Resumen
El diseño bioclimático, a través del aprovechamiento pasivo de la energía solar, resulta clave para garantizar adecuadas condiciones de temperatura, humedad, ventilación e iluminación. Implica considerar la tipología edilicia, las propiedades termo-físicas de la envolvente (opaca y vidriada) y la orientación de las ventanas, a fin de regular las ganancias solares para mantener la estabilidad térmica, sin perder la calidad de luz natural y, en consecuencia, lograr el ahorro energético. Esto representa un desafío en zonas de clima muy cálido – húmedo de la Región Nordeste Argentina.
En este contexto, se ha desarrollado una metodología de estimación de áreas vidriadas óptimas para edificios escolares monitoreados en la ciudad de Resistencia, Chaco, a partir de la definición de un nuevo parámetro, el Factor de Vidriado, que permite relacionar tres variables consideradas más significativas por orientación, dada su incidencia en el balance térmico: la absortancia solar promedio ponderada de las superficies opacas exteriores, según su color de terminación, el área total de vidrio en ventanas y puertas expuestas al exterior y el área de envolvente (opaca + vidriada) expuesta al exterior. Su desarrollo se puede consultar en el trabajo de Boutet M.L. y Hernández A.L. (2020) Herramienta de estimación de áreas vidriadas óptimas para el diseño solar pasivo de edificios escolares en el clima cálido-húmedo de la región N.E.A. Energías Renovables Y Medio Ambiente, 46, 49–60. Recuperado de: https://portalderevistas.unsa.edu.ar/index.php/erma/article/view/2842
Con el objetivo de validar dicha metodología, se testearon diferentes edificios escolares, entre ellos, el Jardín Materno Infantil N° 33 de la ciudad de Resistencia, tipología de planta abierta, que facilita el intercambio interior-exterior y cuenta con amplias superficies de fachadas y ventanas expuestas. En dicho caso de estudio se efectuaron monitoreos higrotérmico – lumínicos en distintos períodos de interés, para la posterior calibración del modelo físico de simulación con el cual se evaluaron propuestas de optimización bioclimática de los parámetros de la envolvente, en un período no medido del mes de noviembre 2012.
Se adjuntan los siguientes archivos en formato .xlsx: 01. CALIBRACIÓN DEL MODELO FÍSICO JI 33, 02. DATOS TERMO-ENERGÉTICOS JI 33 SIMULADO y 03. DATOS DE ILUMINANCIAS JI 33.
El procedimiento permitió verificar la relación de proporcionalidad inversa entre la absortancia solar promedio ponderada de las superficies exteriores y las áreas vidriadas determinadas en las propuestas de optimización. Asimismo, se obtuvo una reducción de la temperatura máxima absoluta de hasta 3,5 °C, lo que repercutió en la reducción de las necesidades de refrigeración de hasta 41 % en el período evaluado. Esto, a su vez, permitió mejoras notables en la distribución espacial de la luz natural, conservando un promedio de 500 lx sobre el plano de trabajo. Por consiguiente, las áreas vidriadas definidas en la metodología de estimación resultaron pertinentes desde el punto de vista termo-energético y lumínico, en conjunto con el diseño integrado de sus dispositivos de protección solar y de las correspondientes aislaciones en muros y techos.
Métodos
A. Calibración de modelos físicos a partir de mediciones del período mayo-junio 2011:
Para el monitoreo efectuado en el período de otoño del año 2011 (16/05/2011 al 03/06/2011), se utilizaron instrumentos de adquisición de datos automáticos y digitales proporcionados por el Grupo de Investigación y Desarrollo en Energías Renovables (GIDER) del Departamento de Termodinámica, Facultad de Ingeniería – UNNE. Se aplicaron las siguientes técnicas:
Registro de Variables Meteorológicas. Fueron realizados cada 10 minutos en la estación meteorológica del Dpto. de Termodinámica FI - UNNE, mediante: un medidor de humedad relativa y temperatura ambiente externas marca ROTRONIC, tipo Hygromer I-128 con una amplitud de medición de 0 a 100% de humedad relativa con un error de +/- 1,5% a 25ºC y con una amplitud de medición de temperaturas entre -15ºC y 65ºC y una apreciación de 0,1ºC; un sensor de radiación solar global (piranómetro termoeléctrico) marca Eppley tipo PSP Nº 30155 F3.
Registro Automático de Temperaturas interiores. Se utilizó un Data Logger (NOVUS Field Logger) con 8 canales analógicos, conversor y software de adquisición de datos, estableciendo una frecuencia de muestreo de 10 minutos. Se conectaron 8 termocuplas tipo K con cables de prolongación compensados. El sistema de medición fue previamente calibrado en el rango de temperaturas de trabajo. Las puntas sensoras se ubicaron fuera del alcance de los niños, a una altura de 2,00 m y fueron protegidas con latas de aluminio perforadas para permitir el paso del aire apantallando el intercambio radiante en el infrarrojo lejano con las paredes y el cielorraso de los locales, que pudiera alterar los valores medidos.
Registro Manual de Iluminancias. Se utilizó el multímetro digital auto rango 5 en 1 con foto detector. Se consideró el plano horizontal de trabajo a 0.60 m de altura para los niños. Se distribuyeron simétricamente los puntos de medición en cada local, separados de los muros entre 1 m y 1.20 m. Se midió el nivel de iluminación natural, natural y artificial y artificial, en distintas horas del día, bajo cielo claro y cielo nublado, con y sin protección de las aberturas y en períodos sin presencia de los niños para no interrumpir las actividades escolares.
Las mediciones implicaron observaciones objetivas complementarias, encuestas espontáneas a docentes y autoridades, para determinar su grado de satisfacción frente a las condiciones ambientales y registro diario de los patrones de comportamiento de los usuarios, operación de aberturas, dispositivos de oscurecimiento y de artefactos de climatización e iluminación.
Validación de modelos físicos (térmico y lumínico). Para las simulaciones del comportamiento térmico, se utilizó el programa SIMEDIF 2.0 (Flores Larsen, 2019). Se calculó la temperatura horaria del aire dentro de las aulas y la energía auxiliar de enfriamiento que se necesita para mantener los espacios a una temperatura de 25° C determinada por un termostato. El ajuste entre datos transitorios simulados de temperatura y datos experimentales confirmaron la fiabilidad de su código numérico, con desviaciones medias de sólo 0.6 °C RMSE (Raíz del Error Cuadrático Medio) y errores MAPE (Error Porcentual Absoluto Medio) que no superan el 2%, lo que permite cuantificar la eficacia de alternativas de rediseño para la optimización energética con un alto grado de confianza.
Para el análisis de iluminación natural e incidencia solar, se construyó un modelo conceptual del JI 33 mediante Autodesk Ecotect Analysis, que fue calibrado en su comportamiento lumínico para el período de medición de mayo. Las simulaciones se efectuaron mediante exportación al programa Radiance (Lawrence Berkeley National Laboratories). Se desplegó el cálculo de iluminación en una grilla de análisis a la altura del plano de trabajo y en perfiles verticales, a fin de verificar la distribución espacial de la luz en distintos sectores de las aulas. Se establecieron las visualizaciones que representan la cantidad de luz incidente sobre cada superficie interior, con los valores de iluminancia en “líneas de contorno” y en “falso color”. Se contrastaron los promedios de iluminancia medidos y simulados en las aulas tipo, obteniéndose un buen ajuste.
B. Simulaciones en el período de noviembre 2012 a partir del modelo calibrado:
El testeo se realizó en un período de seis días, desde el 13/11/12 hasta el 18/11/12, siendo el mes de noviembre el más desfavorable del ciclo escolar en términos de sobrecalentamiento. Los datos meteorológicos se colectaron mediante una Micro Estación ONSET (USA) H21-002 proporcionada por el Ministerio de Educación, Cultura, Ciencia y Tecnología de la Provincia del Chaco (Acuerdo de Trabajo 2010 – 2021). Incluye Sensor de Radiación Solar: Piranómetro de Silicio HOBO (USA) S-LIB-M003 (rango de medición de 0 a 1280 W/m2; rango espectral de 300 a 1100 nm); Sensor de Temperatura y Humedad Relativa ONSET (USA) S-THB-M002 (rango de -40 °C a 75 °C y de 0 -100 % RH con un rango de trabajo comprendido entre -40 °C y 75°C); abrigo meteorológico HOBO MOD. M-RS3; Sensor de velocidad y dirección de viento. Veleta y Anemómetro ONSET (USA) MOD. S-WCA-M003 (rango de medición de 0 a 45 m/s).
Se utilizaron los programas de simulación SIMEDIF V.2.0 (Flores Larsen, 2019) y la interfaz RADIANCE de Autodesk Ecotect Analysis, en los cuales se ingresaron datos meteorológicos medidos. Se aplicó una Propuesta Genérica de optimización de la envolvente (opaca + vidriada) al modelo base, con dos alternativas de absortancia solar (0.65 y 0.25) y de áreas vidriadas definidas según la metodología de estimación (Boutet y Hernández, 2020).
Se comparó la evolución de temperaturas de las respectivas propuestas simuladas para cada aula en el período de monitoreo de noviembre, con las del edificio original, así como las cargas de refrigeración en ambas propuestas, mediante simulaciones con termostatización (25°C) en Simedif. Se conformó una base de datos de iluminancias simuladas y finalmente se testeó la compatibilidad termo-lumínica de los resultados en los tres horarios testeados.
Otro
01.CALIBRACIÓN DEL MODELO FÍSICO JI 33. Archivo .xlsx. Incluye datos medidos de temperatura del aire interior (°C), temperatura del aire exterior (°C), humedad relativa (%) y radiación solar global (W/m2); cálculo de errores entre datos de temperatura medidos y simulados con las curvas de ajuste graficadas, datos y gráficos de iluminancias medidos y simulados para dos aulas tipo. Período mayo – junio 2011.
02.DATOS TERMO-ENERGÉTICOS JI 33 SIMULADO. Archivo .xlsx. Incluye datos de temperatura del aire interior (°C) y de requerimientos de refrigeración mediante simulaciones con termostatización (25°C) en Simedif, para el período 13/11/12 – 18/11/12 del caso base calibrado y su contrastación con las propuestas de optimización.
03.DATOS DE ILUMINANCIAS JI 33. Archivo .xlsx. Incluye las simulaciones de iluminancias del caso base calibrado, su contrastación con las propuestas de optimización, y la compatibilidad termo – lumínica en tres horarios, 9:00, 13:00 y 16:00 hs., del día más soleado del período evaluado (14/11/12).