Auxiliar en el diseño bioclimático

El desarrollo sustentable es aquel que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de hacerlo en el futuro, según el análisis que se hace del tema a nivel mundial en el informe Brundtland. En México, la situación representa problemas en términos económicos y energéticos, a los cuales se le busca dar solución con nuevas herramientas

Guadalupe Huelsz, Jorge Rojas, Guillermo Barrios y Antonio Castillo

En México, aproximadamente el 19 por ciento (%) del total del consumo de energía corresponde al consumo de energía en edificios, lo que comprende a los sectores residencial, comercial y de servicios. Este consumo tiene serias repercusiones en el ambiente, ya que generar la energía necesaria para este tipo de espacios requiere, en su mayoría, de fuentes no renovables.

En este sentido, el Gobierno Federal ha establecido normas que limitan el consumo de energía de estufas, refrigeradores, calentadores de agua, lámparas y calefactores que se venden en México y ha desarrollado programas de subsidios que han incentivado a los usuarios a cambiar sus equipos viejos por unos más eficientes. Sin embargo, ya que el edificio mismo tiene una vida útil más larga que cualquier equipamiento, el adecuado diseño del inmueble reducirá la necesidad de consumo de energía a largo plazo, redundando en mejores beneficios, lo cual se logra diseñándolo específicamente para el clima del lugar donde se construirá y contemplando si usará aire acondicionado o no. Hacer más eficiente un edificio desde el proceso de diseño es mucho más sencillo y económico que mejorar uno ya construido.

Desarrollo arquitectónico
Antes de la revolución industrial del siglo XVIII, las edificaciones se construían de acuerdo al clima del sitio, pero fue a partir de ese momento que se comenzó a fabricar y usar máquinas para calentar, enfriar y ventilar, así como a prestar atención al diseño de los edificios, restándole importancia al clima del lugar.

En los últimos 30 años, la creciente consciencia acerca de las consecuencias de la degradación ambiental ha derivado en el nacimiento de una corriente en la arquitectura, denominada arquitectura o diseño bioclimático, que toma en cuenta el clima del lugar y plantea retomar las estrategias y los elementos de la arquitectura tradicional que consideraba el clima del lugar adaptándolos a los sistemas constructivos actuales y aprovechando los desarrollos científicos y tecnológicos.

México cuenta con una gran variedad de climas; más del 70 % del territorio corresponde a climas cálidos, aunque existen regiones, particularmente la zona norte y las regiones montañosas, donde en invierno se presentan bajas temperaturas. Esto significa que en gran parte del país los edificios tienen que incorporar tecnologías para el acondicionamiento térmico.

En gran parte del territorio nacional, el uso del diseño bioclimático para la climatización puede ser suficiente para alcanzar el confort térmico. En aquellos climas donde el diseño bioclimático no es suficiente para alcanzar el confort térmico, éste puede reducir considerablemente las cargas térmicas, lo que permitirá emplear sistemas HVAC de menor capacidad y así reducir el consumo de energía.

Según estimaciones de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (Conuee), el porcentaje de la energía eléctrica que los hogares mexicanos destinan al acondicionamiento térmico ha ido en aumento; en el año 2000 era del 22 % y en el 2010 del 33 %. Esto puede ser debido a que los precios de los sistemas HVAC se han reducido, lo que los hace más accesibles, y a que, en general, la construcción masiva de viviendas se ha llevado a cabo sin tomar en cuenta el clima del lugar, que en varios casos lleva a los ocupantes a usar sistemas HVAC.

Las estrategias del diseño bioclimático, claramente, dependen del clima del lugar, y entre ellas encontramos:

• En climas cálidos o temporada de calor evitan la incidencia y la absorción de la radiación solar sobre el edificio e impiden la entrada de radiación solar directa a través de las ventanas y los lucernarios
• En climas fríos o temporada invernal favorecen la incidencia y absorción de la radiación solar sobre el edificio y la entrada de radiación directa a través de ventanas y lucernarios
• En climas cálidos húmedos benefician la ventilación en horas de ocupación
• En climas cálidos secos aprovechan el enfriamiento por evaporación de agua (enfriamiento evaporativo) y la ventilación nocturna
• En climas fríos evitan la ventilación en horas en que las que la temperatura exterior es menor a la interior.

Normativa en México
Existen dos normas oficiales relativas a la eficiencia energética en edificios, la NOM-008-ENER-2001 para edificios no residenciales y la NOM-020-ENER-2011 para edificios residenciales. Ambas tienen como objetivo reducir el consumo de energía con sistemas de aire acondicionado de enfriamiento, limitando las ganancias de calor a través de la envolvente de la edificación por la entrada de radiación solar directa a través de ventanas y la transferencia de calor por medio de muros, techos y ventanas de la envolvente. A pesar de lo positivo de tales iniciativas, no todo el país requiere del uso de sistemas de enfriamiento y su aplicación en climas templados y fríos podría ser contraproducente.

Las normas se basan en el modelo de transferencia de calor independiente del tiempo no adecuado para los climas de México. Cabe mencionar que el Sistema de Evaluación de Vivienda Verde (Sisevive), del Instituto del Fondo Nacional de Vivienda para los Trabajadores (Infonavit), también usa el modelo de transferencia de calor independiente del tiempo para la evaluación térmica de la vivienda.

El modelo de transferencia de calor independiente del tiempo supone que la temperatura del aire exterior y la radiación solar tienen valores constantes durante las 24 horas del día. Esta suposición es una buena aproximación para el invierno de países donde la temperatura promedio del aire al exterior y la radiación solar son muy bajas y donde la variación de la temperatura exterior a lo largo de las 24 horas es pequeña comparada con la gran diferencia entre la temperatura promedio al exterior y la temperatura al interior del edificio. De acuerdo con este modelo, el mejor sistema constructivo es aquel que tiene el valor más alto de la resistencia térmica, conocida también como aislamiento térmico. De ahí que los estándares o las certificaciones de estos países establezcan límites mínimos de aislamiento térmico y recomienden lo que se conoce como “superaislamiento”. Pero la suposición que hace el modelo de transferencia de calor independiente del tiempo no es válida en los climas de México y da resultados muy diferentes a los reales, sobre todo para muros y techos con materiales con alta capacidad de almacenamiento térmico o alta masa térmica (concreto, tabiques o adobe) y con sistemas constructivos que combinan materiales aislantes y materiales con alta masa térmica, lo que conlleva a que se pueda hacer una mala selección del sistema constructivo si se usa este modelo.

Se ha demostrado que la evaluación de sistemas constructivos utilizando el modelo de transferencia de calor independiente del tiempo en climas de México puede ocasionar resultados con errores de hasta 83 % cuando el sistema se usa en un edificio con sistemas HVAC que mantienen la temperatura fija y de 84 % cuando el sistema se usa en un edificio sin climatización. Por lo tanto, para los climas de México y otras áreas tropicales y subtropicales es indispensable emplear el modelo de transferencia de calor dependiente del tiempo, el cual sí considera las variaciones de la temperatura del aire exterior y de la radiación solar a lo largo del día.

Alternativa académica
Para contribuir al desarrollo de normas mexicanas y sistemas de evaluación que calculen correctamente la transferencia de calor a través de muros y techos de la envolvente arquitectónica, un grupo de académicos ha desarrollado una herramienta de cálculo denominada Ener-Habitat, que resuelve las ecuaciones del modelo de transferencia de calor dependiente del tiempo en sistemas constructivos y climas de México.

Éste es solo el primer paso para el desarrollo de normas adecuadas, ya que el problema de la transferencia de calor en un edificio es complejo, sobre todo cuando el edifico no cuenta con sistemas HVAC que mantengan la temperatura al interior dentro de un rango relativamente estrecho y que tengan control sobre la ventilación.

Incorporar estrategias de diseño bioclimático en el diseño y la construcción de los edificios sin duda ocasionará un aumento en las horas que los ocupantes se encuentren en confort térmico y disminuirá el consumo de energía en el caso de edificios con sistemas HVAC. Sin embargo, la cuantificación de estos beneficios en la etapa de diseño no es sencilla, tampoco lo es el diseño óptimo de los sistemas pasivos o de bajo consumo de energía.

Existen programas para la simulación térmica y energética del edificio completo, como el EnergyPlus, que utilizan los datos climatológicos de un año típico del lugar donde se construirá el edificio y deberán usarse con el modelo de transferencia de calor dependiente del tiempo.

Hoy en día, éstos constituyen la herramienta más adecuada para la cuantificación de los beneficios de la incorporación del diseño bioclimático a un edificio, pero queda algo por resolver, debido a que aún presentan muchas limitaciones cuando se incluye la ventilación natural producida por el viento y por la flotación térmica, igualmente cuando los sistemas constructivos de muros, techos o ventanas de la envolvente presentan cavidades de aire en su interior, como es el bloque de concreto hueco, común en México.

Con el objetivo de impulsar la construcción de edificios más eficientes energéticamente, una de las acciones más importantes por realizar es la implementación de normas obligatorias acordes al clima del país, las cuales consideren el diseño bioclimático integral del edificio. Para lograrlo, se requiere de una labor conjunta entre académicos, constructores y autoridades. Asimismo, es necesaria la formación de especialistas capaces de diseñar y evaluar sistemas pasivos y de bajo consumo de energía para la climatización y ventilación de edificios basados en el diseño bioclimático.

Es recomendable que en la carrera de Arquitectura, en todas las universidades, se incorporen cursos obligatorios de diseño bioclimático y que se aplique en todos los proyectos que realicen los estudiantes a lo largo de su formación profesional.

[author ]Guadalupe Huelsz
Física con maestría y doctorado en Ingeniería Mecánica por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Desde 1996, es investigadora del hoy Instituto de Energías Renovables de la UNAM, enfocándose en el tema de la transferencia de calor y dinámica de fluidos, aplicados, principalmente, al diseño de sistemas pasivos en edificaciones. También imparte cursos de Diseño Bioclimático a nivel licenciatura y maestría.[/author]

[author ]Jorge Rojas
Ingeniero industrial mecánico por el Instituto Tecnológico de Puebla; maestro en Ingeniería Mecánica y doctor en Ingeniería Mecánica por el Imperial College de Londres, Inglaterra. Es investigador del Instituto de Energías Renovables de la UNAM.[/author]

[author ]Guillermo Barrios
Ingeniero mecánico electricista por la Universidad de Colima. Obtuvo su grado de maestría y doctorado en Ingeniería en la UNAM. Es investigador en el Instituto de Energías Renovables, donde se ha especializado en transferencia de calor en edificaciones utilizando métodos numéricos. Fue el responsable de desarrollar el programa numérico de la herramienta Ener-Habitat, proyecto patrocinado por el Fondo de Sustentabilidad Energética de la Secretaría de Energía y el Conacyt.[/author]

[author ]Antonio Castillo
Ingeniero, arquitecto y Maestro en Ciencias en Arquitectura por la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura del IPN. En el Instituto de Energías Renovables de la UNAM obtuvo el grado de maestro en Ingeniería en Energía y actualmente es candidato a doctor en Ingeniería en Energía. Se especializa en ventilación natural de edificios mediante el uso de equipos experimentales, como el canal de aguas abiertas, velocimetría de imágenes de partículas y schlieren sintético, entre otras soluciones.[/author]