Datos de investigación

Monitoreo térmico – lumínico y calibración del modelo físico simulado del Jardín Materno Infantil N° 33 de la ciudad de Resistencia, Chaco: Resultados del caso base y de propuestas de mejora para un período de clima cálido - húmedo

Boutet, María Laura Icon

Otros responsables

Fecha

Publicador:

Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Fecha de depósito:

23/01/2025

Fecha de creación:

5/2020-5/2024

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 automáticos y digitales proporcionados por el Grupo de Investigación y Desarrollo en Energías Renovables (GIDER) de la Facultad de Ingeniería – UNNE. Se aplicaron las siguientes técnicas: Registro de Variables Meteorológicas (temperatura, humedad relativa y radiación solar global), cada 10 minutos en la estación meteorológica del Dpto. de Termodinámica FI – UNNE. Registro Automático de Temperaturas interiores, mediante un Data Logger (NOVUS Field Logger) con 8 canales analógicos conectado a termocuplas tipo K previamente calibradas. Las puntas sensoras se ubicaron a 2,00 m de altura y protegidas para evitar interferencias por intercambio radiante. Registro Manual de Iluminancias, mediante un multímetro digital auto rango 5 en 1 con foto detector sobre el plano de trabajo (0,60 m de altura), considerando distintos puntos de medición distribuidos en cada local. Los registros se efectuaron bajo diferentes condiciones de cielo, horarios y configuraciones de protección solar de las aberturas. Asimismo, se realizaron observaciones complementarias sobre el comportamiento de los usuarios, la operación de ventanas, dispositivos de oscurecimiento y sistemas de climatización e iluminación, además de encuestas espontáneas a docentes y autoridades sobre las condiciones ambientales percibidas. Validación de modelos físicos (térmico y lumínico). Para la validación térmica se utilizó el programa SIMEDIF 2.0, mediante el cual se calcularon temperaturas interiores horarias y demandas de refrigeración para una temperatura de termostato de 25 °C. La comparación entre datos simulados y medidos mostró una adecuada correspondencia, con un RMSE (Raíz del Error Cuadrático Medio) de 0,6 °C y errores MAPE (Error Porcentual Absoluto Medio) inferiores al 2 %, confirmando la confiabilidad del modelo para evaluar alternativas de optimización energética. Para el análisis lumínico se construyó un modelo digital del edificio mediante Autodesk Ecotect Analysis, posteriormente exportado a Radiance. Se evaluó la distribución espacial de la iluminación natural mediante grillas de cálculo y perfiles verticales, contrastando iluminancias simuladas y medidas. Los resultados evidenciaron un buen ajuste del modelo y permitieron su utilización para estudios prospectivos. B. Simulaciones en el período de noviembre 2012 a partir del modelo calibrado: El testeo se realizó entre el 13 y el 18 de noviembre de 2012, período considerado crítico por las condiciones de sobrecalentamiento características del clima local. Los datos meteorológicos se obtuvieron mediante una Micro Estación meteorológica ONSET (USA) H21-002 proporcionada por el Ministerio de Educación, Cultura, Ciencia y Tecnología de la Provincia del Chaco (Acuerdo de Trabajo 2010 – 2021), equipada con sensores de radiación solar, temperatura, humedad relativa y velocidad y dirección del viento. A partir de los modelos previamente calibrados se realizaron simulaciones térmicas y lumínicas utilizando SIMEDIF 2.0 y la interfaz Radiance de Autodesk Ecotect Analysis. Sobre el modelo base se aplicó una propuesta genérica de optimización de la envolvente (opaca y vidriada), considerando dos alternativas de absortancia solar (0,65 y 0,25) y áreas vidriadas definidas mediante la metodología de estimación desarrollada por Boutet y Hernández (2020). Se comparó la evolución de las temperaturas interiores y las cargas de refrigeración de las propuestas optimizadas respecto del edificio original mediante simulaciones con termostatización a 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.

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