Tema 10 - Educación y capacitación en energías renovables y uso racional de la energía
SIMULACIÓN Y EVALUACIÓN ENERGÉTICA Y ECONÓMICA DE UN MÓDULO HABITABLE EN LAS SIERRAS DE CÓRDOBA María Pía Mazzocco1, Adriana Mendieta1, Alicia Panigo1, Milagro Prados1, Magdalena Saravia1, Celina Filippín2 (1) Instituto de Arquitectura Sustentable (IAS) Colegio de Arquitectos de la Provincia de Córdoba (CAPC) – Friuli 2380 Bº Colinas de Vélez Sarsfield, Córdoba. Tel: 54-351- 486 22 mail: verificació
[email protected] (2) CONICET, Av Spinetto 785, Santa Rosa, La Pampa, 6300- TE 02954 430910 RESUMEN: En este trabajo se evalúa y verifica el comportamiento térmico del proyecto “Modulo Habitable de bajo impacto ambiental” desarrollado en el Instituto de Arquitectura Sustentable del Colegio de Arquitectos de la Provincia de Córdoba. El edificio se implantaría en la localidad de Parque Siquiman. Se presenta el marco conceptual y la metodología utilizada. Se exponen los resultados obtenidos sobre: transmitancia térmica, condensación superficial, simulación energética con software “SIMEDIF para análisis térmico de edificios” y análisis económico en cuanto al costo de la vivienda y su relación con una construcción de tipo tradicional. De las conclusiones se puede inferir que las estrategias iniciales de diseño fueron acertadas en general, pudiéndose mejorar aun más los resultados mediante rediseño de envolventes y tecnología empleada. La construcción tendría un sobrecosto del 20% respecto de la tradicional, parámetro muy importante a tener en cuenta considerando las ventajas de ahorro energético que ofrece. Palabras clave: diseño bioclimático, ahorro energético, Simedif, simulación energética, arquitectura sustentable, Córdoba. INTRODUCCIÓN La naturaleza y el clima nos brindan gran cantidad de recursos para lograr el confort humano sin depender de las energías contaminantes. A nivel mundial, los recursos energéticos están agotándose, por lo que necesitamos como sociedad asumir esta realidad y como profesionales de la construcción tomar esta problemática y tratar de utilizar técnicas y estrategias bioclimáticas que minimicen el consumo energético y por ende, el impacto en el ambiente. En Argentina el consumo de energía eléctrica por habitante fue de 2.904 kWh en el año 2010, con un incremento del 39,28% con respecto al año 2000 (Ferrari et al., 2013): las perspectivas de aumento de demanda son alarmantes. En países como Suecia, Finlandia y Dinamarca han logrado reducir este porcentaje en el período citado. En la provincia de Córdoba el 68.54% de la energía consumida es de origen térmico (combustibles fósiles), lo cual conlleva una importante generación de emisiones: en el año 2010 fueron de 1.902.727 tCO2 (tipos de combustible empleado: gasoil, fuel oil y gas natural). En el departamento de Punilla, que es en donde se sitúa el caso de estudio, el consumo de energía eléctrica por habitante es de 1.887 (kWh/hab), lo cual no es un dato menor si se lo compara con el de la capital de la provincia, a la cual le corresponde un consumo de 1.983 kWh/hab. Si bien no se cuenta en Córdoba con un marco legal general que posibilite disminuir estos valores, es posible hacerlo desde el 1- Arquitectas. Integrantes del Instituto de Arquitectura Sustentable (IAS) Colegio de Arquitectos de la Provincia de Córdoba. 2- Doctora Arquitecta. Investigadora principal CONICET
ámbito profesional para el usuario individual, proponiendo un diseño arquitectónico ambientalmente consciente y fundamentándolo de manera cualitativa y cuantitativamente. En este trabajo se analizan las pautas y estrategias del diseño bioclimático propuesto en el MA (Módulo Habitable), se verifica la propuesta tecnológica y se realiza la simulación energética para cuantificar su comportamiento térmico. Esto permitió evaluar su desempeño y plantear estrategias de optimización. También se analizaron aspectos económicos y ambientales. METODOLOGÍA Se trabaja con el análisis de un MA para ser construido en una zona serrana a orillas del lago San Roque, en el departamento de Punilla. La metodología empleada consiste en evaluar los diferentes elementos constructivos propuestos en el proyecto para verificar si cumplen con los requerimientos mínimos en cuanto a aislación, eje fundamental a la hora de diseñar una propuesta ambientalmente consciente. También se realiza la simulación energética mediante el programa de cálculo SIMEDIF. Se analiza el módulo desde los siguientes indicadores: a- Estudio de las condiciones climáticas de la región. Localización y emplazamiento, datos sobre la distancia a córdoba, altura sobre el nivel del mar, clasificación bioambiental y referencias climáticas. La implantación del módulo y el paisaje circundante. b- Aplicación de métodos de cálculo teóricos (tabla 1) c- Tecnológicos: se evalúa el comportamiento de las envolventes laterales y superiores con el estudio de asoleamiento y comportamiento térmico. d- Energéticos: se realiza la simulación energética tanto para invierno como para verano. e- Económicos: se analizan y comparan los precios de los ítems representativos en función del análisis previo: cerramiento horizontal, cerramiento vertical, vidrios y carpinterías. 1
Análisis térmico
2 3
Riesgo de condensación Asoleamiento
4
Simulación
5
Calculo de energía auxiliar necesaria Evaluación económica
6
Se evalúa el coeficiente K de transmitancia térmica de las envolventes exteriores, según parámetros que establece la norma para Córdoba, en verano e invierno. (Norma IRAM 11.603) Se evalúa el riesgo de condensación superficial e intersticial Se simula el ingreso de sol en todas las fachadas, tanto para invierno como para verano. Se realiza una evaluación del comportamiento térmico de invierno y verano con el Software de cálculo SIMEDIF Se determinan las necesidades de refrigeración y calefacción necesarias. Se evalúa el incremento en el costo. Se analizan y comparan los precios de los ítems representativos. Tabla 1: etapas de análisis
DESARROLLO Localización: El sitio propuesto es en un predio del Colegio de Arquitectos de la provincia de Córdoba, ubicado en la localidad de Parque Síquiman, perteneciente al Valle de Punilla, a orillas del lago San Roque (latitud -31.36, longitud -64.47; altura sobre el nivel del mar 640m). Se sitúa a 40km de la ciudad de Córdoba Capital y a 15km de la localidad serrana de Carlos Paz. El terreno presenta una topografía de pendiente suave hacia el norte, con visuales al lago ubicado al este del predio. De acuerdo al estudio de suelo realizado se determina un perfil geológico de rocas, rocas disgregadas, y elementos producidos por efectos eólicos. Pertenece a la Zona Bioambiental IIA y los datos climáticos se toman de la Estación de Huerta Grande (IRAM 11603/1996).
Fig1: Vista aérea del sitio Referencias climáticas de Córdoba En esta zona, es el verano la estación crítica, con valores de temperatura media y máxima media superiores a los 24 y 30ºC. Las mayores amplitudes térmicas se dan en esta época del año, con valores mayores de 14C. Las presiones parciales de vapor de agua más altas se dan también en el período de verano, con valores medios inferiores a los 2135 Pa (16 mm Hg). El invierno es más seco, con bajas amplitudes térmicas y temperaturas medias que oscilan entre 8C y 12C. (IRAM 11603/1996). VERANO INVIERNO Máxima media 26.8 14.5 Temperatura (ºC) Mínima media 14.4 3.9 Media 20 9.2 2 Radiación global horizontal (MJ/m ) 21.58 8.99 Humedad relativa (%) 73 71 Grados día de calefacción (Temperatura base 18ºC) 1283 Grados días de enfriamiento (Temperatura base 23ºC) 177 Tabla 2: datos climáticos correspondientes al lugar de emplazamiento.
Fig2: Ubicación del Módulo Habitable en el terreno
Lineamientos generales de diseño Se trata de una vivienda diseñada por los arquitectos: Silvia Brusa, Patricia Camusso, Matias Dinardi, Lucrecia Lopez Villagra, Isabel Mendizabal , David Pinto, Lucas Ruarte, Edgardo Suarez y la arquitecta Adriana Mendieta como coordinadora del equipo de trabajo. El MA sería utilizado como vivienda del cuidador del área recreativa y también para visitas de profesionales y estudiantes de las facultades de Arquitectura e Ingeniería y desarrollar muestras de trabajos afines. El modelo se plantea en una planta desarrollada de manera longitudinal con una superficie cubierta de 50 m2, la morfología del mismo se define dando prioridad de visuales al lago y la mejor orientación (norte), buscando aprovechar los recursos climáticos de la zona geográfica para su acondicionamiento energético. (Fig.3).
estar
Fig3: Planta del Módulo Habitable
N
Fig4: Render Módulo Habitable Análisis de las distintas fachadas según su orientación. Estrategias de Diseño -En la envolvente vertical norte el área transparente ocupa el 53% de su superficie lo que permite obtener calor en invierno por ganancia solar directa y por acumulación; en esta fachada se ubica el ingreso y el Muro Trombe (muro colector de calor). - En la fachada este, con visuales al lago, se crea un espacio intermedio entre el interior y el exterior con una pérgola que se aprovecha para colocar los paneles fotovoltaicos.
- En la fachada oeste (completamente opaca) la escalera actúa como fuelle: con hierros de construcción se realiza una reja con enredaderas caducas para proteger del sol del verano - En la fachada sur se encuentran los ambientes de servicio, cocina y baño, y en un patio de servicio se instalan los receptáculos para la reutilización y reubicación de residuos. Las aberturas se plantean para permitir ventilación cruzada. - La envolvente horizontal superior está conformada por una terraza verde, con una gran canaleta que recupera el agua de lluvia, recolectada luego de pasar por un sistema de filtros hacia una cisterna de 2500lts. Este techo además de funcionar como aislación térmica y hacer las veces de superficie absorbente, representa una forma de recuperar la superficie de suelo que se perdería con la construcción. También aporta otros beneficios ambientales, como la absorción del agua de lluvia y la reducción el efecto de isla de calor en las ciudades (si bien el terreno está ubicado en una zona rural, uno de los objetivos del MA es el de promover las prácticas y construcciones sustentables para el público en general). Colector solar
Losa de H°A° Cubierta Verde Muro Trombe Michel
Fig5: corte
Fig6: esquema tratamiento de efluentes
Columna de agua
Fig7: esquema biodigestor
Fig8: Fachadas El tratamiento del parque mantiene la configuración del bosque serrano, respetando la vegetación nativa existente en todos sus estratos. En estas zonas existen ejemplares aislados de las especies originales (molle de beber, tala, quebracho blanco). El proyecto cuenta con: recolección de agua de lluvia, tratamiento de efluentes con una planta fitodepuradora y biodigestor que produce gas a través de residuos orgánicos. Tecnología: los muros están proyectados con un sistema de construcción en seco. Su estructura son perfiles C y U de 110mm de acero galvanizado con 100mm de lana de vidrio en su interior. La cara exterior la conforma –de afuera hacia adentro- una placa cementicia de 8mm, membrana hidrófuga y finalmente una placa OSB de 9,5mm. En el interior, el cerramiento es de placa de roca yeso y entre medio de esta y la estructura de acero, film de polietileno. El Muro Trombe Michell, que se encuentra proyectado en la cara norte, se construirá con piedras del lugar. La terminación de los pisos es de cemento alisado, color gris claro. El techo sobre el espacio principal está compuesto por losa de ladrillos de piedra pómez, aislación térmica de poliestireno expandido en planchas y cubierta ajardinada. El resto de los techos están diseñados para ejecutarse con losa de hormigón armado maciza y aislación térmica de poliestireno expandido. Las ventanas son de doble vidriado hermético con marcos de aluminio. 1- Análisis térmico Se realiza la verificación de coeficiente K de transmitancia térmica 2según norma IRAM 11605:96 de las envolventes más significativas del proyecto. Según zona climática, se toman como datos para invierno: 0ºC para temperatura exterior de diseño y 18ºC para temperatura interior de diseño. La 2
Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente. Instituto de Acondicionamiento Ambiental UNT.- CEEMA K y CEEMA CON. Gonzalo, 2003.
cubierta verde tiene un desempeño aceptable (tabla 3) y podría mejorar aún más aumentando el espesor de la aislación térmica. La losa de HºAº verifica sólo en los niveles B y C de la norma (tabla 4), pero representa sólo el 26% del total de la superficie de techo, es decir que su incidencia en el comportamiento térmico del edificio es bajo. Los tabiques livianos presentan un óptimo coeficiente K (tabla 5), verificando positivamente en todos los niveles de la norma. - Cubierta verde Ut = 0.31 W/m2ºC Verano Invierno
Nivel A W/m2ºC Verifica 0.18 NO 0.32 SÍ
Nivel B W/m2ºC Verifica 0.45 SÍ 0.83 SÍ
Nivel C W/m2ºC Verifica 0.72 SÍ 1 SÍ
Tabla 3: verificación de coeficiente K cubierta verde - Losa de HºAº aislada Ut = 0.36 W/m2ºC Verano Invierno
Nivel A W/m2ºC Verifica 0.18 NO 0.32 NO
Nivel B W/m2ºC Verifica 0.45 SÍ 0.83 SÍ
Nivel C W/m2ºC Verifica 0.72 SÍ 1 SÍ
Tabla 4: verificación de coeficiente K losa HºAº - Tabiques Ut = 0.35 W/m2ºC Verano Invierno
Nivel A W/m2ºC Verifica 0.45 SI 0.38 SÍ
Nivel B W/m2ºC Verifica 1.1 SÍ 1 SÍ
Nivel C W/m2ºC Verifica 1.8 SÍ 1.85 SÍ
Tabla 5: verificación de coeficiente K en tabiques 2- Verificación del riesgo de condensación Se verifica el riesgo de condensación intersticial y superficial en la cubierta verde (Fig. 9), la losa de HºAº (Fig. 10) y el tabique liviano (Fig. 11). Se comprueba mediante cálculo que todas las envolventes verifican (IRAM 11625:2000). Cubierta Verde
Fig9: Techo verde y su gráfico de verificación de condensación
Cubierta Losa de HºAº aislada
Fig10: Cubierta Losa de HºAº aislada y su grafico de verificación de condensación. Muro de tabiquería liviana
Fig11: Muro de tabiquería liviana y su grafico de verificación de condensación
3- Análisis de asoleamiento Se realiza un análisis de asoleamiento sobre el módulo habitable mediante el software Ecotect, lo que permite visualizar el proyecto en diferentes horas del día y verificar el diseño de las aberturas y morfología propuestas. En invierno: en acuerdo con la disponibilidad del recurso solar, puede aprovecharse al máximo la ganancia solar directa durante los meses más fríos. El muro trombe capta de manera constante la radiación solar, a lo largo de todo el día, pero al estar fuera del plano de fachada con respecto al resto del módulo, genera sombra en determinadas horas del día (Fig. 12). La viga superior que rodea la fachada en un tramo también arroja una pequeña sombra durante la mañana. El diseño podría replantearse si se quisiera aprovechar al máximo la ganancia solar directa a través de las ventanas, suprimiendo la viga y llevando la fachada a un mismo plano.
Fig.12: rango de sombras horarias y asoleamiento 11hs en fachada norte, 21 de Junio. En verano: la fachada norte permanece sombreada durante todo el día. La mayor incidencia de radiación solar se dará en los planos de techo.
Fig.13: rango de sombras horarias en fachada norte, 21 de Diciembre. 4- Simulación energética Se realiza la simulación energética del módulo habitable mediante el software SIMEDIF3. Para esto se ingresan los datos de temperatura y radiación (tabla 2) y la información correspondiente a cada envolvente horizontal y vertical, teniendo en cuenta: superficie expuesta a radiación solar, superficie total del paramento, orientación, coeficientes convectivos, coeficientes de absorción y coeficientes K. Se determinan las ganancias internas generadas por una persona y por luminarias y artefactos eléctricos. Se define el período a simular: del 10 al 20 de Junio para invierno y del 10 al 20 de Diciembre para verano. De los gráficos resultantes de la simulación se obtienen los datos de comportamiento térmico de cada local del MA para el 18 de Junio y para el 18 de Diciembre y sus temperaturas horarias, lo que permite deducir que:
3
Simedif bajo Windows. Flores Larsen; Lesino, 2001.
- En invierno: las temperaturas de los locales principales (estar y cocina) se encuentran por encima de la temperatura exterior. En el caso del estar, la temperatura mínima de 11ºC se registra a las 7:00 de la mañana, con una máxima de 19ºC a las 14:00hs. La amplitud térmica ronda los 8ºC. En la cocina se alcanzan temperaturas más elevadas, debido a que es un espacio de dimensiones pequeñas y las ganancias directas de las ventanas superiores, sumado a la eficiencia de la envolvente, logran mantener el local a una temperatura razonablemente confortable; se tienen en cuenta además las ganancias internas por cocción de alimentos a las 21:00hs. aproximadamente, y la posterior pérdida de esas ganancias simulando aperturas de ventanas para renovación de aire. La amplitud térmica es de de 7ºC aproximadamente y la temperatura mínima de 14ºC se registra a las 7:00 de la mañana y la máxima de 21ºC a las 13hs. Simulación energética INVIERNO 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1
2
3
4
Es tar
5
6
7
8
Coci na
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Ba ño
Anteba ño
Temp. exteri or
Fig.14: gráfico de temperaturas horarias en invierno - En verano: se observa una menor oscilación de las temperaturas interiores con respecto a las exteriores, es decir, una menor fluctuación de la curva. El estar presenta amplitudes cercanas a los 6ºC, con mínimas de 19ºC durante la noche y máximas de 25ºC a las 16:00hs. La cocina alcanza una temperatura máxima de 28ºC a las 15:00hs, con un pico de 29ºC a las 21:00hs. debido a ganancias internas por cocción de alimentos; la temperatura mínima es de 23ºC a las 6:00hs de la mañana. En general las curvas de temperatura de todos los locales se encuentran dentro de la banda de confort a excepción de la cocina, lo cual puede deberse por lo enunciado anteriormente en el análisis en invierno y las ganancias internas generadas por los artefactos eléctricos. Simulación energética VERANO 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Estar
Cocina
Baño
Antebaño
Temp. exterior
Fig.15: gráfico de temperaturas horarias en verano 5– Cálculo de la energía auxiliar necesaria Mediante SIMEDIF también se calculan las necesidades de refrigeración y calefacción auxiliares (tabla 6) para mantener los niveles de confort térmico, para lo cual se supone una temperatura interior
de 23º. El comportamiento térmico del módulo en verano es óptimo ya que casi no necesita energía de refrigeración. En invierno se necesitarían 1800 kcal/h para mantener confortable el ambiente. Si bien el módulo habitable es de reducidas dimensiones y la envolvente es eficiente desde el punto de vista térmico, se requiere de energía auxiliar de calefacción debido a las pérdidas de calor que se producen a través de las ventanas. estar cocina baño antebaño TOTAL
VERANO 83.8 -309 36 19.2 -170
INVIERNO 1559.5 117.5 287.2 146.3 2110.5
-0.17Kwh 146 Frig/h
2.11Kwh 1814.6 Kcal/h
w w w w
Tabla 6: necesidades de refrigeración y calefacción auxiliares. 5– Evaluación Económica Se realiza la comparación de costos (tabla 7) entre las envolventes del MA propuestas y las envolventes del tipo tradicional., con las que usualmente se construye en la región. Se estima que el sobrecosto en caso de construirse el proyecto sería de un 20% aproximadamente. Este análisis no tiene en cuenta los equipos a incorporar, como el biodigestor y el colector solar.
Tabla 7: evaluación económica. CONCLUSIONES El proyecto del “Módulo Habitable” se propuso con un fin educativo. La idea base planteaba un tipo de envolvente selectiva, con muros de ladrillo pomez al norte, este y oeste y tabiques livianos al sur. A los fines del presente trabajo y luego de evaluar el comportamiento térmico del módulo, es que se decidió optar por un único tipo de envolvente que tuviera el menor coeficiente de transmitancia K, con esto se logró mejorar la performance de la envolvente en el 285% (k del tabique liviano: 0.35 W/m2ºC, mientras que el del muro de ladrillo pomez es de 1 W/m2ºC). Con este importante cambio se lograron reducir drásticamente las pérdidas de calor en invierno y ganancias en verano. Con respecto al estudio de asoleamiento en fachada, se comprobó que la orientación norte es óptima de acuerdo al diseño propuesto. De acuerdo a los resultados obtenidos de la simulación energética
podrían hacerse leves modificaciones para aumentar ganancias en invierno, por ejemplo llevando todos los muros norte al mismo plano (el muro trombe arroja sombra sobre una de las ventanas) y eliminando la viga que atraviesa la fachada, que tiene un sentido meramente estético. El comportamiento térmico en verano es bueno, se puede prescindir de equipos de aire acondicionado para mantener la temperatura confortable. En invierno, según cálculo, se necesitaría energía auxiliar de calefacción (1800 kcal/h). Podría mejorarse el comportamiento térmico disminuyendo el tamaño de las aberturas y pintando de un color muy oscuro el piso, para que actúe como un verdadero acumulador de calor durante las horas de exposición solar. Desde el punto de vista económico, se estima que la construcción tendría un sobrecosto de un 20% con respecto a la construcción de tipo tradicional, lo cual permite comprobar que es un caso factible de llevar adelante si se tiene en cuenta que en la zona las viviendas cuentan con gas envasado para calefaccionar los ambientes. En este caso el agua caliente sanitaria sería provista por el colector solar y el gas necesario para cocción de alimentos por el biodigestor. Con la eficiencia de la envolvente propuesta casi no sería necesario la generación de calor para mantener los niveles de confort en invierno, y en verano se prescindiría de los equipos de refrigeración, con la consecuente disminución del consumo de energía eléctrica.
REFERENCIAS: Filippín, Celina. Uso eficiente de la energía en edificios, 1º ed. La Pampa: Amerindia, 2005. Gonzalo, Guillermo. CEEMAKMP y CEEMACON, Programas de computación de verificación del coeficiente de transmisión térmica (K) del elemento y el riesgo de condensación superficial e intersticial IRAM (2002). Norma 11601: Aislamiento térmico de edificios. Métodos de calculo.www.iram.com.ar IRAM (2011). Norma 11603: Acondicionamiento Térmico en edificios. Clasificación bioambiental de la República Argentina. www.iram.com.ar IRAM (1996b). Norma 11605. Acondicionamiento Térmico en edificios. Condiciones de habitabilidad en edificios. www.iram.com.ar IRAM (2000). Norma 11625. Aislamiento térmico de edificios. Verificación de sus condiciones higrotérmicas. www.iram.com.ar IRAM (2000). Norma 11630. Aislamiento térmico de edificios. Verificación de sus condiciones higrotérmicas. Verificación del riesgo de condensación de vapor de agua superficial e intersticial en puntos singulares de muros exteriores, pisos y techos de edificios en general. www.iram.com.ar Ferrari Carlos y Freís Pablo (2013). Matriz de Recursos Energéticos de la Provincia de Córdoba; Ed. Copiar, Córdoba. ABSTRACT This paper evaluates and verifies the thermal behavior of " low environment impact of Habitable Module" project developed at the Sustainable Architecture Institute of Architects College of Cordoba Province. The building would be implemented in Parque Siquiman. The conceptual setting and the methodology used are shown. The parameters analyzed are: thermal transmittance, surface condensation, energy simulation graphics software "SIMEDIF for thermal analysis of buildings" and cost of housing and its relationship with traditional construction type. The results indicate that the initial design strategies were successful in general , being able to further improve the results by redesigning envelopes and technology used. The building would have a cost overrun of 20% over the traditional , which is a very important parameter considering the advantages of energy savings it offers. Keywords: bioclimatic design, energy saving, SIMEDIF, energy simulation, sustainable architecture, Córdoba.