Estrategias bioclimáticas

El uso de equipos de enfriamiento evaporativo directo que requieren energía convencional para su funcionamiento, son una opción asequible en clima cálido seco, debido a que su instalación en cualquier tipo de edificios no requiere de complejas instalaciones para funcionar adecuadamente.

Doctor Luis Carlos Herrera Sosa, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez

Las ventajas que ofrecen los equipos de enfriamiento evaporativo directo, en comparación con otros sistemas de enfriamiento son conocidos por todos: gran eficiencia de enfriamiento a un bajo costo energético. Por esta razón es común que se promueva su uso como la mejor opción de enfriamiento, por lo que la oferta en el mercado de equipos de diversos tipos, capacidades y formas de instalación es muy amplia.

En Chihuahua, el problema de abastecimiento de agua se agrava cada año, por lo que durante la época de calor se establece un programa de racionamiento en todo el estado. Esto provoca que en muchas ocasiones la dotación del líquido sólo alcance para satisfacer las necesidades del equipo de enfriamiento evaporativo y no cubra las necesidades básicas de la población.

Paradójicamente al consultar trabajos de investigación precedentes se encontró que por lo regular el uso de equipos de enfriamiento evaporativo pasivo o activo, es promocionado como una alternativa sostenible por su bajo consumo de energía eléctrica, sobre todo comparado con equipos de aire acondicionado. Pero dentro de esta promoción ha quedado al margen una desventaja que tiene este tipo de equipo: el alto consumo de agua que utilizan durante su funcionamiento.

De esta situación surgen las preguntas: ¿porqué no considerar la reducción del consumo de agua en los equipos de enfriamiento evaporativo directo como una alternativa a alcanzar con el diseño bioclimático?, ¿porqué no buscar reducir el uso de los enfriadores evaporativos mediante estrategias y dispositivos pasivos bioclimáticos? Al reducir el uso de estos equipos, el consumo de agua se verá también reducido, ¿pero en qué cantidad?, ¿con cuál estrategia se alcanzan los mayores porcentajes de ahorro de agua?

Hoy en día en todo el mundo hay una gran preocupación por el consumo de agua en la arquitectura e incluso se menciona este tipo de equipo. Pero ningún estudio aborda el problema del diseño térmico de los edificios como recurso principal para reducir el consumo de agua. Por lo regular los estudios sobre el consumo de agua buscan elaborar propuestas para el reuso del agua, pero no relacionan como estrategia de ahorro de agua el utilizar estrategias bioclimáticas.

Por tal motivo, era necesario obtener datos confiables para contribuir a desarrollar una conciencia entre las autoridades, los proveedores, los arquitectos y en general en toda la población. Además de contribuir a fortalecer la cultura del agua por medio de la arquitectura e incursionar acerca de normas que regulen su manufactura o su funcionamiento encaminado todo ello a solucionar el uso excesivo de agua en los equipos de enfriamiento evaporativo.

Caso práctico

La ciudad de Chihuahua se ubica a 28° latitud Norte, 106° longitud Oeste y a 1 423 metros sobre el nivel del mar, su clima se considera cálido seco extremoso. La temporada de verano tiene una duración de cinco meses en promedio (mayo a septiembre), con temperaturas máximas promedio de 32°C, con una oscilación de temperatura de 14.5°C, humedades relativas mínimas promedio de 14% y una precipitación pluvial de 313.1 mm.

Las altas temperaturas que se presentan casi todo el día y la inadecuada respuesta de la arquitectura, en muchos de los casos, para adaptarse a estas condiciones, obliga al uso de equipos de enfriamiento, por lo regular evaporativo, que requiere de energía eléctrica y agua para funcionar. Los altos consumos de energía de este equipo, han originado la tensión socioeconómica y la atención especial de las autoridades mexicanas. Sin embargo, el alto consumo de agua necesario para su operación ha sido ignorado.

Los equipos de enfriamiento evaporativo disponibles en el mercado tienen capacidades de 3 000 a 25 000 pies cúbicos. El consumo de agua depende de esa capacidad y del clima del lugar, los cuales pueden ser de 6 a 452 litros por cada hora de funcionamiento (IMPCO, 2000).

Cada año durante la temporada de calor las autoridades imponen un programa de racionamiento, proveyendo solamente de cuatro a seis horas al día de agua, por lo que el uso de tanques de almacenamiento es fundamental. Desafortunadamente la cantidad de agua que estos equipos utilizan en su funcionamiento al día origina que en muchos de los casos el agua almacenada sólo se utilice para su funcionamiento.

El consumo puede llegar a ser, en una muestra de sólo 20% de las casas de Chihuahua, de hasta 4 mil 160 millones de litros. Esta situación afecta a cada familia en lo particular y genera un conflicto ambiental y social.

El alto consumo de agua por el uso de estos equipos es una llamada urgente para atender este problema por medio de la aplicación de criterios bioclimáticos, pues con mejores condiciones de los edificios puede esperarse un menor consumo de agua. Empero en las condiciones actuales, con un ineficiente comportamiento térmico de la mayoría de las edificaciones, el desperdicio es muy grande.

Imagen 1. Casas de estudio

La investigación de campo se realizó durante los meses de junio a agosto de 2006 y 2007 en cinco viviendas ubicadas en el Fraccionamiento Laderas de San Guillermo al sureste de la ciudad de Chihuahua, que el Instituto de Vivienda de Chihuahua facilitó para la investigación.

Las viviendas de estudio tienen 23.76 m² de construcción, con la misma orientación y condiciones de ubicación en el fraccionamiento. El sistema constructivo de la vivienda es a base de muros de block de concreto hueco de 12x20x40 cm, losa de 12 cm de concreto aligerado con casetón de poliestireno, ventanas de vidrio sencillo de 4 mm y manguetería de aluminio, puerta exterior de multypanel y color exterior blanco.

Imagen 2. Casas de estudio

En cada casa se instaló un equipo de enfriamiento evaporativo de 3 000 pies cúbicos de capacidad marca Lennomex de salida vertical, un medidor de agua marca Altair de clase C, un termostato de control de encendido y apagado automático de los equipos marca Dial y un Hobo U12 marca Onset para medir temperatura y humedad relativa.

Imagen 3. Sistema de medición del consumo de agua

Al interior de los equipos de enfriamiento evaporativo se colocó un hobo HO8 marca Onset, para medir temperatura y humedad relativa. Además se colocó un hobo H32, marca Onset, para medir la temperatura y humedad relativa del exterior.

Las estrategias bioclimáticas para Chihuahua durante la temporada son: reducir los aportes caloríficos del exterior todo el día, protección del soleamiento directo, uso de materiales con masa térmica, propiciar el enfriamiento nocturno estructural, reducir el calor acumulado en la estructura, optimizar la ventilación natural y propiciar el enfriamiento evaporativo. La casa 1 fungió como testigo, mientras que en el resto se aplicaron las siguientes estrategias:

La recolección de datos del consumo de agua fue mediante la lectura directa de los medidores cada hora. La de los hobos se recolectó al final de cada periodo establecido durante la investigación de campo.

Imágenes 4 y 5. Casa 2. Aislamiento en equipo de enfriamiento tanque de almacenamiento de agua con fibra de vidrio y papel aluminio		Imagen 6 Casa 3. Protección solar en ventanas, con aleros y quiebrasoles	Imagen 7. Casa 4. Aislamiento en techo. Placa de 1” de polisocianurato sin pintar

Imágenes 8 y 9. Casa 5. Masa térmica en muros (tierra)

El procedimiento para determinar la eficiencia de cada una de las estrategias aplicadas fue el siguiente: 

1   Se obtiene el área de trabajo del equipo con la ecuación siguiente:

A= Área de trabajo

T2= Temperatura del exterior durante una hora

T1= Temperatura interior durante una hora

2   Se obtiene el área de consumo de agua con la ecuación siguiente: 

A= Área de consumo de agua

C2= Consumo de litros de agua en una hora

C1= Consumo de litros de agua de la hora anterior

3   Se obtiene la eficiencia horaria de la estrategia al dividir el área de consumo de agua entre el área de trabajo. Las unidades resultantes son Lts/hr°C. 

E= Eficiencia de la estrategia

Determinación de eficiencia de las estrategias

4   Finalmente se obtiene la eficiencia de la estrategia durante el periodo de investigación, mediante el promedio de las eficiencias horarias.

En todas las lecturas, para la comparación de la eficiencia de las estrategias aplicadas, se consideró la casa 1 con 0% de ahorro de agua. Los resultados de la aplicación de las estrategias los podrá conocer en la próxima edición.

Aplicar estrategias bioclimáticas en edificios, significa importantes ahorros de agua en equipos de enfriamiento evaporativo.

Los resultados de la aplicación de las estrategias se agruparon en cuatro lecturas. En la primera se analizaron las estrategias originalmente planteadas, en la segunda lectura se le agregó a la estrategia de aislar el equipo de enfriamiento protección solar, misma que se conservó hasta el final del estudio. La tercera lectura incluye enfriamiento convectivo nocturno a todas las casas. En la cuarta lectura, sólo a la estrategia de masa térmica en muros se le aplica la ventilación nocturna.

RESULTADOS

Lectura 1

Los resultados obtenidos en este periodo de lectura nos muestran que la estrategia aplicada con la mayor mejoría con respecto del testigo fue la C3-PSV con 25.3%, le sigue la C4-AC con 23.3%, luego la C5-MT con 22.8%, y finalmente la C2-AE con 15.5%. El promedio de mejoría de todas las estrategias aplicadas es de 20.67%.

El mejor comportamiento de la estrategia de protección solar en ventanas, se debe a tres factores:

1. La orientación de las ventanas principales, lo que permite diseñar protecciones de gran eficiencia
2. A que la superficie de la cubierta tiene más metros cuadrados expuestos que el muro
3. El sistema constructivo de la cubierta contiene aislamiento de poliestireno

La estrategia de masa térmica en muros no presentó el comportamiento esperado debido a que al agregarle la tierra en los huecos, el efecto resultante fue acumulación de calor, ya que el espesor del muro de 12 centímetros no es suficiente. Además el no ventilar en la noche no permitió a la ganancia de “frigorías”.

Lectura 2

En esta lectura la estrategia con mayor mejoría fue nuevamente la C3-PSV con 37.8%, le siguen la C4-AC con 18.4% y la C2B-AE+A con 15.6% y al final la C5-MT con 8.2%. El promedio en este periodo fue de 20%.

El orden del comportamiento de las estrategias fue igual que en la lectura anterior, por las razones ya explicadas. Al aplicar protección solar en el equipo de enfriamiento que estaba aislado no representó un incremento en su eficiencia.

Lectura 3

Los resultados en este periodo nos muestran que la C4-AC+VN es la de mayor mejoría con respecto del testigo con 31.5%, le sigue la C3-PSV+VN con 26.8%, luego la C5B-MT+VN 13.5% y finalmente la C2B-AE+PC+VN con 13.1%. El promedio en este periodo es de 22.35%.

Al incluir la estrategia de enfriamiento convectivo nocturno en este periodo se obtuvo una notable mejoría del aislamiento en cubierta y el uso de masa térmica en muros, con un incremento en su eficiencia del 42 y 80% respectivamente. En el caso del asilamiento en el equipo de enfriamiento evaporativo la estrategia de ventilación no incide.

Lectura 4

En este periodo la casa C3-PSV tuvo la mayor mejoría con respecto del testigo con un 42.4%, le sigue la C2B-AE+PC con el 34.8%, luego la C4-AC con 29.2% y por último la C5B-MT+VN con 20%. El promedio en este periodo es de 31.6%.

La estrategia de aislamiento en cubierta disminuyó la eficiencia demostrada con la ventilación nocturna. En el caso de la estrategia de masa térmica que continuó con la ventilación nocturna la eficiencia sigue por arriba de lo presentado sin ventilación.

Los equipos de enfriamiento evaporativo directo ofrecen diversas ventajas, en comparación con otros sistemas de enfriamiento

CONCLUSIONES

1. En la calibración de los equipos se obtuvo un consumo promedio de agua de 15 lts/hr, mientras que IMPCO (IMPCO, 2000) establece para la zona de Chihuahua consumos promedio de 8 a 10 litros, es decir que los equipos consumen hasta 50% más que lo establecido por los proveedores. Los datos del consumo no contemplan las fugas de agua, las cuales pueden incrementarlo 20% más.

2. El análisis del comportamiento de la aplicación de estrategias bioclimáticas en la envolvente por lo regular está relacionado con ganancia, pérdida o consumo de energía, por lo que la comparación de resultados de esta investigación con trabajos similares no es factible.

3. Mejorar el comportamiento térmico de la envolvente contribuye significativamente a disminuir el consumo de agua de los equipos de enfriamiento evaporativo directo.

4. La protección solar en ventanas es más eficiente que el aislamiento en cubierta en orientaciones castigadas por soleamiento, cuando no hay enfriamiento convectivo nocturno.

5. Con ventilación nocturna la estrategia de aislamiento en cubierta es la más efectiva.

6. Con ventilación nocturna incrementa hasta tres veces más el ahorro de agua con la estrategia de masa térmica.

7. El enfriamiento convectivo nocturno es una estrategia de enfriamiento fundamental en la región de Chihuahua.

8. El ahorro tan significativo que tuvo el aislar el equipo denota la necesidad de que este tipo de dispositivos tengan mayor regulación en su manufactura y funcionamiento, normar no sólo los componentes que consumen energía eléctrica sino también el consumo de agua y su comportamiento térmico con el exterior.

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