Eficiencia energética de escuelas rurales en Santiago del Estero

Abstract

Introducción: La población de Santiago del Estero, asciende a 874.006 habitantes según INDEC (2010). En este último censo, se pudo determinar que existe un 4% de la población con analfabetismo y un 70% con analfabetismo digital, por no tener acceso a una computadora. Las familias santiagueñas del interior, envían a sus hijos a escuelas públicas rurales, es decir, 1 de cada tres alumnos en la provincia, concurre a una escuela rural. Estás instituciones son primordiales, ya que tienen grandes connotaciones sociales, como servicio público básico y elemento de reunión de la población; donde se generan vínculos entre alumnos, padres, docentes y autoridades comunales. Además de su valor formativo, es un espacio de encuentro e intercambio. El Censo Nacional de Infraestructura Escolar (CeNIE:1998) reveló que las escuelas públicas del estado, carecían de buenos niveles de servicios de infraestructura; donde no contaban: el 85% con gas natural, un 38% con electricidad y el 74% de agua corriente de la red. Al mismo tiempo, el 47% de estos edificios escolares, no tenían un buen estado de mantenimiento, en la conservación general de los edificios, específicamente: el 58% con sanitarios en estado regular a malo y un 56%, no cuenta con tamaño adecuado de aulas. Sin embargo, desde 2005 hasta la fecha, es evidente un registro dinámico de acciones con planificación previa, de programas nacionales y provinciales para la renovación y construcción de nuevas escuelas, en la capital y en el interior de Santiago del Estero, que permitieron concluir las obras paralizadas e iniciar otras nuevas, de acuerdo con las urgencias y limitaciones de la infraestructura escolar. Desde la reactivación de las obras de infraestructura escolar hasta el año 2015, no existían antecedentes de escuelas con eficiencia bioambiental y energética. Por lo ello, el presente trabajo de investigación (iniciado en el año 2014), consistió en analizar y evaluar, la producción estatal de tres casos de escuelas rurales, en diferentes zonas bioclimáticas y de distintas tipologías, para poder proponer soluciones apropiadas y apropiables a las problemática local en cuestión, que permitan el fortalecimiento de escuelas rurales en áreas geográficas desfavorables; ya que estas contribuyen a promover igualdad de oportunidades educativas y una mejor educación, se refleja en una mejor sociedad. Propósito y Objetivos:Los resultados de este estudio, tienen como propósito guiar futuras intervenciones en las instituciones públicas, responsables de la producción de distintas tipologías de edificios en Santiago del Estero y en particular del tipo arquitectónico estudiado en el presente trabajo; contribuyendo a la optimización de la eficiencia energética, mediante el mejoramiento de las condiciones de confort higrotérmico interiores, favoreciendo al proceso de enseñanza-aprendizaje en aulas y a la calidad de vida de las comunidades educativas. El objetivo general del trabajo, es desarrollar propuestas superadoras de edificios escolares estatales rurales de la provincia, logrando rediseños que verifiquen, las recomendaciones de pautas de adecuación bioambiental y el mejoramiento térmico-energético de las envolventes según normativas nacionales; con uso racional y eficiente de la energía convencional e integrando arquitectónicamente tecnologías sustentables para el aprovechamiento de energías renovables. Por lo cual, para alcanzar este objetivo principal, se plantearon los siguientes objetivos específicos: 1) Identificar particularidades climáticas, geográficas, arquitectónicas, constructivas, entre otras; de prototipos escolares estatales rurales característicos de la provincia; definiendo pautas bioambientales adecuadas, a cada zona bioambiental a la que corresponden; 2) Estimar el grado de confort higrotérmico de los usuarios, a través de evaluación subjetiva, de encuestas socio-ambientales y evaluación objetiva, de monitoreos higrotérmicos y simulaciones térmicas; 3) Desarrollar propuestas de rediseños bioambientales con integración arquitectónica de tecnologías sustentables, evaluando en forma comparativa, los prototipos propuestos junto a los casos de estudio, para estimar la optimización de la eficiencia energética, mediante programas de cálculos y simulaciones computacionales en relación a valores Normados; 4) Calcular el costo económico de los prototipos estatales y rediseñados, verificando su factibilidad económica. Hipótesis de trabajo: 1) En Santiago del Estero, las obras nuevas, remodelaciones y ampliaciones de edificios escolares con antigüedad menor a 15 años, evidencian hoy en su mayoría, un estado de mantenimiento regular, por reducción de los costos invertidos, en materiales y mano de obra local especializada. Esta situación, conduce a una reducción de la calidad de la envolvente; la cual, es posible de evaluarse en relación a valores de referencia mínimos, de la serie de normativas IRAM sobre confort higrotérmico y eficiencia energética. 2) Esta baja calidad de las envolventes, ocasiona que los usuarios realicen un mayor consumo de energía convencional para calefaccionar o refrigerar los espacios escolares, y poder mantener un nivel de confort higrotérmico óptimo. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, los edificios escolares no cuentan con artefactos adecuados para ello, ni disponen de energía suficiente para su funcionamiento. 3) Una alternativa viable para contribuir a la eficiencia energética en la construcción de estos espacios educativos, sería la obligatoriedad en etapa de diseño, de aplicar las reglamentaciones nacionales, específicamente de IRAM y de Infraestructura Escolar; que posibilitarían bases para poder estimar antes de la etapa de su construcción, óptimos niveles de confort higrotérmico y de ahorro energético; buscando racionalidad en uso de la energía convencional y la incorporación de energía renovable. 4) Es factible contribuir a generar alternativas sustentables para el hábitat escolar rural, incrementando el valor del costo estándar del prototipo, a un mínimo costo superior de inversión económica, para las etapas proyectuales de diseño y de ejecución; mediante una organización interdisciplinar comprometida, involucrando a los sectores: científico-académico, gubernamental-estatal, emprendedor-privado facilitando acciones concretas de gestión y autogestión en las comunidades rurales, mejorando su calidad habitabilidad y vida, dentro de los espacios educativos. Metodología y Resultados: Se combinaron las siguientes metodologías: analítica, descriptiva, inductivo-deductiva, correlacional y aplicada al estudio de casos. En las primeras tres etapas de trabajo, se definieron prototipos escolares rurales, como objeto de estudio; se analizaron las condicionantes geográficas y climáticas de las localidades correspondientes, en cada zona bioambiental (según Norma IRAM N°11603:1996); además se realizó, un análisis arquitectónico y tecnológico de los prototipos estatales en su estado actual y del grado de cumplimiento de pautas biambientales. Se estimó, el grado de confort higrotérmico de los usuarios, mediante evaluación subjetiva de encuesta socio-ambiental y evaluación objetiva, con registros higrotérmicos, simulaciones térmicas, simulaciones del asoleamiento y cálculos de la eficiencia térmico-energética de la envolvente de los prototipos estatales. Con los datos obtenidos en las primeras etapas de trabajo, se iniciaron otras tres etapas, para completar seis, donde se desarrollaron los proyectos de rediseños bioambiental con integración arquitectónica de tecnologías sustentables. Posteriormente, estos proyectos alternativos fueron evaluados en forma comparativa con los prototipos estatales, calculando y verificando los valores obtenidos, en relación a los valores recomendados por la serie de normas IRAM, referidas a la habitabilidad higrotérmica y racionalidad energética: transmitancia térmica, refrigeración, calefacción y etiquetados de eficiencia energética. Por último, se calculó el costo de las obras de los prototipos estatales y rediseñados. Conclusión: A partir de la evaluación térmico-energética, de prototipos de escuelas estatales rurales representativas de la provincia, se evidenció la baja calidad higrotérmica y de eficiencia energética, en la materialización de las envolventes e instalaciones edilicias en general, en Santiago del Estero. Las evaluaciones subjetivas y objetivas, determinaron en todos los casos, que los estudiantes en época estival, no logran condiciones de confort en las aulas, ya que las temperaturas interiores -monitoreadas y simuladas- superaron la mayor parte del tiempo, los valores del rango de confort considerado adecuado para esa estación (entre 20 a 27ºC). Por ello, se efectuaron propuestas de rediseños, de cada edificio escolar con pautas bioambientales: favoreciendo a orientaciones adecuadas, diseñando protecciones para cada orientación y con una reconfiguración adecuada de masa y aislación térmica en sus envolventes; utilizando materiales y métodos constructivos tradicionales y accesibles a cada sitio. Seguidamente, se propusieron medidas para el ahorro de la energía convencional y el aprovechamiento de energía renovable, mediante el diseño sistemas fotovoltaicos con integración arquitectónica. Se verificó el mejoramiento, de niveles de condiciones de confort higrotérmicas en aulas, debido a los justes térmico-energéticos efectuados, en las envolventes de los edificios escolares rediseñados. Los mismos, fueron valorados en relación a cada prototipo estatal; donde en cada caso, se estimó la disminución de valores de transmitancia térmica en muros y techos rediseñados; escalando de nivel "mínimo C" en prototipos estatales, a "medio B o recomendado A" en los rediseñados (según Norma IRAM N° 11605:1996). Al mismo tiempo, los valores de cargas térmicas de refrigeración ?QR? y coeficientes volumétricos de refrigeración ?GR? obtenidos de forma comparativa, fueron corroborados con el valor ?GR? admisible de la Norma IRAM 11.659:2007, comprobando su optimización en los prototipos rediseñados. Además, con la Norma IRAM 11.604:2001, se cotejó la disminución de las pérdidas de calor ?G? y de cargas térmicas de calefacción anual ?Q?, logrando mejora en los prototipos rediseñados. Por último, a través de la Norma IRAM Nº 11.900:2010, se comprobó que es posible optimizar la eficiencia energética de calefacción, ya que en los prototipos estatales se partió de etiquetados del tipo ?H y G?, de menor eficiencia; hacia los casos de rediseños donde se avanzó, hacia la maximización de la eficiencia energética, a mayores niveles ?verdes?, con etiquetados del tipo ?C?. Se propuso una disminución, de consumos eléctricos excesivos estatales, a consumos eficientes en rediseños; ajustando los items de mayor incidencia: iluminación, refrigeración y calefacción; lo cual fue verificado de manera comparativa. A los valores ajustados, se planteó energizarlos con sistemas fotovoltaicos arquitectónicamente integrados, autónomos o conectados a red según el caso; los que fueron, dimensionados y diseñados al detalle. Finalmente, se calculó la factibilidad económica de las propuestas, ya que se obtuvieron, porcentajes totales de sobrecosto mínimos de entre un 10 a 15%. De esta manera, se buscó generar antecedentes, de edificios escolares bioambientales en la provincia, que permitirán elevar la calidad de la infraestructura educativa; sabiendo que el punto de partida relevante, en lo que respecta a la igualdad de oportunidades, es el mejoramiento de la calidad de las condiciones edilicias y del nivel de confort higrotérmico de todas las comunidades educativas y en especial de los sectores sociales más desprotegidos. Palabras Clave: Escuelas Estatales Rurales, Eficiencia Energética, Santiago del Estero

The population of Santiago del Estero, amounts to 874,006 inhabitants (INDEC Census, 2010). It registered, 4% of the population with illiteracy and 70% with digital illiteracy, for not having access to PC. The families of the interior of Santiago send their children to rural public schools, that is, 1 out of every three students in the province attends a rural school. These institutions are paramount, since they have great social connotations, as a basic public service and as a gathering element for the population; where links are generated between students, parents, teachers and community authorities. In addition to its formative value, it is a space for meeting and exchange. The National School Infrastructure Census (CeNIE: 1998) revealed that public schools in the state lacked good levels of infrastructure services; where they did not count: 85% with natural gas, 38% with electricity and 74% of mains water. At the same time, 47% of these school buildings, did not have a good state of maintenance, in the general conservation of buildings, specifically: 58% with toilets in regular to bad state and 56%, does not have adequate size of classrooms. However, from 2005 to date, a dynamic record of actions with prior planning, national and provincial programs for the renovation and construction of new schools, in the capital and inland of Santiago del Estero, was evident. paralyzed works and start new ones, according to the urgencies and limitations of the school infrastructure. Since the reactivation of school infrastructure works until 2015, there was no record of schools with bioenvironmental and energy efficiency. Therefore, the present research work (started in 2014), consisted of analyzing and evaluating the state production of three cases of rural schools, in different bioclimatic zones and of different typologies, in order to propose appropriate and appropriable solutions to the local problems in question, which allow the strengthening of rural schools in unfavorable geographical areas; since these contribute to promote equal educational opportunities, and a better education, it is reflected in a better society Purpose and objectives The general objective of the work is to develop proposals to overcome rural state school buildings in the province, achieving redesigns that verify, the recommendations of bioambiental adaptation guidelines and the thermal-energetic improvement of the enclosures according to national regulations; with rational and efficient use of conventional energy and architecturally integrating sustainable technologies for the use of renewable energy. Therefore, to achieve this main objective, the following specific objectives were proposed: 1) Identify climatic, geographical, architectural, constructive particularities, among others; of rural state school prototypes characteristic of the province; defining appropriate bio-environmental guidelines, to each bio-environmental zone to which they correspond; 2) To estimate the degree of hygrothermal comfort of the users, through subjective evaluation, socio-environmental surveys and objective evaluation, hygrothermal monitoring and thermal simulations; 3) Develop bioenvironmental redesign proposals with architectural integration of sustainable technologies, evaluating in a comparative way, the prototypes proposed together with the case studies, to estimate the optimization of energy efficiency, through calculation programs and computational simulations in relation to Normative values; 4) Calculate the economic cost of state prototypes and redesigned, verifying their economic feasibility. Hypothesis 1) In Santiago del Estero, the new works, remodeling and extensions of school buildings with less than 15 years old, show today, mostly, a state of regular maintenance, by reducing the costs invested in materials and local labor specialized This situation leads to a reduction in the quality of the envelope; which, it is possible to evaluate in relation to minimum reference values, of the series of IRAM regulations on hygrothermal comfort and energy efficiency. 2) This low quality of the enclosures, causes that the users realize a greater consumption of conventional energy to calefaccionar or refrigerate the scholastic spaces, and to be able to maintain a level of confort hygrothermal optimum. However, in most cases, school buildings do not have adequate devices for this, nor do they have enough energy for their operation. 3) A viable alternative to contribute to energy efficiency in the construction of these educational spaces, would be the mandatory design stage, to apply the national regulations, specifically IRAM and School Infrastructure; that they would allow bases to be able to estimate before the stage of its construction, optimal levels of hygrothermal comfort and energy saving; looking for rationality in the use of conventional energy and the incorporation of renewable energy. 4) It is feasible to contribute to generate sustainable alternatives for the rural school habitat, increasing the value of the standard cost of the prototype, at a minimum cost of economic investment, for the design and execution design stages; through a committed interdisciplinary organization, involving the following sectors: scientific-academic, governmental-state, entrepreneur-private, facilitating concrete actions of management and self-management in rural communities, improving their quality of living and life, within educational spaces. Methodology The following methodologies were combined: analytical, descriptive, inductive-deductive, correlational and applied to case studies. In the first three stages of work, rural school prototypes were defined as an object of study; the geographic and climatic conditions of the corresponding localities were analyzed in each bioenvironmental zone (according to IRAM Norm N ° 11603: 1996); In addition, an architectural and technological analysis of the state prototypes in their current state and the degree of compliance with environmental guidelines was carried out. The degree of hygrothermal comfort of the users was estimated through subjective evaluation of the socio-environmental survey and objective evaluation, with hygrothermal registers, thermal simulations, solar simulations and calculations of the thermal-energetic efficiency of the envelopes of the state prototypes. With the data obtained in the first stages of work, three other stages were initiated, to complete six, where bioenvironmental redesign projects were developed with architectural integration of sustainable technologies. Subsequently, these alternative projects were evaluated in a comparative manner with state prototypes, calculating and verifying the values obtained, in relation to the values recommended by the IRAM series of standards, referring to hygrothermal habitability and energy rationality: thermal transmittance, cooling, heating and labeled energy efficiency. Finally, the cost of the works of the state and redesigned prototypes was calculated. Conclusion From the thermal-energetic evaluation, of prototypes of representative rural schools of the province, the low hygrothermal quality and of energetic efficiency was evidenced, in the materialization of the envelopes and building facilities in general, in Santiago del Estero. The subjective and objective evaluations, in all cases, determined that students in summer do not achieve comfort conditions in the classrooms, since indoor temperatures -monitored and simulated- exceeded most of the time, the values of the range of Comfort considered adequate for that station (between 20 to 27oC). For this reason, redesign proposals were made for each school building with bioenvironmental guidelines: favoring appropriate orientations, designing protections for each orientation and with an adequate reconfiguration of mass and thermal insulation in its envelopes; using traditional materials and construction methods accessible to each site. Next, measures were proposed for the saving of conventional energy and the use of renewable energy, through the design of photovoltaic systems with architectural integration. It was verified the improvement of levels of hygrothermal comfort conditions in classrooms, due to the thermal-energetic adjustments made in the envelopes of the redesigned school buildings. They were valued in relation to each state prototype; where in each case, the decrease in thermal transmittance values in walls and ceilings redesigned was estimated; climbing from "minimum C" level in state prototypes, to "medium B or recommended A" in the redesigned ones (according to IRAM Norm N ° 11605: 1996). At the same time, the values of thermal loads of refrigeration "QR" and refrigeration volumetric coefficients "GR" obtained comparatively, were corroborated with the admissible "GR" value of IRAM 11.659: 2007, verifying their optimization in the prototypes redesigned. In addition, with the Norm IRAM 11.604: 2001, the reduction of the heat losses "G" and thermal loads of annual heating "Q" was checked, achieving improvement in the redesigned prototypes. Finally, through the IRAM Norm 11.900: 2010, it was found that it is possible to optimize the energy efficiency of heating, since in the state prototypes it started with labeling of type "H and G", of lower efficiency; towards the cases of redesigns where progress was made, towards the maximization of energy efficiency, to higher "green" levels, with labeling of type "C". A reduction was proposed, from excessive state electric consumption, to efficient consumption in redesigns; adjusting the items with the highest incidence: lighting, cooling and heating; which was verified in a comparative manner. At the adjusted values, it was proposed to energize them with architecturally integrated photovoltaic systems, autonomous or connected to the network, as the case may be; those that were, sized and designed in detail. Finally, the economic feasibility of the proposals was calculated, since total percentages of minimum cost overruns of between 10 and 15% were obtained. In this way, it was sought to generate antecedents of bio-environmental school buildings in the province, which will raise the quality of the educational infrastructure; knowing that the relevant starting point, with regard to equal opportunities, is the improvement of the quality of the building conditions and the hygrothermal comfort level of all the educational communities and especially of the most unprotected social sectors.