0.25
07:00 - 09:00 = 1.00
10:00 - 19:00 =0.00
14:00 - 18:00 =0.50
19:00 - 23:00 =0.20
09:00 - 22:00 =0.00
09:00 - 10:00 = 0.25
19:00 - 23:00 =0.20
18:00 - 22:00 =1.00
23:00 - 24:00 =0.00
22:00 - 23:00 =0.25
10:00 - 18:00 = 0.00
23:00 - 24:00 =0.00
23:00 - 24:00 =0.75
18:00 - 19:00 = 0.50
22:00 - 23:00 =0.50
23:00 - 24:00 =0.00
19:00 - 21:00 = 1.00
21:00 - 22:00 = 3.00
22:00 - 24:00 = 0.00
RESULTADOS EN MODO PASIVO
En el presente apartado se muestra y analizan los resultados de las simulaciones
en modo pasivo. En ellas se asume que la vivienda no cuenta con el apoyo de
sistemas mecánicos de climatización para mantener el confort, por lo que las
condiciones ambientales internas evolucionan libremente de acuerdo a las
condiciones exteriores, las cargas internas y las características arquitectónicas de
la vivienda. Dado que no hay sistemas de climatización que generen consumos
energéticos, en este caso la información que permiten comparar el impacto de
cada opción de ventana son las condiciones ambientales interiores,
especialmente la temperatura.
Comparación de temperaturas internas en modo pasivo. Total de horas con
temperaturas por debajo de 14ºC en la sala de estar y los tres dormitorios. Vivienda
separada SIN aislamiento.
Opción
Horas < 14ºC
% Tiempo < 14ºC
Mejora
Op01-Ref
6763.8
41.2%
Ref.
Op02-Al um01
6797.6
41.4%
-0.5%
Op03-Met8A
6705.4
40.8%
0.9%
Op04-MetMa d7A
6680.8
40.7%
1.2%
Op05-PVC01
6574.8
40.0%
2.8%
Op06-Ma d9A
6551.9
39.9%
3.1%
separada CON aislamiento
Opción
Horas < 14ºC
% Tiempo < 14ºC
Mejora
Op01-Ref
2032.1
12.4%
Ref.
Op02-Al um01
2155.3
13.1%
-6.1%
Op03-Met8A
2013.6
12.3%
0.9%
Op04-MetMa d7A
2012.6
12.3%
1.0%
Op05-PVC01
1856.8
11.3%
8.6%
Op06-Ma d9A
1813.1
11.0%
10.8%
adosada CON aislamiento
Opción
Horas < 14ºC
% Tiempo < 14ºC
Mejora
Op01-Ref
2409.0
14.7%
Ref.
Op02-Al um01
2235.0
13.6%
7.2%
Op03-Met8A
1979.0
12.0%
17.8%
Op04-MetMa d7A
1879.0
11.4%
22.0%
Op05-PVC01
1662.0
10.1%
31.0%
Op06-Ma d9A
1635.0
10.0%
32.1%
En el presente apartado se muestran resultados en modo pasivo, considerando
por separado los ambientes principales de una vivienda que tiene las siguientes
características:
- No se encuentra adosada a ninguna vivienda contigua
- Cuenta con cerramientos que cuentan con superficies de aislamiento
Comparación de temperaturas internas. Vivienda CON aislamiento, dormitorio 01
Opción
Horas < 14ºC
% Tiempo < 14ºC
Mejora
Op01-Ref
1463.8
36.5%
Ref.
Op02-Al um01
1477.0
36.8%
-0.9%
Op03-Met8A
1428.8
35.6%
2.4%
Op04-MetMa d7A
1413.8
35.2%
3.4%
Op05-PVC01
1358.0
33.8%
7.2%
Op06-Ma d9A
1345.0
33.5%
8.1%
Comparación de temperaturas internas. Vivienda CON aislamiento, dormitorio 02.
Opción
Horas < 14ºC
% Tiempo < 14ºC
Mejora
Op01-Ref
147.5
3.7%
Ref.
Op02-Al um01
203.3
5.1%
-37.8%
Op03-Met8A
180.5
4.5%
-22.4%
Op04-MetMa d7A
193.5
4.8%
-31.2%
Op05-PVC01
169.3
4.2%
-14.8%
Op06-Ma d9A
157.8
3.9%
-7.0%
Comparación de temperaturas internas. Vivienda CON aislamiento, dormitorio 03.
Opción
Horas < 14ºC
% Tiempo < 14ºC
Mejora
Op01-Ref
308.8
7.7%
Ref.
Op02-Alum01
374.5
9.3%
-21.3%
Op03-Met8A
315.3
7.9%
-2.1%
Op04-MetMa d7A
327.3
8.2%
-6.0%
Op05-PVC01
277.0
6.9%
10.3%
Op06-Ma d9A
262.3
6.5%
15.1%
CORROBORACIÓN DE RESULTADOS
En el presente apartado se muestran resultados obtenidos en una vivienda tipo
en la ciudad de Juliaca, utilizando una simulación en programa Casa Nova. Esta
simulación es de corroboración y toma como elemento de prueba ventanas de
PVC. Esta simulación ha incluido la comparación con una ventana tipo
«moduglass» que es mas cercana a la realidad actual. (esta ventana tienen serias
deficiencias de hermeticidad)
Variante 1
Construcción de la casa “clásica” (sin aislamiento) – Variación de las ventanas
Referencia es el cálculo “ModuGlass”
Con el cambio de las ventanas de la construcción clásica (moduGlass) a ventanas
aislantes se reduce las pérdidas de energía de la casa modelo de 21.7%.
Considerando la mejor construcción de las juntas (doble contacto) sin considerar
aspectos normativas (tasa de renovación de aire mínima) se llega a una reducción
mayor de 27.4%.
Las reducciones de las pérdidas sólo por las ventanas se disminuyen 53.7%.
Variante 2
Construcción de la casa aislada – Variación de las ventanas
Referencia es el cálculo “ModuGlass”
Con el cambio de las ventanas de la construcción clásica (moduGlass) a ventanas
aislantes se reduce las pérdidas de energía de la casa modelo con adicional
aislamiento térmico (38 mm EPS) de 33.6%. Considerando la mejor construcción de
las juntas (doble contacto) sin considerar aspectos normativas (tasa de renovación de
aire mínima) se llega a una reducción mayor de 42.5%.
Las reducciones de las pérdidas sólo por las ventanas se disminuyen 54.4%.
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
- Las prototipos generados generan una
mejora térmica en una vivienda entre un 5 y
40%
CONCLUSIONES
-
Estas mejoras aumentan cuando se usan ventanas de mala
calidad de cerramiento
CONCLUSIONES
-
Estas mejoras aumentan cuando se usan ventanas de mala
calidad de cerramiento
CONCLUSIONES
•
Lograr el confort térmico en una vivienda no solo depende de las
ventanas. Debe buscarse un aislamiento general
CONCLUSIONES
•
Es de vital importancia la ganancia energética pasiva de la vivienda,
que depende mucho de la orientación (sobre todo en la sierra sur,
que tiene abundante recurso solar)
CONCLUSIONES
•
Es importante considerar en la planificación de vivienda la
importancia de la «vivienda adosada»
Gotemburgo - Suecia

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO TÉRMICO DE DIVERSAS

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