Índice

Introducción

Planteamiento del problema

Marco teórico

Marco metodológico

Resultados, discusión y reflexiones

Conclusiones y recomendaciones

Referencias

Legales

Universidad Autónoma de Baja California

Marcos Eduardo González Trevizo

Efecto de la inercia térmica en las torres de viento

Selección Anual para el Libro Universitario

INTRODUCCIÓN

Como parte de su proceso adaptativo, el ser humano ha buscado de manera constante mejorar las condiciones de salvaguarda y habitabilidad que el ambiente natural le ofrece, por medio de herramientas tecnológicas de transformación del medio físico existente y la edificación de uno nuevo. Desde el siglo I a.C., Marco Vitruvio ya documentaba la necesidad de considerar al clima en el diseño de las edificaciones, pero no fue sino hasta después de la revolución industrial que el problema se hizo evidente, debido a la acelerada construcción de un entorno artificial a disposición de una población creciente, misma que en la actualidad ronda los 7.4 billones de personas, de las cuales 53% se concentra en zonas urbanas (PRB, 2013).

Los asentamientos urbanos generan enormes cantidades de contaminantes, entre estos emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero (GEI) por el uso intensivo de combustibles fósiles en actividades industriales y de transporte, que al mismo tiempo consume la mayor parte de la energía mundial (ONU-HABITAT 2014). Tan solo en Latinoamérica, 433 millones de individuos están inmiscuidos en esta moderna dinámica de vida que entraña problemáticas sociales y económicas drásticamente intensificadas por fenómenos climáticos.

En décadas recientes, surgieron inquietudes en relación con el impacto de la actividad industrializada en el anómalo comportamiento climático mundial. En 1987, como resultado de la Cumbre de Estocolmo que se celebró en 1972, la Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo de la Organización de las Naciones Unidas presentó el Informe Brundtland, que fijó el paradigma del desarrollo sustentable y lo tradujo al mundo como “Aquel desarrollo que no pone en riesgo las necesidades de las generaciones futuras para satisfacer las presentes”. Esto dio cabida, entre otras cosas, a una nueva generación de pensamiento en la que, con una óptica holística, se vinculan dimensiones humanas, económicas, ambientales y tecnológicas que interactúan para dar lugar a patrones de comportamiento masivo, los cuales pretenden regular una idea de sustentabilidad que se perfila como piedra angular en los procesos de productividad del hombre.

La modificación de las pautas de consumo humano, así como una entera comprensión de la diversidad de los ecosistemas para el aprovechamiento de los recursos naturales en un ambiente que propicie la reducción en la tasa demográfica, son algunas de las medidas estratégicas que se derivaron de los esfuerzos para llegar a consensos internacionales, lo que aumentó las condiciones de salud y educación en estratos poblacionales que mantienen una vergonzosa polaridad.

De esta manera, emanaron manifestaciones como la Cumbre de Río (1992) en la que, por medio de la “Agenda 21”, 179 países disertaron acerca de la responsabilidad en la que incurrían las naciones según sus ciclos de desarrollo en contraste con el deterioro de la biosfera. Diversos esfuerzos han derivado en la instrumentación de políticas para la cooperación internacional en el combate a la pobreza, la evolución de las modalidades de consumo, la dinámica demográfica y su integración con el medio ambiente y en particular sobre el cambio climático; prueba de ello es el compromiso adquirido por la mayoría de los países industrializados que conforman 17% de la población mundial a través del protocolo de Kioto (ONU, 1998).

Por otra parte, estudios paradigmáticos de la Agencia Internacional de Energía han demostrado que las edificaciones de carácter habitacional, comercial y público contribuyen con lo anterior sumando casi 40% del consumo energético mundial, debido principalmente a aspectos de climatización lumínica, acústica y, para los propósitos particulares de este estudio, térmica; lo que además produce entre 25% y 35% de las emisiones de CO_2. Así pues, el sector de la construcción ofrece significativas oportunidades de mejoramiento de la eficiencia energética de los edificios, especialmente en países emergentes (Schwarz, 2010).

Al recapitular, es posible identificar que la climatización artificial necesaria para el acondicionamiento térmico de los edificios ya empleaba tecnologías activas de calentamiento y enfriamiento mecánico que proliferaron desde principios del siglo XX a partir de estudios de la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción y Ventilación (ASHVE, por sus siglas en inglés), que fijaron un precedente al definir las temperaturas de diseño y la zona de confort (ZC) con las que las tecnologías mencionadas operan; estudios que durante 1932 continuaron Vernon y Warner y que se intensificarían multidisciplinariamente en manos de otros durante la segunda guerra mundial. En el ámbito de la arquitectura, en 1963 Víctor Olgyay fue el primero en integrar hallazgos en las áreas de ingeniería, fisiología, medicina y climatología, con énfasis especial en el concepto de confort térmico (Auliciems & Szokolay, 2007). En dicho concepto, es posible definir dos grandes vertientes que impactan a nivel del individuo. La primera, factores individuales de actividad metabólica y el índice de arropamiento; la segunda, de carácter ambiental, que está conformada por la temperatura del aire, la velocidad a la que este se desplaza, la temperatura media radiante y la humedad relativa. En esta última se puede incidir a través de los elementos de interfaz, es decir, por medio de las envolventes arquitectónicas.

Para adoptar medidas pertinentes en el ahorro energético de acondicionamiento térmico de dichas envolventes, se ha definido como axioma la reducción de sus cargas térmicas, con el fin de disminuir el uso de tecnologías activas usadas para mantener un ambiente térmico interior confortable. Esto es posible con el uso de estrategias de diseño pasivo; dentro de ellas, una de gran impacto consiste en la optimización de las envolventes arquitectónicas por medio de cambios en su configuración geométrica o constitución física, para armonizar la relación existente entre el microclima interior y el ambiente térmico exterior.

Una de las alternativas para mejorar el comportamiento térmico en el nivel de la envolvente arquitectónica y la reducción de las cargas de enfriamiento es la correcta selección de materiales y el aprovechamiento de la conservación de la energía en su masa térmica para reducir la oscilación de temperaturas interiores y conseguir el confort térmico (Balaras, 1996), ya que la energía usada en las edificaciones es más significativa en su fase operativa que durante su construcción y demolición. En este sentido, investigadores han planteado la importancia de la selección adecuada de materiales en su vida útil al incorporar valoraciones y aportaciones al análisis de su ciclo de vida.

Otras corrientes similares, como el diseño regenerativo, conocido como cradle to cradle (C2C, i.e. “de la cuna a la cuna”), complementan conceptos de diseño sostenible en tanto a la rehabilitación y restauración de aspectos ecológicos (Silvestre, Brito & Pinheiro, 2014).

Por su parte, la ventilación es otra estrategia de diseño de alto impacto en el mejoramiento de factores ambientales de confort térmico; según modelos de confort de ASHRAE, tanto a escala del individuo como edificatoria. Dicha estrategia contribuye a la disipación de calor metabólico y la descarga térmica de las envolventes arquitectónicas mediante el enfriamiento convectivo, al integrar el uso de elementos, sistemas y dispositivos tales como ventanas, cúpulas, patios y atrios ventilados, deflectores, rejillas, chimeneas, torres de viento y captadores eólicos (García & Fuentes, 1987).

Si se considera que los sistemas de ventilación natural aprovechan fenómenos físicos naturales como diferencias de presión y temperatura, dirección e intensidad de viento (Yarke, 2005b), es pertinente revalorizar los elementos de la arquitectura vernácula alrededor del mundo; en particular, aquella emplazada en Medio Oriente, cuya naturaleza convectiva ha sido aprovechada de manera empírica y masiva durante varios siglos; amén de lo anterior, las torres de viento conocidas como Bâdgir o Baud-geers, en persa, o Malqaf, en árabe, estas últimas, integradas a elementos adicionales como el Salsabil o el Sirdap. La figura 1 muestra su adopción en la morfología urbana de Yazd (A’zami, 2005).

Así pues, la presente investigación aborda el estudio de la conservación de energía existente en la masa térmica de los canales de ventilación de las referidas torres –de ahora en adelante se referirán como Bâdgir, Baud-geer, Malqaf o Malkaf, torre de viento o captador eólico– y su relación con la ventilación por extracción pasiva a través del efecto de la inercia térmica como cualidad de diseño que presupone su viable extrapolación geográfica como mecanismo de control ambiental.

Lo anterior se diserta en cinco capítulos. El primero plantea el problema con alusión a la ligereza con la que se ha estudiado el fenómeno de la inercia térmica en las torres de viento; además, aporta elementos de justificación que permiten formular una pregunta de investigación, así como una respuesta hipotética.

El segundo capítulo aborda la contextualización del problema por medio del marco de referencia y su respectiva revisión literaria, sustenta teóricamente el estudio y analiza su factibilidad técnico-científica.

En el tercer capítulo se caracteriza la investigación, su enfoque y alcances, como la metodología que se emplea para la generación de escenarios de simulación. Se guarda especial interés en la relación del régimen de viento, el recurso solar y la orientación geométrica de la torre, así como las propiedades termofísicas de los sistemas constructivos, donde el uso de la dinámica de fluidos computacional resulta de particular importancia.

El cuarto capítulo analiza la distribución de los resultados en los periodos climáticos definidos a razón de un modelo de confort térmico para establecer el potencial de las distintas configuraciones del dispositivo respecto a los escenarios de simulación, además de discutir acerca de la correlación encontrada con la inercia térmica del dispositivo.

Finalmente, el quinto capítulo concluye con las aportaciones y hallazgos científicos más relevantes en la investigación, además de presentar recomendaciones de utilidad para el diseño de estos dispositivos, si se desea extrapolar su uso en condiciones climáticas distintas.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Existe una problemática implícita en los fenómenos del hábitat al interior de los núcleos urbanos, que se desprende de la ruptura entre el hombre y su capacidad adaptativa al medio ambiente natural a causa de los procesos de industrialización constructiva de los espacios habitables. El punto medular de este estudio radica en el deterioro de las condiciones de habitabilidad térmica y la respuesta que la ventilación natural ofrece a través de una torre de viento. Para definir la escala del problema que atañe a la obra, es conveniente dimensionarlo, para ello se establece la siguiente capitulación.

DIMENSIÓN GENERAL: LA VENTILACIÓN Y LA HABITABILIDAD TÉRMICA

La problemática de habitabilidad se agrava particularmente en localidades con climas extremos y economías precarias; sin embargo, ha sido identificada y denominada “Síndrome del edificio enfermo” desde hace varias décadas por comités de la Organización Mundial de la Salud (OMS)[1] en una tercera parte de los edificios nuevos o remodelados de todo el mundo (Edelman & Hethmon, 1993). Dicho concepto aborda un conjunto de síntomas que afectan la productividad laboral y salud humana, que obedecen a:

- Ventilación inadecuada de los espacios

- Contaminantes químicos interiores/exteriores

- Contaminantes biológicos.

Dichas variables están vinculadas con deficiencias en la ventilación sanitaria de los espacios y el poco entendimiento del balance térmico que existen entre los habitantes y su entorno inmediato. En el pasado, Olgyay esbozó la importancia de la ventilación en la definición de una zona de confort térmico humano al incluir relaciones psicrométricas en su carta bioclimática. Así, el papel de la ventilación se desarrolló con normas prescriptivas de carácter analítico.

La norma ASHRAE 62-73, acerca de la ventilación mecánica y natural, retoma estudios de psicrometría de Willis Haviland Carrier. Este estándar de ASHRAE define tanto el valor mínimo como el recomendable de tasas flujo de aire exterior, con el fin de lograr una aceptable calidad de aire interior, al considerar medianamente las condiciones térmicas. Más tarde, la adenda 62c –de la misma norma 62-73– dio paso a la definición de las dos vertientes más importantes en materia de ventilación: la calidad del aire y la calidad del ambiente térmico, que dieron la pauta para que, en lo sucesivo, la norma ASHRAE 55 abordara la denominada ventilación de confort, la cual se orienta al estudio del ambiente térmico. El cuadro 1 define los distintos enfoques de ASHRAE.

Estas normas de ASHRAE indican que los sistemas de calefacción, refrigeración, humidificación o deshumidificación consideran a la temperatura y humedad como las condiciones que, de manera más significativa, mejoran o degradan la condición de percepción de la calidad del ambiente térmico de los ocupantes (Taylor et al., 1999).

Lo anterior coincide con la aplicabilidad del índice analítico de Fanger en la determinación del índice PMV aunado al PPD, en el que es probablemente uno de los análisis más meticulosos de la relación térmica del humano y su ambiente próximo y que fueron incorporados a la norma ISO 7730:1994 (Auliciems & Szokolay, 2007).

En este sentido, la ventilación, como elemento inherente en la conformación del ambiente térmico, es uno de los factores protagónicos del mejoramiento de la habitabilidad según las normas e índices ya citados (ASHRAE, 2010a). Consecuentemente, otros autores líderes como Olgyay, Evans o Mahoney han incorporado aportaciones de distintas áreas del conocimiento, con el fin de conformar una perspectiva holística para el diagnóstico y delimitación del confort térmico, tal es el caso de Givoni y Milne, quienes idearon uno de los instrumentos de diagnóstico y diseño más usados: la carta bioclimática Givoni-Milne (Steinfeld, 2010).

Esta carta guarda estrecha similitud con la evolución gráfico-analítica de la definición de la zona de confort térmica de ASHRAE a lo largo del tiempo, lo cual se observa en la figura 2, donde se distinguen diferentes zonas de confort para el verano e invierno, con variaciones importantes en la acotación geométrica de los límites superiores debido a la consideración de la humedad como variable de impacto.

Con base en lo anterior, y so pretexto de conservar la calidad del aire, la figura 3 ilustra la escala general del problema, que radica en el mejoramiento de las condiciones de habitabilidad térmica de los espacios por medio de la ventilación de confort como estrategia de diseño pasiva de acuerdo con tres variables climáticas relevantes. La temperatura media radiante (TMR) que, a diferencia de la temperatura de bulbo seco (TBS), es la temperatura uniforme de una habitación que incluye la transferencia de calor emitida por radiación de los elementos constructivos hacia los individuos en el interior de esta y la humedad relativa (HR), que es la relación expresada porcentualmente entre el vapor de agua que tiene una masa de aire y la máxima que podría contener a una temperatura y presión atmosférica dadas.

A partir del proceso de adaptación del hombre al medio ambiente natural, los diseñadores se han decantado por un particular interés en la habitabilidad térmica. No obstante, es necesario no solo el reparo en los factores ambientales como el viento, que amplía los límites de la habitabilidad térmica en el nivel de interacción con el habitante, sino también en el nivel de las envolventes arquitectónicas, ya que promueve el ahorro energético a través del enfriamiento, como señala el enfoque de la figura 4.

DIMENSIÓN PARTICULAR: LOS EFECTOS DE LA VENTILACIÓN Y SU RELACIÓN CON LA MASA TÉRMICA

Si bien la temperatura media radiante, la temperatura de bulbo seco y la humedad relativa son los aspectos protagónicos en el ambiente térmico interior, en los primeros dos cabe destacar la importancia del papel que juega la conservación de la energía y la inercia térmica.

Según estadísticas de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE), hasta 50% de la energía se consume en edificios no industriales; de esta, la mitad es disipada en mecanismos de ventilación, por lo que la proporción de energía asociada convierte a la ventilación en el mecanismo de descarga térmica predominante en los edificios. Entender el rol de la renovación del aire interior en ello es esencial, pues se ha demostrado que representa casi 36% de la energía de acondicionamiento total de los espacios (Liddament & Orme, 1998).

No obstante, esta descarga térmica está ligada a la renovación de aire y a su vez a la velocidad de sus flujos; los valores óptimos van entre 0.3 a 0.7 m/s. Algunos autores han trabajado en los coeficientes de espacios con ventilación de confort ideal y su relación con la velocidad del flujo existente (Bastide et al., 2006), para ello es necesario la incorporación de elementos de diseño en favor de la ventilación natural. La figura 5 señala los elementos fundamentales de funcionamiento de dichos dispositivos con base invariablemente en la convección natural y el efecto mecánico del viento, es decir, ventilación debido a diferencias de presión y temperatura, donde destacan primordialmente las torres de viento.

Por su parte, algunas de las técnicas más comunes en climas cálidos aprovechan la ventilación nocturna, que usa comprensivamente factores como la oscilación, el retraso y el amortiguamiento térmico de la envolvente, las ganancias internas y tasas de ventilación, entre otros. Esto conduce a la valoración de técnicas y dispositivos de enfriamiento pasivo con base en estos parámetros climatológicos (Hughes, Chaudhry & Ghani, 2011).

Las torres de viento, como elementos arquetípicos tradicionales, son elementos simbólicos con un gran sentido de apropiación cultural en las culturas peninsulares de Medio Oriente, dada su robustez; también son dispositivos de climatización pasiva que captan e inducen aire fresco al interior edificado a través de la presión positiva de barlovento que se genera en las superficies por la masa de vientos dominantes, que es extraída a su vez por medio del efecto combinado de la convección libre debido a la diferencia de densidad de la masa de aire y las presiones negativas de sotavento.

Durante largos periodos históricos, estos elementos de bioconstrucción, que se han erigido predominantemente con muy distintas mezclas de tierra cruda y muros espesos inocuos al medio ambiente, fueron la alternativa viable para preservar condiciones de higiene en cocinas de edificaciones con baja permeabilidad, que afrontaban climas con altas temperaturas e incidencia solar, poca disponibilidad de agua y presencia de material particulado, polvos y patógenos arrastrados por las tormentas de arena.

Diversas investigaciones han estudiado las torres de viento analítica, numérica y experimentalmente, ya sea al abordar los ángulos de incidencia y velocidad de los vientos, hasta el análisis de las condiciones térmicas de mayor margen. Sin embargo, existe un elemento poco evaluado: la inercia térmica.

Como ilustra la figura 6, estas estructuras de ventilación operan en la parte superior de todo tipo de edificaciones, orientadas geométricamente según las condiciones de viento dominante y radiación solar de regiones regularmente áridas. Morfológicamente son similares a chimeneas que desplantan subterráneamente y se erigen por encima de las cubiertas de las edificaciones en conjuntos de viviendas que se despliegan sobre una traza vial con altos muros de adobe o ladrillo, en ocasiones con secciones abovedadas; estas estrechas calles son mejor conocidas como Kucheh o Koocheh, y son, incluso en la actualidad, especialmente diseñadas para brindar resguardo ante las tormentas de arena, al mismo tiempo que maximizan el sombreado entre edificaciones y aíslan al conjunto de las bajas temperaturas invernales (Karim & Ġulām, 2005).

En la escala de objeto arquitectónico, los captadores eólicos se integran como parte de sistemas que incluyen reservas de agua, pozos y fuentes interiores que enfrían y humidifican el aire por medio de la modificación de su contenido de vapor de agua, es decir, a través del enfriamiento latente.

La referida estrategia es útil durante el cálido verano que presenta, por ejemplo, el desierto iraní de la provincia de Yazd. Cuando esto no era posible en climas húmedos cercanos al golfo Pérsico, en la provincia de Hormozgan, la ciudad de Bandar Lengheh muestra cómo las torres de viento también se adaptan al clima por medio de variaciones geométricas; mientras que en las ciudades de clima húmedo las torres son más robustas y bajas, en las zonas áridas se erigen a mayor altura para aprovechar ráfagas de viento más fresco que después se humedecía en canales de agua llamados Qanat, al climatizar por medio del enfriamiento indirecto o sensible los espacios. La distancia geográfica se aprecia en la figura 7.

Cuando no está integrado a un sistema, este dispositivo de ventilación pasiva puede funcionar a la inversa, es decir, retirando aire del interior debido al rol que juegan los materiales de su estructura y la fluctuación térmica del ambiente exterior; esto es, almacenando energía térmica durante el día y perdiéndola por convección y radiación durante la noche en un recurrente proceso de balance térmico que ha sido poco atendido por las investigaciones a partes o componentes muy específicos de estos dispositivos (A’zami, 2005). Tal es el caso de la parte superior de la torre, conocida como plataforma, la cual incluye los deflectores que inducen y aceleran el viento al interior del canal de flujo interior de la columna o también llamado tallo. La estructura vertical tradicional de diseño del Bâdgir se muestra en la figura 7. Este diseño proliferó en tiempos de la gran dinastía Timúrida durante la edad media y podría describirse de la parte inferior a la superior como sigue: a) tallo, b) catgut-cadena y c) la plataforma (O’Kane, 1976).

La ventilación vertical generada por diferencia de temperatura y comprendida conceptualmente como efecto stack aumenta la eficiencia operativa de las torres y puede aplicarse en edificios contemporáneos. Básicamente, la energía térmica almacenada en la masa del tallo durante las horas de radiación solar se libera horas más tarde, lo que genera la posterior succión de aire interior por efecto de convección. Los conceptos de retraso e inercia térmica durante el día y la noche son fundamentales para que esto suceda (Moghaddam, Amindeldar & Besharatizadeh, 2011).

Este ciclo de intercambio de energía entre la masa de las paredes del tallo y el ambiente térmico exterior impacta en el flujo de aire al interior de la torre, pues la marcha térmica horaria de la masa de aire al interior y exterior son distintas al mantener como barrera de interfaz las paredes que conforman el canal del tallo. Esto se debe a que las propiedades térmicas y superficiales del tallo cumplen una función climática, lo que obedece al empleo de materiales locales, esencialmente lodo, paja, ladrillo entre otros; en ciudades como Teherán, cercanas al mar Caspio, pasando por ciudades continentales como Yazd, Ardakan, Mehriz o Jahrom, hasta llegar al golfo Pérsico de clima cálido y húmedo, se aplican emplastes a base de morteros con terminados en colores de baja absortancia, como el amarillo y el blanco que circundan en factores de entre 0.20 y 0.30.

No obstante, su funcionamiento varía según el momento del día en que se analice. La figura 8 ilustra la función diurna en que las fuerzas mecánicas de los vientos dominantes insuflan viento por el cuadrante de captación, mientras que por los otros cuadrantes de la torre la succión es posible gracias a la convección natural y la presión negativa de sotavento; durante la noche es posible la captación por todos los cuadrantes de la torre.

Elementalmente, la variación de comportamiento se rige por la distinta aportación de energía del ambiente térmico inmediato a la torre a través de la radiación solar en cualquiera de sus formas (directa, difusa o reflejada), lo que puede describirse como un fenómeno de transferencia de calor; esto es posible a través de tres medios cualitativos: conducción, convección y radiación (Holman, 1998).

Los principios teóricos de estos mecanismos de transferencia se expresan como sigue:

Donde q es el flujo de calor, -k la conductividad térmica en sentido de las temperaturas decrecientes, A el área y ∂T/∂x el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor. Esta ley, llamada Ley de Fourier de la conducción de calor en honor al físico matemático Joseph Fourier, explica la transferencia de energía de una región de alta temperatura a una región de baja temperatura por medio del contacto en cuerpos sólidos isótropos y se presenta entre el cuerpo de la torre de viento y su desplante sobre la cubierta de los espacios a climatizar.

Por otra parte, el gradiente de temperaturas en el tallo del Bâdgir es un fenómeno físico de conducción altamente influido por el efecto global de enfriamiento-calentamiento convectivo, debido a la acción de la masa de aire circundante; de ahí que sea importante considerar la velocidad a la que actúa el intercambio energético, esto lo define la siguiente relación de transferencia de calor por convección desde una superficie:

Donde q representa el efecto global de la transferencia de calor entre la pared y el fluido, h el coeficiente de transferencia de calor por convección, A la superficie de contacto, Tp la temperatura inicial de la superficie del cuerpo analizado y T∞ la temperatura ambiente de corriente libre; con base en lo anterior, se puede anticipar la gran dependencia de la viscosidad del fluido, así como de sus propiedades térmicas, ya sea la conductividad térmica, el calor específico y la densidad.

En contraposición con las anteriores, las torres de viento también intercambian energía en forma de calor con el ambiente inmediato, la Ley de Stefan-Boltzman explica que este principio teórico de la radiación electromagnética se propaga como resultado de diferencia de temperaturas entre radiadores térmicos ideales o cuerpos negros.

Sin embargo, para radiadores térmicos no ideales, como los elementos constructivos del tallo de estos elementos eólicos, es necesaria la consideración de un factor adicional llamado función de emisividad Fε, y la función “factor de vista” FG para relacionar la radiación de una superficie “gris” no ideal con la de un cuerpo negro, como sigue:

Las tres leyes descritas circunscriben el fenómeno del intercambio térmico entre el tallo de un captador eólico o torre de viento y las condiciones medio ambientales que interactúan con él. Pese a esto, en elementos constructivos estos mecanismos de tránsito energético tienen implicaciones más complejas, ya que la propagación de energía a través de ellos es distinta en sistemas constructivos heterogéneos, debido a que estos se encuentran constituidos de masa con un determinado potencial de acumulación y transmisión térmica.

Así, entonces, la capacidad de acumulación térmica de un material depende de un índice sujeto a la cantidad de calor que es necesario aportarle a la masa que conforma al material para modificar su temperatura en una unidad. A este índice le llamamos calor específico y se estima por medio de la siguiente ecuación desarrollada por Joseph Black:

Donde Q es la cantidad de calor a suministrar a una cantidad de masa m, para que esta presente un cambio de temperatura ΔT. Es bien sabido que los materiales de construcción mantienen un valor cercano a los 800 J/Kg°C. A partir del conocimiento de este índice, es posible estimar la capacidad térmica de un cuerpo concreto ante la cantidad global de calor que necesita para que la suma de las masas que lo conforman modifique su temperatura en un grado centígrado, lo anterior se define con la siguiente ecuación:

Por tanto, los conceptos de calor específico y capacidad térmica tienen una significativa importancia en el comportamiento de las torres de viento, pues los muros que conforman el tallo de la estructura fungen como pozos de calor con capacidad aislante y emisividad radiante en las que actúan tanto el amortiguamiento como el retraso térmico ante la aportación energética del ambiente exterior, influida totalmente por la radiación solar.

Con todo lo anterior, la etapa de emisividad radiante o restitución térmica de los elementos constructivos hacia el ambiente exterior mantiene un ritmo por medio de la existencia de dos parámetros igualmente importantes: la conductividad térmica (λ), también conocida como k, y la conductancia. La primera mide la facilidad con que un cuerpo isótropo permite el tránsito energético a través de sí por una unidad de tiempo en una superficie unitaria. Esto se calcula a partir de la ecuación 1, ya mostrada, como se presenta a continuación:

Donde q es el calor aportado por una fuente de calor; en este caso, el sol en W/m^2, a una pared de un espesor l en metros, lo que provoca un gradiente térmico en °C. Por lo tanto, este coeficiente es medido en W/m°C y su valor inverso, es decir, que la resistividad se define como la obstrucción al libre tránsito térmico que ofrece una sustancia y se define así:

Estas propiedades son consideradas intrínsecas en un material o sustancia con propiedades laminares. Aunque la capacidad aislante de un elemento constructivo es aquella que expresa la magnitud del flujo calorífico en la unidad de superficie de determinado material con un espesor determinado e, se conoce comúnmente como Transmitancia, conductividad aire-aire o coeficiente global de transferencia de calor C, Ka o, en la literatura técnica anglosajona, U-value, y se calcula de la siguiente manera:

El valor recíproco de la anterior se denomina resistencia térmica R o resistividad aire-aire y, debido a que posee propiedades aditivas, si el material suma varias capas con resistencias definidas, bastaría con sumarlas al considerar las resistencias superficiales convectivas exterior e interior para obtener la resistencia térmica total Ra, también llamada valor R (R-value) que en el sistema métrico se conoce como RSI y tiene una equivalencia de 0.1761101838 veces el valor R.

Pese a que lo anterior describe el comportamiento térmico de un elemento constructivo laminar ante la aportación energética ambiental, para estimar su comportamiento térmico global se debe considerar el efecto convectivo-radiante existente en sus caras. Se emplean así los términos de resistencia y conductancia superficial. La primera de las dos dependerá especialmente de:

1. Velocidad del aire. A mayor velocidad, mayor intercambio convectivo.

2. Posición del elemento respecto al flujo térmico. La convección natural de una masa de aire presenta un movimiento vertical ascendente, por lo que superficies horizontales presentan una mayor resistencia al flujo térmico.

3. Rugosidad del acabado. Este dificulta el deslizamiento de las capas de aire sobre la superficie, aminora la convección y aumenta la Ra del sistema constructivo.

4. Emisividad. Conocida como ε, y antes llamada emitancia, es la fracción de radiación térmica emitida por una superficie debido a su temperatura respecto a aquella emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y longitud de onda. Su valor está entre 0 y 1. Cuanto más pequeño el valor, menos emisivo el material. Se calcula de la siguiente manera:

Donde Q es el flujo de calor, σ la constante de Stefan-Boltzman, As el área superficial del objeto y Ts su temperatura superficial. Por el contrario, la absortividad es la fracción de radiación térmica recibida que es absorbida; cuando esta es mayor a la emitida, se dice que se está ganando energía por radiación, en caso contrario se está cediendo (Cengel & Boles, 2011). Esto se aprecia en la figura 9 y el cuadro 2 muestra los valores comunes en materiales de construcción.

Aunque no es el propósito estudiar las fuerzas motrices del viento, conviene apreciar sus efectos mecánicos y su influencia en la conductancia superficial como función de transferencia de calor en cualquier prototipo de Baud-geer. La figura 10 ilustra la presión (magnitud y dirección) como parámetro de la ventilación[2] en el efecto Venturi explicado por el trinomio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa como papel determinante. Donde D es el conducto de paso (m), D_2 el paso de vena contracta (m), V_1 la velocidad entrada (m/s), V_2 la velocidad de salida (m/s), d el conducto de paso estrecho (m), β el cociente de obstrucción (--), F la vena contracta, G la región remansada, H la línea de corriente divisoria, Q el gasto (m3/s), AT el área (m^2), VT la velocidad (m/s), Cd, el coeficiente de descarga (-) y ρ la densidad del aire (kg/m^3).

El ideograma que se muestra en la figura 11 representa la intervención de elementos de transferencia energética que conforman el escenario de balance térmico de una torre de viento, así como los parámetros físicos y ambientales participantes en ello. Donde en términos de 1) aportación energética[3], K es el valor de constante solar (1.366 kW/m2), Io la radiación extraterrestre, IdT la radiación difusa en superficies inclinadas, IbT la radiación directa en superficies inclinadas, IgT la radiación reflejada en superficies inclinadas e IT la radiación total en superficies inclinadas; 2) almacenamiento, las ecuaciones de calor específico y capacidad térmica, y 3) flujo térmico a partir del coeficiente global de transferencia de calor, aunque el coeficiente de conductividad térmica como tal también está implicado en el intercambio del Bâdgir y la superficie de cubierta donde este se monta.

Por cuestiones narrativas, lo anterior se describirá con mayor profundidad en el marco teórico del presente documento; sin embargo, en resumen, esto puede ser expresado algebraicamente en la ecuación que se muestra a continuación:

JUSTIFICACIÓN

Con anterioridad, se detalló el origen de la degradación ambiental y la crisis energética y sus impactos; por lo tanto, es menester sustentar el papel del acoplamiento de la masa térmica y la ventilación natural como elemento clave en el mejoramiento del confort térmico microclimático y la descarga térmica de las envolventes arquitectónicas (Flourentzou et al., 1998).

Actualmente, la mayor parte del consumo eléctrico en el sector edilicio obedece a actividades operativas que incluyen el uso de electrodomésticos para conservación y cocción de alimentos, iluminación, aseo, entretenimiento pero, sustancialmente, a la demanda de climatización atribuible a cargas térmicas de enfriamiento-calefacción por el uso de tecnologías mecánicas (ventiladores, sistemas de refrigeración, refrigeración desecante, evaporativos, etc.), donde la energía utilizada proviene de fuentes no renovables dependientes de la red de suministro estatal.

Ante esto, una alternativa viable es la edificación energéticamente sustentable a través de la integración, uso de fuentes de energía renovables de la región: energía solar, biomasa, geotermia, hidrógeno renovable y eólica, así como su conjugación con estrategias pasivas con base en parámetros climatológicos, como el aislamiento térmico, la reducción de aportaciones internas de calor y, sobre todo, la ventilación natural para minimizar las ganancias de calor, prevenir la condensación, la desodorización y descontaminación de los espacios (Luna, 2008).

Estos principios son conocidos como estrategias de preenfriamiento basadas en el acoplamiento de la masa térmica y la ventilación; investigaciones en Reino Unido, con base en la aplicabilidad de la ventilación nocturna en edificios climatizados artificialmente y con razonable masa térmica, han demostrado que la ventilación puede afectar condiciones internas diurnas e impactar en un ahorro energético de 5%, incluso al considerar los flujos de calor de volumen de las envolventes a razón de los flujos en la ventilación (Faure & Le Roux, 2012; Kolokotroni & Aronis, 1999).

A menor escala, estrategias de ventilación híbrida conjugan simbióticamente el uso de tecnologías pasivas de ventilación para el mejoramiento de la eficiencia de tecnología termosolar y fotovoltaica por medio de la descarga térmica de los paneles de dichas tecnologías, lo que mejora hasta en 10.1% la producción anual de energía con el uso de la extracción de aire como fluido de enfriamiento (Koinakis, 2005).

Conforme a lo anterior, es pertinente el perfeccionamiento de elementos de climatización pasiva que permitan la disminución del uso de tecnologías que consumen fuentes no renovables de energía por medio de la reducción de cargas térmicas, como el caso de las torres y los captadores de viento, esto puede señalarse esquemáticamente en la figura 12.

PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN

Una vez que se definieron los factores climáticos circunstanciales de la problemática, el curso histórico de la respuesta del hombre ante ella, así como los elementos teóricos, conceptuales y la evidencia empírica encontrada en la arquitectura vernácula, es posible formular la siguiente pregunta de investigación: ¿Cuál es el factor de relación entre la capacidad térmica de las paredes del canal de ventilación de una torre de viento y la amplitud de su periodo de funcionamiento?

HIPÓTESIS

Con base en la información ya citada en este documento, existen elementos técnico-científicos para afirmar que es posible extrapolar el uso de captadores eólicos o torres de viento como dispositivos de control ambiental en condiciones climáticas no tradicionales e incluso mejorar su funcionamiento. Esto es posible por dos condiciones: la consideración de las variables climáticas de mayor incidencia en los mecanismos de transferencia de calor entre el ambiente natural y el dispositivo de ventilación, es decir, conducción, convección y radiación, y la segunda es el estudio de la forma del dispositivo, pero en especial el análisis de las propiedades termofísicas en el aprovechamiento de la masa térmica de los materiales que la constituyen.

De esta manera es posible mejorar los índices de ventilación de un espacio acondicionado con un captador eólico que trabaja bajo un principio de extracción pasiva, esto debido a que existe una relación directa y no proporcional entre el aumento de la capacidad térmica de los materiales empleados en el canal de ventilación de la torre y la amplitud del tiempo de extracción que el dispositivo tiene gracias al efecto de la inercia térmica, por tanto se postula la siguiente hipótesis de investigación: A mayor capacidad térmica en las paredes del canal de ventilación de un captador eólico, mayor amplitud en el periodo de ventilación por extracción pasiva debido al efecto de la inercia térmica.

OBJETIVOS

Debido a que la presente investigación tiene implicaciones a escala de un objeto arquitectónico como dispositivo de control ambiental, a continuación se define el carácter de los objetivos.

Objetivo general

Aportar elementos técnicos que permitan definir a la capacidad térmica de las paredes del canal de flujo de un captador eólico como variable de impacto en la amplitud de su periodo de funcionamiento.

Objetivos particulares

Dado que el planteamiento hipotético de la investigación se sustenta en el impacto de la masa del canal de flujo, su capacidad potencial de almacenamiento térmico, así como los efectos que por medio de la inercia térmica genera en los ciclos convectivos del dispositivo, es de vital importancia mencionar como objetivos particulares los siguientes:

1. La realización de estudios de las variables climáticas de mayor impacto en los fenómenos de transferencia de calor entre el ambiente exterior y el dispositivo; estos son:

- El recurso solar.

- El régimen de vientos dominantes.

2. La definición del impacto de dichas variables climáticas en el funcionamiento del dispositivo.

3. El desarrollo de un análisis que permita establecer, con base en un modelo de confort térmico, el potencial de enfriamiento convectivo por medio de la ventilación natural o forzada y, con ello, la ventana de oportunidad del dispositivo.

4. La definición del impacto de los parámetros de la forma en el funcionamiento; estos son:

- Orientación geométrica del canal de flujo respecto a la radiación solar.

- Espesor de las paredes del canal de flujo.

- Propiedades termofísicas de los materiales empleados.

5. El estudio del comportamiento de los ciclos convectivos en el canal de flujo y su comportamiento como cavidad ventilada a través de la dinámica computacional de fluidos.

ALCANCES Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN

El alcance de la presente investigación es correlacional y se basa en un diseño experimental factorial a través de la simulación computarizada. En este sentido, expresa la relación de causa-efecto entre más de una variable independiente para ver su relación con distintas variables dependientes, además permite establecer una prueba empírica por medio de la replicabilidad en modelos a escala para futuras investigaciones. La estructura general de la investigación puede apreciarse en la figura 13 (Hernández, Fernández & Baptista, 2006).

Debido a que la presente investigación parte de un antecedente inmediato de cuasiexperimentación con un modelo a escala de una torre de viento probada por el mismo autor, la información obtenida en dicho estudio servirá como medida de contraste en secciones puntuales de este documento; por lo tanto, el documento define como alcances primordiales el estudio y caracterización del medio ambiente físico por medio de archivos climáticos construidos computacionalmente, el aislamiento de las variables climáticas de mayor impacto en el objeto de estudio, la definición de un listado de materiales que permitan la comparación de sus propiedades termofísicas y geométricas, así como la influencia de estas en la inercia térmica del canal de flujo de la torre, lo que incluye el uso de los valores teóricos más aceptados en la literatura especializada y la implementación de un método de caracterización para un material de construcción de uso regional. Lo anterior permitirá conocer valores de velocidad de extracción de aire alcanzadas en la torre, la tasa de ventilación, las renovaciones de volumen de aire generadas a partir de ello y un estudio detallado de la cavidad ventilada de la torre a través de la CFD.

No serán abordados en este libro los elementos estructurales, mecánicos, estéticos, económicos, de costo-beneficio, diseño regenerativo, ciclo de vida, o aquellos que moneticen de alguna forma el ahorro energético que pueda derivar de la mejora en las condiciones de habitabilidad térmica que el uso del dispositivo suponga en un espacio habitable.

Las limitaciones obedecieron a cuestiones de índole económica y al tiempo concedido para la conclusión de la presente investigación por parte de las instituciones que lo financiaron. Si bien la construcción de modelos a escala aportaría elementos comparativos importantes, el diseño de la investigación presupone el manejo de un gran número de escenarios experimentales, lo que demanda instrumental de monitoreo ambiental y periodos de acopio de información superiores a los disponibles.

[1] Autoridad directiva y coordinadora de la acción sanitaria en el sistema de las Naciones Unidas

[2] Se discute a profundidad a través de estudios como los de Evola & Popov (2006), Hughes, Calautit & Ghani (2011), van Hooff (2011), etcétera.

[3] Según nomenclatura anglosajona que pertenece a modelos de cálculo de radiación solar en planos inclinados.

MARCO TEÓRICO

En este capítulo se revisa la literatura especializada que se relaciona con el problema de investigación, con el fin de situarlo dentro del campo de conocimiento y construir una perspectiva teórica pertinente (Hernández, Fernández & Baptista, 2006). La revisión bibliográfica comprendida en el abordaje del problema de investigación se ilustra taxonómicamente en la figura 14.

EL CLIMA Y EL AMBIENTE TÉRMICO

Constantemente, el medio ambiente natural está sujeto a cambios en los que impacta la actividad vegetal, animal y humana. A través del diseño y el empleo de artificios, el hombre incide en él suplantando sus benefactores al construir su hábitat; el éxito de ello depende en gran medida del nivel tecnológico empleado y la cantidad de energía para hacerlo, en conjunto con el conocimiento del entorno físico del que deliberadamente se apropia (Azpeitia, 1990).

Dentro de los elementos del ambiente destaca el clima, denominación que se da al proceso de interacción de masa y energía entre la superficie terrestre y la atmósfera, determinado por el desigual reparto de la energía aportada por el sol en el planeta. Así, el clima está emparentado con la latitud de los sitios y, con base en su escala, distingue entre macroclimas y microclimas; para su estudio, la meteorología trata de fenómenos cambiantes, mientras la climatología explica un aspecto más general con el uso de medias estadísticas. Esto permite clasificar y establecer correlaciones, subtipos de clima y distribuciones de los mismos a partir de datos reportados por las estaciones meteorológicas, con ello se forman sistemas de clasificación, donde el más reconocido es el establecido por Vladimir Köppen en 1918 (García, 1967; Tudela, 1980).

La figura 15 precisa los factores y elementos del clima que determinan el comportamiento del tiempo climático, que están supeditados principalmente por la latitud de la localidad, aunque es dependiente de correlaciones entre factores que afectan a elementos termodinámicos del aire atmosférico y su contenido de vapor de agua, tal es el caso de la altitud local y su presión atmosférica. Este complejo fenómeno es descrito por la climatología y la ciencia del suelo (Gandullo, 2000; OMM, 2006).

En el nivel mundial, la información acerca de la atmósfera terrestre, su interacción con los océanos, el clima que produce y la distribución que resulta de los recursos hídricos es provista por la Organización Meteorológica Mundial (OMM), organismo adjunto a la ONU, donde los servicios meteorológicos de los 131 países miembros construyen bases de datos útiles tanto para la agricultura, aviación, navegación como al medio ambiente en general. Como resultado de ello, se creó el Sistema Mundial de Observación del Clima (SMOC), que emplea un sofisticado sistema de monitoreo ambiental (ver figura 16) constituido por:

- 15 satélites espaciales.

- 100 boyas fondeadas/600 a la deriva.

- 3 000 aeronaves y 7 300 embarcaciones.

- 10 000 estaciones meteorológicas terrestres.

A través del sistema mundial de información, se procesan datos de manera computarizada por medio del uso de modelos matemáticos que se basan en leyes físicas para elaborar miles de mapas, productos digitales, pronósticos meteorológicos y de calidad del aire, predicciones climáticas, evaluaciones de los riesgos, así como servicios de alerta temprana para el público de todo el mundo. Además, se elaboran otros productos para una amplia gama de usuarios de distintos sectores económicos y científicos en beneficio de procesos de diseño, planificación y operatividad. Dentro de estos, destacan aquellas aplicaciones usadas para la producción de energía, procesos de hidratación y deshidratación, esterilización, limpieza, reacciones químicas, etcétera.

Estas aplicaciones integran modelos matemáticos y empíricos con sistemas de información geográfica (GIS*) que principalmente abordan fenómenos de radiación solar, debido a su importancia en el comportamiento del clima; destacan bases de datos como el Atlas Europeo de Radiación Solar (ESRA*), la información meteorológica y de energía solar (SSE*) de la NASA[4], así como la provista por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de Estados Unidos (NREL), la información de alta resolución disponible de SolarGIS o el sofisticado Sistema de Información Geográfica Fotovoltaica (PVGIS) que provee información de Europa, África y Asia. En el cuadro 3 se comparan las bases de datos con aspectos de aproximación técnica, exactitud, frecuencia de actualización, entre otros.

Dentro de los logros de estas bases de datos, destaca la posibilidad de algunas para modelar información en series horarias –de 8 760 valores– de hasta 40 variables climáticas en cualquier localidad del mundo por medio de modelos estocásticos de interpolación espacial; la información satelital y terrestre se sintetiza para representar tendencias y patrones de información climática registrada en grandes periodos, comúnmente conocidos como normales climatológicas.

Pese a que esto es posible hace apenas algunas décadas, distintas asociaciones se han esforzado en detallar sus series de información climática horaria según distintos intereses; tal es el caso del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), que actualizó su serie de datos, denominada año típico meteorológico (TMY, por sus siglas en inglés), o el laboratorio de simulación WATSUN, que creó los sets de datos CWEC, al tiempo que la Comisión de Energía de California diseñó sus series de datos denominada CTZ, mientras que ASHRAE presenta el set de datos WYEC2 para representar patrones típicos climáticos, o el formato IWEC usado para cálculos energéticos (Crawley, 1988). Con ello, aunque existe una enorme variedad de formatos fuente, como el CityUHK, CSWD, CTYW, ETMY, IGDG, IMGW, IMS, INETI, ISHRAE, ITMY, KISR, NIWA, RMY, SWEC o SWERA, en su mayoría ordenan variables climatológicas como se expresa en la figura 17.

No obstante, la información presente en la figura 17 es usada con particular interés en el análisis y simulación del desempeño energético de edificios, ya que conjuga variables de alto impacto como: a) humedad relativa, b) temperatura, c) radiación solar y d) régimen de viento en el concepto de cargas térmicas aplicable a los edificios. Lo anterior ha conducido el desarrollo y sofisticación de los estándares de desempeño térmico requerido para los edificios alrededor del mundo, así como su diseño bioclimático. La adecuada selección de series de tiempo climático que provean fieles condiciones límite en estas aplicaciones es de vital importancia, puesto que los términos “temperaturas exteriores de diseño” o “grados-día” no resultan inadecuados en estos procesos.

Aunque dentro de esta dinámica se ha logrado clasificar tres tipos de información climática horaria: series de datos multianuales, semanas típicas o días representativos, diversos autores coinciden en la practicidad de usar series horarias para construir un año típico meteorológico, por lo que han abordado los métodos más comunes para seleccionar años típicos meteorológicos: el método de año de prueba de referencia (TRY) y el método del año típico meteorológico (TMY), que se definieron en 1976 y 1981, respectivamente; mientras que el primer método construye la información climática de un año entero por medio de la selección del mes más representativo en una serie de años, el segundo selecciona el año con el comportamiento más representativo en su conjunto (Hui, 1996; Rodríguez, 2006).

Este tipo de selección metodológica de información climática detallada posibilita el estudio de la dicotomía que existe entre variables climatológicas de manera analítica; como muestra la definición entre la humedad relativa y la calidad del aire interior según diversos autores.

La información climática diaria puede asociarse con estudios epidemiológicos y clínicos para decidir si el aire introducido al edificio debe ser tratado. Según investigaciones recientes, la humedad relativa entre 30-60% es apropiada para mantener una aceptable calidad del aire interior (Wolkoff & Kjaergaard, 2007).

Zhao comenta en sus estudios los efectos negativos de las estrategias de acondicionamiento en los ambientes interiores dentro de los climas cálidos, mediante la reconsideración de un concepto de confort y aceptabilidad, así como nuevas estrategias de acondicionamiento usando la fluctuación de viento con base en la respuesta del humano a un ambiente térmico transitorio, información relativamente acotada por Givoni una década antes (Givoni, 1994; Zhao, Sun & Ding, 2004).

Recientemente, esto ha sido bien integrado en estándares que tratan las condiciones del ambiente térmico para la ocupación humana, así como para definir las anteriores en edificios ventilados naturalmente por medio de modelos adaptativos con aceptabilidad para 80 o 90% de los ocupantes, puesto que la postura de los autores supone que la facultad de los habitantes de modificar el ambiente interior de las edificaciones, con el fin de lograr condiciones de habitabilidad, redunda significativamente en la apertura de vanos para permitir la ventilación natural y, con ello, la interacción con el ambiente térmico exterior (ASHRAE, 2010b; de Dear & Brager, 2002).

Por otra parte, también ha sido posible conformar mapas, métodos bioclimáticos y herramientas virtuales que correlacionan las variables climáticas con modelos de confort térmico de los espacios interiores, además de diagnósticos bioclimáticos para espacios exteriores. En este sentido, la Universidad de California automatizó herramientas basadas en ambientes gráficos que ayudan a especialistas a entender el clima local y establecer lineamientos de diseño, la más conocida es Climate Consultant©, que traslada información climática horaria en gráficas y recomendaciones de diseño de envolventes edilicias con preceptos de sostenibilidad y eficiencia energética (Castillo, Bojorquez & Luna, 2014; Liggett & Milne, 2014; Vissilia, 2009).

La dicotomía referida redunda en la exaltación de estrategias de diseño; en este caso, la ventilación natural como una de las estrategias selectivas de mayor impacto, particularmente en distintas localidades y diferentes periodos climáticos. Si bien se ha convertido en axioma el principio de diseño el cual dicta que los edificios deben de ser diseñados a razón de una ventilación natural controlable, existen muy variados efectos de la ventilación en los edificios.

El viento como elemento de transferencia térmica

El análisis contextual del clima permite evaluar los recursos naturales del sitio como elementos de intercambio energético; el viento es una variable determinante, pues como ya se mencionó, después de la radiación, la convección es el medio de transferencia energética de mayor impacto en las edificaciones. Pese a la aleatoriedad de su disponibilidad, para su correcta incorporación en ambientes edificados es vital conocer su dirección, velocidad, frecuencia, turbulencia y ráfaga, información que comúnmente precisan las estaciones meteorológicas terrestres (Brown, 1994; Fuentes, 2004; Yarke, 2005a).

El efecto de la ventilación en los ambientes térmicos interiores ha sido ampliamente estudiado, desde los estudios de los hermanos Olgyay en 1963 se describe la ampliación del rango de confort por medio de la ventilación unilateral o cruzada; en la primera, la flotación térmica y la presión inducida por el viento son las únicas fuerzas impulsoras de la ventilación, mientras que, en la segunda, el flujo varía según la diferencia de presión en las aberturas (Dascalaki et al., 1995).

En fechas recientes, las estadísticas de energía de la OCDE muestran que entre 30 y 50% de la energía primaria es consumida por edificios no industriales. De este, tanto como 50% es disipado por el edificio debido a las corrientes de aire salientes; así pues, entre más eficientes térmicamente sean los edificios, la proporción de pérdidas de energía asociada con la ventilación será más significativa, ya que la ventilación es el mecanismo de disipación de energía más dominante (Liddament & Orme, 1998). Respecto al viento y la marcha horaria, Santamouris presentó un método para calcular la contribución de energía de las técnicas de ventilación nocturna con base en el principio de temperatura de punto de balance que usa algoritmos para predecir la carga térmica, para su validación se usó el software TRNSYS® (Santamouris et al., 1996).

Debido a que se requiere una amplia tasa de ventilación, la tasa de transferencia de calor interior-exterior también puede estimarse con el propósito de aumentar la comodidad en los usuarios a altas temperaturas y climas particularmente húmedos, así como la capacidad térmica del edificio para reducir el uso de climatización artificial (Fordham, 2000; Indraganti, Ooka & Rijal 2012); si bien el diseño de edificaciones ventiladas naturalmente debe derivar del estudio detallado de las corrientes de viento que es gobernado por diferencias de presión debido a fuerzas de convección en configuraciones de espacios interiores, algunos estudios analíticos han demostrado que es posible validar dichas configuraciones bajo la perspectiva de modelos de turbulencia RANS[5] con alto número de Reynolds a través del contraste con monitoreos experimentales. El estudio de Stavrakakis en CFD analiza la distribución de velocidad y temperatura en cámaras de prueba considerando ángulos de incidencia del viento para identificar patrones de flujo en arreglos asimétricos de entrada-salida del flujo de viento. Sus resultados demostraron que la rugosidad del terreno y el ángulo de incidencia no tienen impacto significativo en la fluctuación de los resultados calculados con respecto a los reales (Stavrakakis et al., 2008).

Por su parte, Priyadarsini estudió los edificios departamentales de rápido crecimiento, conocidos como HDB, que emplean la ventilación natural como eje rector de diseño arquitectónico. La investigación empleó un modelo a escala de un departamento de cuatro habitaciones en un túnel de viento para determinar el desempeño del sistema stack. Se realizaron pruebas con cuatro modelos que tenían diferentes tamaños y distintas ubicaciones en el departamento. El estudio mostró que el stack pasivo que incorporaba el principio de convección natural en el flujo de viento no aumenta la velocidad de viento en el departamento; sin embargo, el stack activo que operaba con base en el efecto de succión inducido por un ventilador adaptado al final del dispositivo conlleva a un significativo aumento en la velocidad del viento en las habitaciones (Priyadarsini, Cheong & Wong, 2004).

En Japón, Akashi Mochida implementó un sistema de simulación para evaluar la ventilación cruzada y protección solar de árboles como elementos de enfriamiento pasivo con la influencia de la distribución espacial del microclima circundante de los edificios; de esta manera, se consideró la transferencia de calor por medios convectivos en CFD y radiativos a través del cálculo de superficial en muros con el efecto de sombreado de árboles. Dichas variables fueron consideradas cargas térmicas en el software de simulación en estado dinámico TRNSYS® y definidas como condiciones de frontera en una simulación macroscópica. Los resultados mostraron que el análisis macroscópico de los ambientes circundantes tiene un efecto significativo en el ambiente térmico interior de los edificios (Mochida, 2006).

Investigadores malayos han abordado los efectos de la ventilación nocturna como técnica de enfriamiento en ambientes térmicos interiores de edificios residenciales ubicados en zonas cálido-húmedas. Para ello, se identificaron los patrones de uso típico de ventanas y aires acondicionados, posteriormente las temperaturas operativas conseguidas se compararon con la aplicación de estrategias de ventilación natural, y se demostró que la pérdida evaporativa de calor de los ocupantes inhibe el efecto de enfriamiento convectivo en este clima, a tal grado que la ventilación indiscriminada durante todo el día resulta mejor que la nocturna; esto hace patente la necesidad de estrategias de deshumidificación (Kubota, Chyee & Ahmad, 2009).

La ventilación natural unilateral es frecuente en diseños emplazados en entornos urbanos; en Grecia se experimentó con 52 configuraciones distintas y se les comparó con seis modelos de predicción de ventilación. Se analizaron las características de transferencia de masa y energía hasta proponer un nuevo modelo para predecir las tasas de ventilación.

Modelos empíricos simplificados, como el de DeGids y Paff de 1982, ya ofrecían correlaciones generales para calcular el flujo del aire; estas eran expresiones que combinaban el flujo de aire, la diferencia de temperaturas, velocidad del viento y tiempos de fluctuación, pero son deducciones experimentales que no tienen validez general. Modelos de predicción de red como AIRNET (Walton, 1988), BREEZE (B.R.E., 1992), COMIS (Feustel et al., 1990), ESP (Clarke, 1993), NORMA (Santamouris, 1994) y PASSPORT-AIR (Dascalaki et al., 1995) combinan el efecto del viento y la flotación para calcular las diferencias de presión; sin embargo, desprecian los efectos de la turbulencia y las presiones de fluctuación correspondientes.

Los modelos antes previstos se basaban en el balance de flujo de masa en una zona, según como se describe en la ecuación 13.

Donde Qim es la tasa de flujo volumétrico a través de la trayectoria de flujo i del nodo m y ρim es la densidad del flujo de aire a través de la trayectoria de flujo i del nodo m (kg/m^3).

Este experimento se desarrolló en la planta baja del edificio multinivel del IMPAE[6], que fue estudiado en un túnel de viento, mientras que un modelo a escala 1:125 fue probado con un amplio rango de velocidades y direcciones de viento, con el fin de aislar los flujos de aire alrededor del edificio, también se monitorearon diversos puntos al interior en comparación con los diversos modelos de predicción citados. La investigación encontró que, cuando las fuerzas de inercia son más importantes que las fuerzas gravitacionales, existe una diferencia sistemática entre los valores teóricos y los experimentales, por lo que se propuso un factor de corrección basado en los factores climatológicos y geométricos de cada configuración (Dascalaki, 1995).

Conceptos como el porcentaje de ventilación apropiada de espacios habitables han resultado de la incorporación de modelos de análisis de ventilación en zona-nodo y CFD, este parámetro gradúa el nivel de reducción del periodo de climatización artificial por medio del uso de la ventilación natural como estrategia de diseño bioclimático en un espacio logrado con el tratamiento adecuado de la envolvente arquitectónica y la optimización de flujos de viento (Bastide et al., 2006).

Posteriores investigaciones en Reino Unido detallaron la aplicabilidad de la ventilación nocturna en edificios de oficinas climatizados que emplean la denominada “NiteCool: herramienta de prediseño de ventilación nocturna para oficinas”, que combinaba modelos de cálculo eólico del manual de CIBSE[7] y de simulación térmica con el método 3TC del software del B.R.E.[8], en donde cada cuarto es modelado como una red de capacitancias y conductancias usando tres constantes de tiempo extraídas de información climatológica, para estimar el potencial de ahorro energético y el mejoramiento de las condiciones de confort a través de la aplicación de enfriamiento mediante ventilación nocturna, con el fin de 1) reducir las temperaturas máximas extremas, 2) reducir las temperaturas interiores matutinas, 3) reducir las temperaturas en losas y, sobre todo, 4) tener un manejo adecuado del periodo de retraso térmico en la envolvente arquitectónica. Los resultados indicaron que existe un ahorro energético de 5% (Kolokotroni & Aronis, 1999).

Debido a la complejidad de la fenomenología involucrada en los estudios de ventilación de confort y sus implicaciones en el desempeño energético de las edificaciones, se ha hecho patente la necesidad de herramientas más sofisticadas (ver el cuadro 4).

La radiación solar como mecanismo de transferencia térmica

Dentro del ambiente térmico, el elemento de mayor aportación energética es la radiación electromagnética de energía proveniente del sol, su caracterización permite la correcta toma de decisiones en cuanto a producción eléctrica fotovoltaica, sistemas solares pasivos, así como criterios de diseño bioclimático. Conocer las irradiaciones global, directa y difusa en superficies horizontales e inclinadas es de vital importancia. Por ello, es preciso contar con bases de datos que permitan diseñar, simular y evaluar el desempeño de dispositivos que implican energía solar.

Inicialmente, los estudios estimaban la radiación solar diaria promedio mensual con base en horas de insolación medidas en heliógrafos Campbell-Stokes y posteriormente de manera directa mediante piranómetros de cúpula en estaciones meteorológicas terrestres (ver figura 17). Los parámetros meteorológicos normalmente implicados son la HR, TBS, altitud, nubosidad, así como la heliofanía relativa. Esta última estima la cantidad de radiación dispersada por la atmosfera; i.e., radiación difusa como un parámetro primordial de correlación con la radiación global.

El registro in situ de datos de radiación solar en planos horizontales es relativamente sencillo en las estaciones meteorológicas; no obstante, el cálculo de la radiación solar total sobre una superficie inclinada es un problema que excede la traslación geométrica de valores horizontales, ya que el cálculo de la componente difusa es un problema que depende de su distribución en el hemisferio celeste, de las condiciones de nubosidad y de la turbiedad atmosférica. Por tal motivo, se han desarrollado modelos de estimación que pueden clasificarse en isotrópicos y anisotrópicos. Los modelos isotrópicos asumen que la intensidad de la radiación difusa del cielo es uniforme, mientras que los anisotrópicos consideran que la distribución de la radiación difusa del cielo es irregular, una de las clasificaciones más usadas se presenta en el cuadro 5.

Con base en lo anterior, estudios en la Universidad de Córdoba, España, evaluaron el rendimiento del modelo isotrópico de Liu y Jordan (1960) y los anisotrópicos de Hay y Davies (1980) y Reindl (1990) para estimar, por medio de la irradiación difusa horaria en superficies inclinadas en relación con datos registrados en sitio durante tres años, el promedio mensual horario de energía utilizable. Los valores calculados se contrastaron con los valores registrados a través de métodos estadísticos RMBE[9] y RRMSE[10]. Los autores concluyeron que los tres modelos subestimaron el cálculo de la radiación, sin embargo, el modelo de Reindl alcanzó los resultados más precisos pese a la simplicidad del modelo (Posadillo & López Luque, 2009).

El mismo año se presentó en la India otro estudio comparativo de campo en relación con cuatro modelos de cálculo de la irradiación en planos inclinados. Para delimitar la desviación de los valores de radiación difusa calculados con los modelos Circunsolar, Isotrópico, Klucher, así como Hay y Davies, emplearon los métodos estadísticos RMSE, MBE[11] y MPE[12]. El esquema anisotrópico de Klucher reportó el porcentaje de error más bajo, pues incorpora condiciones de nubosidad del cielo en su modelo matemático (Pandey & Katiyar, 2009).

En Padova, Italia, se analizaron cuatro modelos para el cálculo de radiación global y difusa en planos inclinados: Liu-Jordan (1963), Klucher (1979), Pérez (1990) y HDKR de Reindl (1990), a partir de la integración de correlaciones experimentales de fracción difusa como variables de cálculo en modelos de transposición anisotrópica. Se estudió la incidencia solar en planos inclinados a 20° y 40° orientados al sur y 45° y 65° al este; los resultados se analizaron con métodos estadísticos RMSE, MBE, MAE[13] y ME[14]. Se concluyó que las correlaciones de fracción difusa empleada sobreestiman los datos medidos en sitio; es decir, explicado a través de la correlación de Erbs et al. (1982), indica que entre más grande el ángulo azimutal, mayor la imprecisión (Padovan & Del Col, 2010). Mientras que al medir la irradiación global los modelos anisotrópicos de Pérez et al. y Reindl et al. (HDKR) mostraron valores más cercanos, que son altamente recomendados cuando solo se dispone de la radiación global horizontal (Padovan & Del Col, 2010).

Los estudios comparativos iniciales se dedicaron a verificar el desempeño de modelos para estimar la radiación global total diaria en superficies inclinadas. Otros trabajos realizan este tipo de comparativos a partir de mediciones realizadas en uno o varios planos inclinados. Tal es el caso de Nijmeh y Mammlook, quienes analizaron el desempeño de dos modelos de cálculo de radiación en planos inclinados (Hay y Liu-Jordan) a partir de datos medidos en radiación en una superficie horizontal y sobre una superficie inclinada a 45° con orientación sur en Amman, Jordania. Los métodos estadísticos utilizados para el análisis de los resultados fueron MBE y RMSE. El modelo de Liu-Jordan tuvo una variación entre 3.6% y 25.7% y el modelo de Hay entre 3.5% y 25.6% del RMSE. Para el MBE, el modelo de Liu-Jordan dio resultados ligeramente mejores en los meses de verano y el modelo de Hay tuvo mejor desempeño en el resto de los meses. Los autores concluyen que, a pesar de la limitada disponibilidad de datos, los modelos son recomendables para proponer una orientación óptima (Nijmeh & Mamlook, 2000).

Tras una revisión estadística y una comparación cualitativa por medio de índices estadísticos de los modelos de cálculo de irradiación solar horaria en planos inclinados, isotrópicos (Liu-Jordan, Koronakis, Jiménez-Castro, Badescu y Tian) y anisotrópicos (Bugler, Temps-Coulson, Klucher, Ma-Iqbal y Reindl), Mehleri et al. identificaron el de mejor desempeño para la región de Atenas. Una vez que se identificaron los modelos de Tian y Badescu como los de mejor desempeño, fue posible desarrollar una red neuronal artificial que predice la irradiancia solar global en planos inclinados.

Lo anterior fue posible al usar como constantes empíricas los datos monitoreados in situ de radiación extraterrestre, irradiación solar global en superficies inclinadas, el ángulo cenital solar y el ángulo de incidencia solar en planos inclinados (Mehleri, 2010).

Por su parte y de la misma forma, componentes de la irradiación solar, tales como radiación difusa, global y directa en el plano horizontal, fueron usados como datos de entrada en un complejo estudio de validación de siete modelos de radiación solar que se emplearon para estimar las cargas térmicas en fachadas según los códigos de simulación energética de edificios; los modelos de radiación empleados fueron: 1) cielo isotrópico, 2) Klucher, 3) Hay-Davies, 4) Reindl, 5) Muneer, 6) Pérez 1987 y 7) Pérez 1990. Los códigos de simulación energética incluidos fueron: EnergyPlus, DOE-2.1E, TRNSYS-TUD y ESP-r. Con fines de validación, se empleó información de radiación solar concerniente a un periodo de 25 días. Loutzenhiser discute finalmente las implicaciones de las irradiancias solares estimadas en los modelos de cálculo y el comportamiento de la carga térmica de enfriamiento prevista para los edificios (Loutzenhiser et al., 2007).

En Egipto, se analizaron los valores horarios medios de radiación solar total, directa y difusa incidente en planos inclinados, el periodo registrado (1990-210) con pirómetros Eppley de alta precisión y piranómetros SBS equipados con bandas de sombreado calibrados según la referencia radiométrica mundial (WRR). Los resultados medidos y analizados según los índices estadísticos MBE, RMSE, MPE y R_2 fueron comparados con los estimados en distintos ángulos de inclinación: 0, 15, 30, 45, 60, 75 y 90° según 11 modelos de radiación. El estudio concluyó que los valores más aproximados resultan de utilizar el modelo de Hay, Skartveit-Olset y Pérez et al. (Khalil & Shaffie, 2013).

Gueymard estudió la incertidumbre en la predicción de la radiación solar en superficies inclinadas con particular interés en aplicaciones de ingeniería, para ello usó sistemas de seguimiento a dos ejes y superficies fijas inclinadas a 40 y 90°, para ello comparó los modelos de radiación de ASHRAE, Gueymard, Hay, Isotrópico, Klucher, Muneer, Pérez, Reindl, Skartveit y Temps para el cálculo de la irradiación sobre una superficie inclinada a partir de datos medidos de radiación global en un plano con orientación sur y 40° de inclinación y un seguidor solar a dos ejes en las instalaciones del NREL en Golden, Colorado. Los datos se obtuvieron de la combinación de pirheliómetros avanzados que proveen medidas óptimas de radiación directa y difusa para simular finalmente el valor de radiación global con una ecuación fundamental.

Se usaron modelos de transposición comunes: Carr (2005), Loutzenhiser et al. (2007), entre otros; los resultados se analizaron estadísticamente y se concluyó que la mayor parte de incertidumbre en la predicción de superficies inclinadas en sitios soleados deriva de modelos empíricos no medidos localmente (Gueymard, 2009).

Por su parte, en el Laboratorio de Energía Solar de La Universidad Ben-Gurión del Néguev se comparó el desempeño relativo de 11 modelos para el cálculo de radiación en superficies inclinadas a partir de datos medidos para una superficie inclinada a 40° al sur con cuatro tipos de cielo (despejado, parcialmente nublado, nublado y cualquier tipo de cielo-general). El análisis de datos se elaboró a partir de SD[15], AS[16], t-statistic y K&R (Kudish-Rahima). Se señala que el modelo de Muneer se comporta de manera estable ante las condiciones de cielo nublado, mientras que el de Ma-Iqbal fue el mejor para las condiciones de cielo parcialmente nublado y despejado. En cuanto a las condiciones generales, el modelo de Ma-Iqbal fue el que obtuvo datos más precisos, seguido por el modelo de Pérez (Evseev & Kudish, 2009).

Cucumo et al. evaluaron cuatro modelos de radiación en planos inclinados (Isotrópico, Hay-Davies, HDKR –Hay, Davies, Klucher y Reindl– y Pérez 1990) con cinco diferentes modelos de correlación para la división de los componentes de haz de radiación y radiación difusa. En general, las desviaciones medias estuvieron en un rango de 10% para todos los modelos, excepto la orientación norte con 20%. En la orientación sur el más preciso fue el modelo Isotrópico, en la orientación oeste el mejor fue el modelo de Hay y Davies y en la orientación norte el mejor fue el modelo de Pérez 1990. A pesar de que, en general, el modelo que reportó mejor desempeño fue el de Pérez 1990, los autores comentan que una correcta elección del modelo de transposición es más importante que la elección del modelo de radiación para planos inclinados (Cucumo, 2007).

Como se aprecia, en su totalidad las investigaciones abordan cuantitativamente el cálculo de la componente difusa de la radiación en planos inclinados con distintas orientaciones, las tendencias muestran la utilidad de integrar constantes empíricas del sitio a los modelos para obtener aproximaciones más precisas y poder a su vez predecir, por medio de simulación, el comportamiento de tecnologías, dispositivos o edificaciones (ver el cuadro 6).

LA ENVOLVENTE ARQUITECTÓNICA: LA CONDUCCIÓN TÉRMICA DE LOS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS

El papel de la masa e inercia térmica

Diversos estudios reportan la importancia de la masa como una variable de control en la reducción de cargas térmicas al interior de los espacios, la cual está conformada por la envolvente de los edificios, muros divisorios e incluso el mobiliario y que puede usarse como medio de almacenaje térmico diurno de descarga nocturna. Particularmente útil durante el invierno, en edificios comerciales puede contribuir hasta con 20% de ahorro una vez definido el periodo de retraso térmico; la literatura indica que es efectivo si la oscilación térmica exterior es mayor a los 10°C. En este sentido, varios autores han estudiado la distribución, carga y descarga térmica de los materiales, sus propiedades termofísicas: apropiada densidad, alta capacidad térmica, así como un valor de conductividad térmico moderado, al igual que materiales con alta difusividad.

Se distinguen dos casos de distribución y localización de la masa térmica: directa, donde el material recibe la energía de la radiación en muros exteriores, y la indirecta, por radiación infrarroja y convección del aire interior a través de cuerpos opacos o muros interiores. También se ha comprobado que el aislamiento deteriora el desempeño de la masa térmica y que la ventilación ayuda a la pérdida convectiva de calor en la envolvente. La tasa de ventilación nocturna horaria sugerida para tal efecto es de 90 m3/hr por metro cuadrado habitable, según los aspectos de ocupación.

En Grecia, se analizó el efecto de la masa térmica en 16 modelos simplificados, donde se estudió la interacción de parámetros denominados CLTD[17] y CLF[18] en un método de cálculo propuesto para determinar el impacto de la masa térmica en edificios de envolvente ligera, normal y pesada.

Al asumir que un edificio de alta masa térmica tiene una baja fluctuación térmica, se ha evaluado la efectividad de distintos niveles de masa asociados con técnicas de ventilación y sombreado para disminuir los picos de temperatura interior; así, se ha logrado determinar que la ventilación térmica tiene efectos significativos solo cuando los edificios tienen alta masa y que se maximiza el impacto cuando cambian los colores de la envolvente, lo que modifica los valores de absorbancia térmica de la misma (Balaras, 1996; Givoni, 1998).

Años después, Ogoli retomó estos precedentes a través de un modelo de arquitectura paramétrica para establecer una fórmula de predicción de ambientes térmicos interiores en edificios con distinta masa térmica en la franja ecuatorial de Nairobi, Kenia. Para ello, usó cuatro diferentes configuraciones de cubiertas y dos tipos de muros, piedra natural y paneles de madera para establecer coeficientes de descarga térmica. Los resultados indicaron que esto puede ser determinado por medio de la observación de la TBS, TBH y la TMR (Ogoli, 2003).

Por su parte, Roucoult propuso una caracterización simplificada de la inercia térmica como parte de la instalación de un sistema de enfriamiento en verano, usando la ventilación de enfriamiento nocturna con base en estudios previos que demuestran la inercia térmica de los edificios y la variación de las tasas de ventilación. El estudio demostró que la noción de masa térmica es insuficiente como medio de incorporación de la inercia térmica en el enfoque sobre un sistema de ventilación nocturna, pues es necesaria la observación de los efectos convectivos de la ventilación, especialmente la nocturna (Roucoult, Douzane & Langlet, 1999).

Posteriormente, Shaviv calculó la influencia de la masa térmica y la ventilación nocturna en las temperaturas interiores máximas asumiendo que la temperatura interior guarda una relación linear con la oscilación térmica exterior y las tasas de ventilación nocturna. El estudio simula cuatro escenarios en cámaras de prueba: 1) sin ventilación nocturna, 2) con ventilación natural nocturna, 3) ventilación forzada nocturna y 4) ventilación forzada nocturna con cuatro niveles de masa térmica y tasas de ventilación. La simulación se llevó a cabo en cuatro localidades de Israel. Los resultados mostraron que, en un clima cálido húmedo, es posible una reducción de entre 3 y 6°C en un edificio de alta masa térmica sin necesidad de operar una unidad de aire acondicionado (Shaviv, Yezioro & Capeluto, 2001).

En contraposición a Shaviv, Yam definió un modelo ideal de edificio naturalmente ventilado que permite un estudio teórico de la masa térmica con el asociamiento no-linear con la tasa de flujo y temperatura del aire. Cuando la tasa de ventilación es constante, ambos (tanto la tasa de cambio como la fluctuación de la temperatura interior) son determinados por una constante de tiempo del sistema y su coeficiente de transferencia de calor convectivo. Cuando la tasa de ventilación es una función de la diferencia de temperatura interior-exterior, se propone el factor de masa térmica y el parámetro de cambio de aire por coeficiente de transferencia de calor. Este número de masa térmica mide la capacidad térmica, en lugar de la cantidad de masa térmica.

Así pues, la fase de cambio de la máxima temperatura interior, que está inducida por el suministro directo de aire exterior, es de seis horas. Cuando los edificios son ventilados naturalmente, la masa térmica puede ser usada para regular las temperaturas interiores, lo que reduce las temperaturas máximas y amortigua las oscilaciones. Sin embargo, existen al menos dos dificultades significativas asociadas con la ventilación natural y la masa térmica. En primer lugar, las tasas de ventilación no son constantes, pues la abertura de puertas y ventanas siempre es afectada por la actividad humana. En segundo término, los flujos de ventilación natural también dependen de variables térmicas y cambio en el régimen de viento.

El estudio concluyó que es posible diseñar un sistema con un tiempo de predicción del retraso para edificios ventilados usando métodos simplificados. También se demostró que el periodo máximo de retraso sin control es de seis horas en un edificio, ya sea ventilado natural o mecánicamente, aunque la no-linealidad del sistema no afecta significativamente el comportamiento general (Yam, Li & Zheng, 2003).

En California, se formularon estrategias de diseño para la programación de un termostato con una microcomputadora que regulaba el flujo de aire exterior de acuerdo con las necesidades térmicas interiores de enfriamiento por medio de la activación de ventiladores, lo que permitió establecer el impacto del tamaño de las ventanas y la masa térmica utilizando variables de desempeño, como la comparación de TBS máxima, el cociente de diferencia de temperatura y el porcentaje de horas con sobrecalentamiento. Los resultados mostraron que este tipo de dispositivos son efectivos y que las variables de mayor afectación son la tasa de ventilación, el límite inferior de confort, la capacidad térmica del edificio y las ganancias solares en las ventanas (La Roche & Milne, 2004).

Yang, a su vez, demostró la relación entre la masa térmica y el consumo de energía de climatización al analizar un modelo de edificio de oficinas con aire acondicionado durante el día y enfriamiento libre durante la noche. Identificó que la constante de tiempo puede reducir efectivamente la carga de enfriamiento hasta en 60% cuando la constante de tiempo es mayor a 400 horas, sin embargo, cuando es mayor a 1 000 horas la liberación de calor por efecto de la masa puede incrementar la carga de enfriamiento, pues esta se realiza hasta el día siguiente, por lo que los coeficientes de transferencia de calor interiores y exteriores tienen que ser contrastados adecuadamente.

El modelo simplificado de edificio permitió examinar los beneficios horarios de usar la masa térmica y la ventilación nocturna. El análisis cuantificó la dependencia de la carga de enfriamiento en las propiedades térmicas de los materiales de la masa térmica, lo que incluyó la constante de tiempo y los coeficientes de transferencia de calor convectivo (interior-exterior) como los que producen mayor impacto. Los resultados mostraron que solo la apropiada cantidad de masa térmica, al combinar propiedades térmicas y transferencia de calor convectivo, aunado a condiciones climáticas favorables, beneficia directamente (Yang & Li, 2008).

Por su parte, Zhou estudió los efectos de transferencia de calor entre la masa térmica exterior e interior de tres distintos métodos de acoplamiento; para ello, utilizó seis configuraciones de muros de distinta masa con y sin aislamiento, bajo el entendimiento de que los muros exteriores son generalmente estructuras multicapa que reciben la incidencia solar directa, por lo que debe de estimar la temperatura sol-aire bajo la ecuación donde To es la TBS exterior, α el índice de absortividad de la radiación solar, I es la radiación solar global y ΔQir la radiación infrarroja adicional debido a la diferencia entre la temperatura del aire exterior y la temperatura del cielo aparente.

El estudio concluyó con un énfasis en la influencia de las distintas configuraciones de muros exteriores en muros interiores adiabáticos para orientar a los arquitectos en los criterios de diseño de masa térmica interior que propicien un ambiente térmico favorable (Zhou et al., 2008).

De manera reciente, estudios han llevado a cabo monitoreo de edificios con alta masa térmica en distintas localidades de climas áridos de Israel; por ejemplo, en Sde Boqer, con el fin de predecir la temperatura interior y el desempeño interior con la comparación de estrategias de diseño distintas: enfriamiento evaporativo directo, conocido como sistema IEPCS, usado en Maracaibo. Lo anterior por medio de la sustitución de condiciones ambientales como límites de frontera en el sistema para mejorar el desempeño del enfriamiento evaporativo en climas áridos (Krüger, González & Givoni, 2010).

Procedimientos de caracterización de las propiedades termofísicas de los elementos constructivos

Una vez que se definió el clima como agente de aportación energética, así como sus principales medios de transmisión, es indispensable la estimación de la transferencia de dicha energía a través de los materiales constructivos. El adecuado manejo de la masa térmica de los materiales constructivos, como elemento de diseño pasivo, permite retrasar las temperaturas mínimas y máximas extremas ambientales, así como reducir su rango de oscilación al llegar al interior de las edificaciones, con el fin de conservar las condiciones de habitabilidad térmica. Debido a que este tipo de medidas se toman en la fase inicial de diseño, es indispensable contar con información accesible acerca de las características de los materiales de construcción a emplear.

En este sentido, es necesaria la caracterización mecánica y termodinámica de los materiales, incluso estudios recientes plantean la importancia de la selección adecuada de materiales en su vida útil incorporando análisis adicionales de ciclo de vida y diseño regenerativo[19] (Silvestre, De Brito & Pinheiro, 2014).

Son cada vez más frecuentes las aproximaciones multidisciplinarias que recurren a información inventariada de los materiales de construcción para abordar la influencia económica y ambiental de su selección adecuada como componentes estructurales, térmicos e incluso superficiales en las edificaciones sustentables. A través de esquemas selectivos de edificación de sistemas constructivos, es bien sabido que los profesionales de la industria de la construcción también buscan la mitigación del calentamiento global mediante los análisis de los materiales con menores emisiones de dióxido de carbono (Kadir, Marsono & Balasbaneh, 2015; Takano, Hughes & Winter, 2014).

En pos de lo anterior, se han desarrollado estudios para la selección multicriterio de materiales con sistemas de evaluación de gases de efecto invernadero integrados en los materiales de construcción empleados en edificios verdes con respecto a normas internacionales, como en Corea con la norma ISO 14040 (Roh, Tae & Shin, 2014). Para ello, es necesario estudiar la eficiencia energética en la creación de ambientes vernáculos, donde el impacto de los materiales de construcción repercute en la generación de microclimas interiores al usar métodos tradicionales que sean a la vez sostenibles y ecológicos (Almusaed & Almssad, 2015). Investigaciones en sitios históricos de Italia demuestran, a través del software ENVI-MET®, cómo se generan escenarios a partir del uso de materiales de alto albedo, que pueden reducir la carga térmica de los edificios que generan alto estrés térmico a los peatones que interactúan con ellos (Salata et al., 2015). Sin embargo, para la selección de materias primas –que lleve a la manufactura de materiales–, el diseño de sistemas constructivos y su integración en diseños arquitectónicos, es necesario observar las dos vertientes del impacto ambiental y el consumo energético de las edificaciones: la energía integrada y la energía operativa. La primera, que atiende los flujos del ciclo de vida de los materiales, y la segunda, que observa la interacción de la envolvente arquitectónica por medio de los materiales de construcción y el medio ambiente físico natural para la generación de los mencionados microclimas.

Como propósito preliminar de este estudio, se responde a la necesidad de indagar métodos experimentales asequibles de caracterización térmica de los materiales de construcción como herramienta indispensable en los procesos de toma de decisión en la etapa inicial de diseño en circunstancias en las cuales es imposible disponer del instrumental sofisticado necesario.

Existe una inmensa cantidad de estudios de caracterización de materiales de construcción, desde aquellos con fines estructurales que aprovechan análisis paleosismológicos, que utilizan avanzadas herramientas arqueomagnéticas y de datación radiométrica (Benjelloun et al., 2015), hasta aquellos que pretenden determinar niveles de humedad crítica de los materiales para evitar su deterioro por agentes biológicos (Johansson, Ekstrand-Tobin & Bok, 2014), que parten de normas como la ASTM C272/C272M12. No obstante, de manera constante, los estudios se centran en la determinación de las propiedades superficiales y mecánicas de los materiales.

No fue hasta fechas recientes que la caracterización de las propiedades térmicas comenzó a ser ampliamente estudiada. Entre las normas que extensivamente han estandarizado la metodología para determinar estas propiedades encontramos la ISO 8302 o la ASTM C177-97, cuyo principio radica en establecer un gradiente térmico en régimen estacionario a un espécimen de espesor conocido con una prueba de placa caliente protegida, lo que involucra rigurosos ambientes de laboratorio (ASTM International, 1997; ISO, 1991).

Por su parte, las normas ASTM C1363-05 e ISO 8990 miden la resistencia térmica total de un espécimen sujeto a un gradiente térmico por medio de un dispositivo de caja caliente. La principal crítica se basa en que se requieren largos periodos de prueba, así como numerosas restricciones normativas aplicables a robustos arreglos experimentales en ambientes controlados que demandan elevados costos y sofisticadas herramientas de ensayo (Derbal et al., 2014; ISO, 1994). Otras pruebas, como la ISO 8301:1991, están orientadas al uso de medidores de flujo térmico e involucran la interacción de radiación, conducción y convección aunado a la trasferencia de masa, papel especialmente importante en ambientes húmedos; por ello, la interpretación de resultados experimentales requiere sumo cuidado (ISO, 1991).

Otras normas, como la ASTM D5334-14, presentan un procedimiento para determinar la conductividad térmica (λ) de suelos o rocas suaves al usar un método de transferencia de calor en estado transitorio que solo es aplicable para materiales secos y homogéneos en condiciones de temperatura de entre 0 y 100°C; utiliza sondas de aguja, por lo que es necesaria la perforación previa de los especímenes, con lo que la calidad de los resultados producidos por la prueba depende en mucho de la instrucción profesionalizada del personal que la ejecuta, así como de su equipamiento y las instalaciones en las que opera (ASTM International, 1997).

En México, las normas oficiales regularmente armonizan con las normas internacionales. La norma NMX-AA-164-SCFI-2013, por ejemplo, es de carácter voluntario y orienta sus directrices a edificaciones de todo tipo con esquemas de consumo energético eficiente mediante el uso de electrodomésticos de bajo consumo eléctrico, ahorradores de agua y para abordar cuestiones de envolvente arquitectónica; solo de manera tangencial induce el uso de las normas NOM-020-ENER-2011 y NOM-018-ENER-2011, esta última trata los aislantes térmicos en las edificaciones (SE, 2013; Segob, 2011b; Sener, 2011).

Las normas mexicanas para determinar la transmisión térmica en régimen estacionario de materiales termoaislantes NMX-C-181-ONNCCE-2010 y NMX-C-189-ONNCCE-2010 se basan en el uso de medidores de flujo de calor y aparato de placa caliente aislada, respectivamente, para establecer la conductividad térmica de los materiales. Instruye al fabricante a indicar el valor del material termoaislante a evaluar, el espécimen de ensayo a una temperatura media de 24 ºC mediante el sometimiento de evaluación de una muestra de 30 x 30 centímetros con un espesor determinable y dos piezas adicionales de verificación con una variación siempre menor a 10% (Segob, 2010; 2011a).

Toda la normatividad que se señaló necesita instrumental de laboratorio de elevado costo, por lo que diversos estudiosos se han dado a la tarea de desarrollar la simulación experimental como una herramienta poderosa para diseñar un óptimo escenario experimental antes de llevar a cabo pruebas reales, ya que la mejor configuración deriva de la minimización de la función del costo que representa el error promedio en la identificación como función del diseño de las variables, pues la construcción material de los posibles experimentos de prueba no es viable debido a la infinidad de posibilidades existentes (Rossi & Pierron, 2012).

LOS PARÁMETROS AMBIENTALES EN LA VENTILACIÓN

La ventilación natural recae fundamentalmente en las condiciones del medio ambiente exterior, al igual que en aspectos geométricos y físicos del diseño tanto de los espacios a ventilar como de los dispositivos de ventilación. Para propósitos de la presente investigación, en los dos apartados subsiguientes, se clasificaron, a través de la revisión de la literatura, los parámetros ambientales determinantes en la ventilación natural.

Temperatura: convección natural en los dispositivos de ventilación

En este sentido, entendemos los efectos convectivos derivados del diferencial de temperatura en estratos de aire que generan fuerzas de succión o forzamiento. Bansal propuso un sistema de acoplamiento de una serie de chimeneas solares con colector de placa plana al sotavento de una torre de viento con sección transversal conectada a cuartos de prueba empleando métodos analíticos de iteración y coeficientes de presión, así como balance energético en la serie de chimeneas para determinar el diferencial de presión ejercido por ambos dispositivos en conjunto, para ello definió una serie de parámetros geométricos y termofísicos. El efecto mecánico y convectivo del sistema presupone un ángulo de incidencia constante y un flujo másico calculado como función de diferentes intensidades de radiación solar. Los resultados mostraron incrementos considerables respecto a una torre de viento convencional, mostrando tasas de flujo másico a partir de una incidencia solar de 200 W/m^2 y particularmente a velocidades bajas de 1 m/s (Bansal, Mathur & Bhandari, 1994). Cabe mencionar que el autor considera constantes empíricas extraídas de la literatura y desestima el aspecto de sombreado y de balance térmico en la torre de viento, al considerarla exclusivamente como captador eólico, por último utiliza un modelo simplificado de radiación.

Por su parte, Hughes estimó el efecto de presión interna y velocidad provocado por el distinto arreglo de las persianas que actúan frente a los vientos dominantes en los dispositivos comerciales, conocidos como windvents, instalados con asiduidad en cubiertas europeas; para ello, emplea análisis numéricos por medio de código CFD. El interés principal es estudiar, bajo la teoría aerodinámica, el denominado ángulo de ataque como factor dominante en la separación de microflujos de viento.

Para lo anterior, se modelaron escenarios de simulación con arreglos geométricos de inclinación de las persianas del dispositivo en incrementos de 5° en un rango de 10 a 45° con respecto a una incidencia de viento laminar horizontal y un difusor, con el método de volumen finito en FLUENT y el modelo de turbulencia K-épsilon. Los resultados fueron validados con un modelo a escala y demostraron que, cuando las persianas tienen una inclinación de 35° con los parámetros y condiciones de frontera establecidos, propician mayor enfriamiento convectivo (Hughes & Ghani, 2010).

Debido al auge de las fachadas acristaladas de doble piel –no solo por aspectos de conservación de energía, sino por su posibilidad de ofrecer buenas condiciones de temperatura interior–, se desarrollaron investigaciones como la de Ding en Japón, en la que se propone un prototipo de edificación con un atrio en su lado norte, mientras que en el lado sur una fachada acristalada de doble piel y un espacio de almacenaje de calor llamado chimenea solar, que es albergado en la cubierta de la fachada. Para analizar este modelo a escala, Ding se auxilió del uso de la dinámica de fluidos computacional (CFD), con el fin de demostrar el incremento en la tasa de ventilación propiciada por el diferencial de temperaturas generadas por el atrio y el canal de viento de la fachada acristalada de doble piel con resultados significativos (Ding, Hasemi & Yamada, 2005).

Por su parte, Burek y Habeb reportaron investigaciones experimentales sobre transferencia de calor y flujo de masa en calentadores de aire termosifónicos, muros Trombe y chimeneas solares. Para ello, destinaron un canal de viento abierto al final y de costados cerrados ensamblado a un colector solar o chimenea de aproximadamente un metro cuadrado. Para el manejo de ambientes controlados, se suministró una entrada de calor en un rango de 200w a 1000w, mientras que la profundidad del canal se encontraba entre los 20 y 110mm. Se mostró que el flujo de aire en el canal fue una función tanto de la entrada de calor como de la profundidad de canal y que la eficiencia térmica del colector solar fue una función tan solo del suministro de calor, mas no de la profundidad del canal (Burek & Habeb, 2007).

A diferencia de lo que plantea Bansal, en la presente investigación se propone la evaluación del recurso solar incidente con un modelo de radiación anisotrópico para determinar el potencial de ventilación a través de la extracción pasiva de un modelo de chimenea de placa plana; esto es particularmente importante debido a la dinámica real de aportación energética del medio ambiente térmico en distintas temporadas climáticas, donde participan de manera combinada los efectos de la radiación electromagnética y el enfriamiento-calentamiento convectivo a causa de los vientos dominantes de la localidad en cuestión.

Para lo anterior, se utilizó un archivo climático generado por algoritmos de interpolación espacial en el software Meteonorm® en formato de año típico meteorológico, que después fue tratado en procesadores de radiación según el modelo anisotrópico de Pérez, integrados en el software de simulación TRNSYS, modelo que, según la literatura, se ajusta mejor a las latitudes cercanas al ecuador. Finalmente, se lograron establecer herramientas de diagnóstico útiles para validar la correcta inclinación de la placa colectora de la chimenea solar a razón del máximo recurso solar; este tipo de herramientas ha sido extrapolado como elemento preliminar de análisis de energías fotovoltaicas.

Los resultados monitoreados durante una semana, representativa en un modelo a escala instalado en la cubierta de una cámara de prueba, mostraron que el dispositivo es capaz de generar velocidades de extracción similares a una brisa ligera de hasta 0.6 m/s y que el desempeño del mismo es 45% más efectivo durante el día; en total, fue posible la generación de 0.24 cva/hr en las condiciones de prueba (González et al., 2015).

Recientemente, se ha trabajado en la integración y aplicación de sistemas de enfriamiento con torres de viento incorporando HTD[20] y HHTD[21] que permiten el enfriamiento latente del aire cálido del exterior por medio de elementos de alta conductividad que forman parte de un sistema multiseccionado de evaporación, condensación y transición adiabática que conduce fluidos en un serpentín cerrado. En sus estudios, Calautit se asiste de la simulación de modelos CAD en CFD usando diversos modelos de viscosidad a través del código FMV[22], con distintos algoritmos en régimen estacionario provistos en el software ANSYS FLUENT®. Los resultados regularmente son armonizados con maquetaciones a escala 1:10 en un túnel de viento para validar experimentalmente el análisis numérico. Los resultados mostraron que la velocidad promedio interior disminuye hasta en 52% al usar el HTD y que su capacidad de enfriamiento se reduce a medida que aumenta la velocidad del viento en el sistema, velocidades de 1 a 2 m/s mostraron una disminución de hasta 12 K. La figura 19 muestra una secuencia lógica de uno de los trabajos del autor en cuestión (Calautit et al, 2015; Calautit & Hughes, 2014, 2015).

Presión: dirección y velocidad de viento en los dispositivos de ventilación

Pese a que hay países con climatología continental muy distinta, existe un acotado número de dispositivos y elementos de ventilación natural, basados –cuando menos– en alguno de los tres ejes operativos de diseño originados mecánicamente a través de vectores de dirección y magnitud de las corrientes de viento asociadas con la teoría circunscrita en el principio de Bernoulli, estos son: la captación, la conducción y el forzamiento.

Dichos elementos son empleados para incidir habitualmente tanto en las envolventes como en los usuarios por medio del enfriamiento pasivo. Para los propósitos de este estudio, se observan con especial atención las torres de viento y los captadores eólicos por encima de otros dispositivos de ventilación natural señalados en la figura 5 del primer capítulo. La perspectiva histórica y geográfica de los mismos se recapitula en el cuadro 10 de este libro.

Con el fin de conformar una visión crítica, este apartado contrasta los enfoques del revisionismo histórico, cultural, técnico y científico presentado previamente por estudiosos destacados. Mehdi Bahadori, de la Universidad de Shiraz, ya proponía en los años ochenta un diseño mejorado de torres de viento para enfriamiento pasivo y ventilación natural partiendo de una perspectiva histórica, pero aportando elementos de análisis de momento, masa y energía. El autor concluyó que su análisis teórico también sirve como guía de diseño para sistemas pasivos en áreas cálidas y áridas (Bahadori, 1985).

Por su parte, A’zami indaga los aspectos técnicos de las torres de viento en la tradición constructiva de Irán; sin embargo, dirime algunos elementos del diseño por los distintos tipos de torres de viento que existen y su relación con algunos parámetros climáticos de las localidades donde se erigen, así como los componentes estructurales, constructivos y algunos de los aspectos geométricos más destacados de las mismas, tales como la simetría, forma de la planta, tamaño y dimensión, entre otros. No obstante, su estudio es meramente descriptivo y resulta en ocasiones de particular interés para los profesionales iraníes (A’zami, 2005). No así el estudio presentado por Vázquez, quien establece una desambiguación internacional de la denominación técnica existente entre los Bâdgirs, Malkafs, chimeneas de enfriamiento, mirillas y trampillas de respiración, sustentado en una clasificación según las funciones bioclimáticas y los países de origen de las mismas, partiendo de los captadores de viento en Egipto, Pakistán e Irak hasta las torres de viento en Irán y la península arábica. El autor, al hacer un recorrido en el mundo árabe y persa, muestra la arquitectura vernácula emblemática, al tiempo que señala las repetitivas limitaciones interpretativas de los autores anteriores ante fenómenos como la eficiencia energética y los vacíos existentes en la evaluación experimental (Vázquez, 2007).

Hughes, por su parte, discrepa de Vázquez al señalar que los Malkafs no son otra cosa que torres de viento unidireccionales; en su artículo “El desarrollo de las torres de viento comerciales de ventilación natural”, aborda una revisión extraordinaria de la existencia de estos elementos no mecánicos a partir de las variaciones microclimáticas resultantes del aprovechamiento de factores climáticos externos como velocidad, dirección y temperatura de viento, el efecto de barlovento y sotavento en las estructuras, de donde afirma que estas propician 76% más de ventilación que la originada por la convección natural. Incurre, además, en una detallada deconstrucción del diseño de sistemas de torre de viento al abordar aspectos como la dimensión y posicionamiento de aberturas ante el régimen de viento y su relación con el efecto Bernoulli frente al estrechamiento de las secciones y el diseño de los planos divisores interiores e, incluso, estudia la altura aconsejable del canal de la torre auxiliado de un análisis de la turbulencia y utilizar el CFD y túneles de viento para afirmar que, ante un diseño inapropiado la torre, puede funcionar como chimenea solar, lo que está en consonancia con lo que se plantea en el presente documento. Completa la revisión con una mención de los sistemas que incorporan el Bâdgir a sistemas que persiguen técnicas de enfriamiento evaporativo, que se asisten de chimeneas solares, patios interiores, cubiertas curvas e incluso tecnología fotovoltaica y sistemas de control de amortiguamiento con persianas presentes en las versiones prefabricadas que se comercializan con éxito en Europa, algunos ejemplos se aprecian en la figura 19. El estudio concluye con un detallado cuadro resumen que divide los sistemas tradicionales y modernos de TV, los sistemas pasivos a los que pertenecen, sus aplicaciones, limitaciones y los caudales típicos alcanzados, así como los rangos de variación térmica alcanzados en los estudios de caso. Esta investigación es quizá la más completa de la que se pudo echar mano en materia de revisión (Hughes, Calautit & Ghani, 2012).

Recurrentemente se discuten conceptos acerca de los atributos de estos sistemas, donde se enfatiza el poder del viento como energía renovable, su baja incorporación en edificaciones y su drástico menosprecio en climas tropicales. Algunos estudios los categorizan en tres vertientes: vernáculos, modernos y supermodernos, que distinguen entre Malkafs a los captadores eólicos bidireccionales y Bâdgirs a los elementos multidireccionales y monoestacionales, cuyo uso se inhibe en invierno, fenómeno abordado por Policastro, quien propone un modelo de impacto meteorológico que provee una predicción del impacto mensual, estacional y anual sobre las torres de enfriamiento con distintas aberturas (Policastro, 1994).

En este sentido, estudios hidrodinámicos hablan de la ineficiencia de los Bâdgirs con mayor número de aberturas y la relación entre el ángulo de incidencia del viento y el flujo de aire inducido en la torre. Saadatian precisa que la configuración bidireccional con un ángulo de incidencia cero es la que produce los más altos flujos de aire en una torre y que, a mayor velocidad en el viento captado, menor la temperatura inducida (Khodakarami & Aboseba, 2015; Saadatian, 2012).

Para analizar otro aspecto de la eficiencia de un Bâdgir bidireccional, Montazeri presenta una aproximación semiempírica con datos experimentales extraídos de pruebas de visualización de trazas de humo en túneles de viento con modelos analíticos y a escala, a los que incorpora CFD para estudiar coeficientes de presión y flujo volumétrico a razón de ángulos de incidencia distintos. Los resultados indicaron que, a menor perpendicularidad de incidencia del viento, disminuye uniformemente la presión y aumenta la turbulencia interior de los espacios. Su estudio demostró una similitud razonable entre los resultados experimentales, analíticos y simulados en CFD (Montazeri et al., 2010; Montazeri, 2011).

En Madrid, por otro lado, se ha analizado el potencial de enfriamiento evaporativo de un dispositivo cilíndrico, denominado air tree, en el espacio abierto de zonas pedestres; el mismo cuenta con una altura de 18 m y 25 m de diámetro con nueve torres de viento individuales de tallos (toberas) de 1 m de diámetro y 12 m de altura. La metodología de la investigación consistía en establecer en régimen estacionario condiciones de frontera simuladas por velocidades de entre 1 y 9 m/s con dirección perpendicular usando una base climática conformada de una estación climática terrestre cercana, donde se estableció una completa optimización paramétrica de flujo volumétrico, optimización energética, térmica, eólica y la influencia de flujo hídrico y eólico, número y geometría de aberturas y altura de la tobera.

Una de las aportaciones significativas del estudio es el desarrollo de un modelo de predicción térmica que estima la reducción, gracias al sistema, en un máximo de 8 °C. Las conclusiones mostraron que entre más grande sea el área de descarga, menor será la velocidad alcanzada, y que la eficiencia máxima se logra con una sola entrada de aire (Soutullo, Sanjuan & Heras, 2012).

Otros autores líderes coinciden en que los diseños de torre comparativos, que incluían mecanismos de enfriamiento evaporativo, han mostrado un mejor desempeño que el diseño convencional, lo que significa que pueden ser incorporados para contribuir con un ahorro significativo en climas áridos con altas cargas térmicas de refrigeración (Montazeri & Azizian, 2008).

El estudio de Dehghani-sanij propone un sistema de torre de viento instalado en la cima de los edificios orientados a razón del viento dominante con un sistema de seguimiento rotativo, así como la incorporación de una chimenea solar y un captador eólico. Los estudios previos han demostrado que el campo de presión interno y la tasa de flujo de aire inducido son fuertemente influidos por la geometría de la cubierta de las torres. Así pues, se propone un diseño de TV de doble entrada con una columna que puede abrirse/cerrarse, una columna con rieles que permite la desinstalación de la cabeza de la torre y ventanas, y se hace la propuesta de diseños asistidos usando chimeneas solares o ventanas en diseños de habitaciones ideales. Las conclusiones sugieren posibles aplicaciones de torres de viento en edificios comerciales auxiliadas de otros dispositivos, como el Kolah-farangi y canales subterráneos –este tipo de dispositivos siempre está acompañado del uso de sistemas de humidificación–, así como la integración de materiales permeables que favorezcan la iluminación cenital y la adhesión de dispositivos auxiliares según el clima de la región y el potencial que ofrezcan los parámetros climáticos (Dehghani-sanij, Soltani & Raahemifar, 2015).

Los estudios más progresivos se han desarrollado en Reino Unido, debido al amplio uso de las torres de viento comerciales y lineamientos de la BSI[23] para promover la ventilación natural. Hughes ha examinado ampliamente la relación entre los aspectos mecánicos y convectivos de los flujos en prototipos comerciales de torres usando softwares comerciales de simulación de fluidos como FLUENT® y Gambit® con modelo de turbulencia k-e, aunado a las ecuaciones de Navier-Stokes. En un reciente estudio, construyó un escenario de simulación a través de una configuración de dominio multinivel de cálculo por medio de método numérico de FEM[24], donde estableció exhaustivas condiciones de frontera a partir de regiones de cálculo detalladas y un proceso de adaptación de la malla de cálculo para reducir el error (%).

Todo lo anterior fue validado con un modelo experimental full-scale seleccionando condiciones climáticas similares a las de la simulación y normalizando resultados. Las conclusiones del estudio señalan que el efecto de convección es insignificante sin un paso de aire exterior adicional al de la torre y que, cuando se añade alguno en combinación con la convección la eficiencia, incrementa en 47% (Hughes & Cheuk-Ming, 2011).

En México, se estudió la distribución de flujo y transferencia de calor en distintas configuraciones de acoplamiento de TV en edificios usando simulaciones numéricas en CFD con información climática normalizada como condición de frontera para un clima árido y semiárido. Los resultados llevaron a la selección de configuraciones para la captación franca de vientos dominantes, como variables a razón de la distribución, turbulencia y velocidad interior alcanzada. El estudio concluyó con la propuesta de una configuración conformada por la relación ideal entre el diseño curvo de entrada de viento y la localización superior –cercana a la cubierta– de la inyección o paso de viento al interior del espacio estudiado. Los valores resultantes de temperatura de bulbo seco y humedad relativa fueron coordenados para delimitar la condición de confort higrotérmico según el modelo de confort de Olgyay, lo que permite presumir que es posible proveer condiciones de confort en cerca de 50% del área interior analizada (Reyes, 2013).

Cabe resaltar que el modelo citado presenta cierto grado de obsolescencia y es aplicado comúnmente para exteriores, lo que desvirtúa un poco la intención de los autores al incorporarlo como elemento concluyente; sin embargo, es una valiosa aportación que, como muestra el cuadro 11, no se integra en la mayoría de las investigaciones.

LA DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL

En las últimas décadas ha cobrado gran auge el CFD como herramienta para el estudio de la ventilación, esta se entiende como la aplicación de la mecánica de fluidos a través del uso de métodos numéricos y algoritmos para resolver la interacción de fluidos con superficies complejas a través de la simulación computarizada; pese a que permite la incorporación de software, la verificación de los resultados suele realizarse en túneles de viento u otros modelos físicos a escala.

El método consiste en discretizar una región de un modelo tridimensional, esto crea lo que se conoce como malla espacial, que divide una región del espacio en pequeños volúmenes de control. Después, en cada uno de ellos, se resuelve las ecuaciones de conservación discretizadas, de forma que se determina una matriz algebraica en cada celda de forma iterativa hasta que el residuo es suficientemente pequeño, dicha dinámica se muestra en la figura 22.

Estudiosos en China han usado el CFD para analizar un CTM[25] considerando la geometría de un cuerpo humano femenino en posición sedente para estudiar el microambiente alrededor del cuerpo humano con y sin un sistema de ventilación personalizada. En la simulación se aplicó un modelo k–ε y se estimó el flujo de la ventilación personalizada con la norma ASHRAE 55-1992. Los resultados demostraron que la máxima velocidad del aire observada en la habitación por encima de la cabeza del cuerpo humano sentado fue de 0.25 m/s. El coeficiente convectivo de transferencia de calor del cuerpo humano fue de 4.95 W/m^2K, con la temperatura ambiente media en torno a 24 °C y una temperatura del aire de la ventilación personalizada de 20 °C, la temperatura más baja del aire inhalado fue de 25.9 °C, cuando se consigue el máximo nivel de reducción de exposición a contaminantes (Gao & Niu, 2004).

Wong y Heryanto evaluaron el comportamiento de un dispositivo activo de efecto stack con el objetivo de determinar su potencial en residencias en Singapur. Se contempló un modelo de construcción típico de cuatro habitaciones de 100 m2 y 3 m de altura. Por otro lado, el modelo para el túnel de viento se realizó a una escala 1:5 con plástico transparente y madera contrachapada. Las variables consideradas fueron dimensión de 15 x 15 cm o 40 x 40 cm del dispositivo, la cantidad (1 o 2) y ubicación del dispositivo, puerta abierta o cerrada, velocidades de viento de 1.2 m/s o en calma y el ventilador del dispositivo con velocidad de 5.5 m/s o apagado.

Los autores concluyeron que el cerrar las puertas de las habitaciones durante la noche reduce la ventilación natural drásticamente. Además, señalaron que el uso del dispositivo de efecto stack puede incrementar la ventilación natural 47% dentro de las habitaciones cuando el tamaño del dispositivo es mayor, se prende el ventilador y se cierran las puertas (Wong & Heryanto, 2004).

Evola y Popov evaluaron la velocidad y presión del viento en el interior y alrededor de un edificio suponiendo la existencia de ventilación cruzada, ventilación con una abertura en la pared de barlovento y ventilación con una abertura en la pared de sotavento a partir de la ecuación RANS, los modelos k–ε, RNG y el software ACFD. Para facilitar la comparación de los resultados con los modelos construidos y simulados existentes en la literatura, se utilizó un módulo de 2.5 x 2.5 x 2.5 m.

Los resultados demostraron una concordancia entre los datos experimentales y el método RGN, especialmente en los casos de ventilación con una abertura. En general, la discrepancia de la tasa de ventilación es inferior a 10% (Evola & Popov, 2006).

Su et al. evaluaron la tasa de flujo neto de un Monodraught™ ABS 550 considerando diversas velocidades y direcciones de viento emitidos por un ventilador con estabilizador de flujo a un metro de distancia del dispositivo. El sistema contempló una cámara de prueba y una cámara de compensación del mismo tamaño (2 x 2 m) conectadas por un tubo de 100 mm de diámetro. La turbulencia se estimó con el modelo estándar k-ε procesado en el software FLUENT. Los resultados demostraron que la presión de la sala, debido a las aberturas de la pared, es mejor con techo a dos aguas en relación con un techo plano. También se demostró que el efecto de chimenea tiene una consecuencia positiva al limitar las tasas de flujo en el Windcatcher, cuando velocidad del viento es inferior, el efecto es insignificante con respecto a una velocidad de viento más grande (Su et al., 2008).

Saffari y Hosseinnia estudiaron numéricamente un diseño de torre de viento con columnas húmedas en contacto con cortinas colgadas de columna a columna. Los escenarios considerados fueron la variación en la altura de las columnas y velocidades de viento. Se utilizó el algoritmo SIMPLE para las ecuaciones de momento y continuidad, así como el método de volúmenes finitos (FVM) procesados en el software Open FOAM. Los resultados demostraron que las columnas húmedas de 10 m de altura disminuyeron 12 K la temperatura del aire, a la vez que incrementaron la humedad relativa 22% (Saffari & Hosseinnia, 2009).

Gan simuló y comparó los flujos de calor totales y la distribución de calor en las paredes de cavidades con entradas horizontales y verticales; se utilizó FLUENT para determinar el flujo de aire y la transferencia de calor distribuido a las paredes; asimismo, se varió la altura de las cavidades entre 1 y 6 m y su espesor entre 0.1 y 0.6 m. La ganancia de calor fue asimétrica según las necesidades de calefacción y se fijó en 100 W/m^2 con una temperatura ambiente de 20°C. Los autores observaron que la ventilación fue superior con una calefacción simétrica, pero con coeficientes de transferencia de calor inferiores en relación con una calefacción asimétrica. Se observó que, con dos paredes verticales, el calor se distribuye con mayor uniformidad (Gan, 2010).

Diaconu evaluó el efecto de la ocupación en el valor de punto de fusión y la ventilación en el ahorro potencial de energía de un sistema de pared con materiales de cambio de fase (PCM)[26]. La sala de ensayo considerada fue de 6.5 x 4.5 x 2.5 m de alto y los materiales de la pared eran de ladrillo en la parte interior y poliestireno expandido en el exterior; igualmente se contempló una ventana de 2 m^2 y se desestimaron tanto el suelo como el techo. Los datos horarios de la temperatura ambiente se generaron para el periodo de demanda de calor con TRNSYS a partir de un archivo climático TMY2 en Lasi, Rumania. Los resultados demostraron que el valor más alto de ahorro de energía (10 kWh) se presentó con el punto de fusión de 19 °C. También se observó que durante los intervalos con ventilación activa continua o intermitente, el potencial de ahorro de energía disminuyó (Diaconu, 2011).

Van Hooff et al. evaluaron la ventilación natural en un techo dispuesto para ejercer el efecto Venturi (sin alabes de guía, con alabes de guía a 90° y con alabes de guía a 10°), así como la precisión de la ecuación RANS y el modelo RNG k–ε. También se utilizó el algoritmo SIMPLE para las ecuaciones de momento y continuidad. Los resultados demostraron que la constante RANS y el modelo k–ε concuerdan con las mediciones en el túnel de viento en relación con la velocidad media del viento interior del techo. Por otro lado, la configuración sin alabes presentó un mejor comportamiento en relación con las dos configuraciones de techo con alabes, debido a que estas últimas presentaron resistencia al paso del flujo de aire (van Hooff et al., 2011).

Reyes et al. analizaron la distribución de flujo de aire en cinco diferentes configuraciones de sistemas de torre de viento. Las simulaciones se llevaron a cabo con el método RANS en el software FLUENT. Asimismo, se utilizó el modelo de disipación específica k-ω, el sistema QUICK se combinó con el algoritmo SIMPLEC para estimar la velocidad y la presión. Para definir las condiciones de confort de velocidad promedio y temperatura se utilizó el diagrama de Olgyay.

Los resultados demostraron que se alcanzaron las condiciones de confort térmico en cerca de 50% de la habitación principal de la construcción analizada. Los autores resaltan el potencial que tiene un sistema de torre de viento para disminuir el consumo de energías en localidades con climas áridos y semiáridos (Reyes et al., 2013).

Gijón-Rivera et al. (2013) evaluaron el comportamiento en la ventilación de tres diferentes configuraciones de acristalamiento (vidrio transparente, vidrio transparente con recubrimiento de control solar en interior de SnSeCuxS y un cristal reflectante) en un edificio de la Ciudad de México con el acoplamiento de los modelos CFD-BES procesados en TRNSYS y ESP-r. Las dimensiones de la habitación modelada fueron de 4 x 4 x 12 m, considerando las paredes del este, oeste y el suelo como superficies adiabáticas y las orientaciones sur, norte y techo expuestos al ambiente exterior. Las ecuaciones de masa y momento se llevaron a cabo con el algoritmo SIMPLEC. Los resultados demostraron que el vidrio reflectante fue el que menor requerimiento de energía tuvo para la climatización de la habitación. Los resultados demostraron que el vidrio reflejante registró el menor consumo de energía, mientras que el vidrio transparente con recubrimiento solar registró el mayor consumo de energía (Gijón-Rivera et al., 2013).

Calautit et al. estudiaron el comportamiento de la ventilación por la integración de un dispositivo de transferencia de calor (HTD) en un Windcatcher con el método de volumen finito (FVM) y el método semiimplícito de presión vinculada (SIMPLE). Asimismo, para el análisis de CFD se utilizó el software ANSYS Fluent. Para el macroclima se utilizó un módulo de 5, 5 y 10 m para similar la velocidad del viento en el exterior y para el microclima se utilizó un módulo de 3, 5 y 5 m para representar una habitación para 15 personas, en las que se probaron velocidades de viento de 1-5 m/s.

En las simulaciones de CFD se obtuvo un margen de error de 0-15%, que se considera adecuado. Los resultados demostraron que, con velocidades de 5 m/s, la reducción de la temperatura del aire se redujo solo 5-6 K, mientras que a velocidades de 2 m/s se alcanzaron reducciones de la temperatura del aire de hasta 9.5 K. Asimismo, se demostró que la integración del HTD reduce la tasa de alimentación de aire en 20-35%. Los autores concluyeron que el receptor eólico propuesto tiene el potencial de reducir la temperatura de 12 K dentro del microclima en función de la velocidad del aire exterior (Calautit, Hughes & Shahzad, 2015).

Rodríguez, Hinojosa y Xamán (2015) evaluaron numérica y experimentalmente el comportamiento de turbulencia y convección en una cavidad ventilada. Los parámetros evaluados fueron una cavidad de 1 x 1 x 1 m, con dimensiones de entrada y salida de 0.08 x 0.08 m y velocidades de viento entre 0.1 y 0.5 m/s, para estimar la turbulencia se utilizó el modelo estándar k-ε, así como el algoritmo SIMPLEC para las ecuaciones de momento y continuidad. En el modelo experimental se colocaron termopares en diversas zonas con la finalidad de controlar las temperaturas dentro de la cavidad. En la pared izquierda se consideró un flujo uniforme de calor de 75 W/m^2 y 125 W/m^2, a la vez que la pared de la derecha se mantuvo a una temperatura constante de 298 K; las paredes restantes se consideraron como adiabáticas. Los resultados numéricos presentaron resultados próximos, con un porcentaje de diferencia máximo de 2.0% y 3.0%, por lo que se consideran adecuados. En cuanto a las predicciones del coeficiente de trasferencia de calor, las diferencias porcentuales fueron de 0.3-0.8% (Rodríguez, Hinojosa & Xamán, 2015).

[4] Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio de Estados Unidos.

* Acrónimos comúnmente conocidos en inglés.

[5] Sistema de ecuaciones Reynolds Averaged Navier-Stokes.

[6] Instituto de Meteorología y Física del Ambiente Atmosférico del Observatorio Nacional de Atenas.

[7] Charted Institute of Building Service Engineers/Instituto Colegiado de Ingenieros de Instalaciones.

[8] Building Research Establishment/Instituto de Investigación en Edificios.

[9] Relative Mean Bias Error/Media del error relativo de sesgo.

[10] Relative Root Mean Square Error/Media cuadrática del error relativo

[11] Mean Bias Error/Media del error de sesgo

[12] Mean Percentage Error/Media del porcentaje de error.

[13] Mean Absolute Error/Media del error absoluto.

[14] Mean Error/Media del error.

[15] Sum of Deviation/Suma de desviaciones.

[16] Accuracy Score/Grado de precisión.

[17] Cooling Load Temperature Difference/Diferencia de temperatura de la carga de enfriamiento.

[18] Cooling Load Factors/Factores de carga de enfriamiento.

[19] También llamada C2C “Cradle to Cradle”, de la cuna a la tumba.

[20] Heat Transfer Devices/Dispositivos de transferencia de calor.

[21] Horizontally-arranged Heat Transfer Devices/Dispositivos de transferencia de calor de montaje horizontal.

[22] Finite-Volume Method/Método de volumen finito usado para representar y evaluar ecuaciones diferenciales parciales en forma de ecuaciones algebraicas.

[23] British Standard Institution/Institución Británica de Normalización.

[24] Finite Element Method/Método de los Elementos Finitos.

[25] Computational Thermal Manikin/Maniquí térmico computacional.

26 Phase Change Materials/Materiales de cambio de fase.

MARCO METODOLÓGICO

La presente investigación persigue el objetivo particular de determinar la influencia de la inercia térmica en los ciclos convectivos del canal de flujo de un captador eólico como variable de diseño. Lo anterior hace necesaria la consecución metodológica de pasos que permitan desarrollar el diseño experimental citado en el apartado de alcances de este documento y cuyo carácter multifactorial es definido por los aspectos que se describen a continuación.

OBJETO DE ESTUDIO

El objeto de estudio son las condiciones de ventilación natural al interior de un espacio experimental climatizado bajo el efecto de la extracción pasiva a través de un captador eólico. Lo anterior con la influencia ejercida por la inercia térmica de su canal de flujo según distintas configuraciones, donde el conocimiento de las cuantías de velocidad y temperaturas del viento es determinante en el incremento de las tasas interiores de ventilación.

VARIABLES

Debido al enfoque cuantitativo del presente estudio, es necesario el arreglo de distintas variables dentro de un sistema de producción causal de resultados. Por ello, es indispensable estudiar la relación entre los distintos tipos de variables involucradas, como lo indica la figura 23.

Variables de control

Para garantizar la continuidad de las condiciones de control alrededor del escenario virtual de experimentación, se usaron softwares especializados que permiten el modelado y análisis de condiciones macroclimáticas como variables de control; para la construcción del citado ambiente, se usaron métodos de interpolación espacial a través del software Meteonorm®, que procesa información satelital mensual proveniente de la WMO[27] por medio de un modelo estocástico que genera series de datos horarios que conforman un año típico meteorológico en distintos formatos, los usados en el presente documento son TMY y EPW.

Variables independientes

Una vez configurado un ambiente controlado en un archivo climático, es posible estimar de entre los más de 22 000 registros horarios contenidos en cerca de 30 variables climatológicas y, con el argumento hipotético inicial, los parámetros que permitirán manipular las relaciones multifactoriales de causa-efecto en el diseño del experimento. Es importante destacar que algunas de estas variables deben de estimarse a partir de los archivos climáticos, mientras que otras simplemente se extraen y analizan; e. g., radiación global en planos inclinados y régimen de vientos dominantes, respectivamente.

- El recurso solar global en un plano inclinado.

- El régimen de vientos dominantes.

- Espesor de las paredes del canal de flujo.

- Propiedades termofísicas de los materiales empleados.

Variables dependientes

Una vez identificadas las variables independientes, es posible asumir cuál será la contraparte en el arreglo experimental, estas son aquellas cuya magnitud o comportamiento se asume hipotéticamente y se vea alterado ante las distintas configuraciones del canal de flujo, que son:

- Orientación geométrica del canal de flujo respecto al recurso solar incidente.

- La temperatura de bulbo seco al interior del canal de flujo.

- La velocidad de extracción de viento al interior del canal de flujo.

- La velocidad del viento al interior de la cámara de experimentación.

- La relación de velocidades alcanzadas en cuanto a la marcha térmica de la misma cámara.

DISEÑO DEL EXPERIMENTO

Con el propósito de confrontar la hipótesis del estudio ante el sistema de producción de resultados, es necesario un arreglo experimental. “El término experimento puede al menos tener dos acepciones, una general y otra particular. La general se refiere a tomar una acción y después observar las consecuencias de una acción” (Babbie, 2001, citado en Hernández, Fernández & Baptista, 2006). El diseño por sí mismo es el conjunto de estrategias y procedimientos útiles para responder a las preguntas de investigación sin embargo, la acepción particular, como su nombre lo indica, se refiere a un sistema en el que se estimula intencionalmente una variable independiente y se presume el comportamiento de una dependiente.

ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS PRELIMINARES

Como se aprecia en el apartado anterior, el arreglo experimental se configuró a priori al establecer la metodología necesaria para la simulación del comportamiento térmico de un captador eólico acoplado a cámaras de experimentación climática, así como de la selección del sitio para la edificación del conjunto de ellas. Este último podría, en términos de referencia geográfica, describirse como se anota enseguida.

Escenario experimental

Debido a que el presente documento de investigación formula una premisa con base en información provista en estudios del mismo autor (González, Gómez & Escobar, 2014), es de utilidad conservar información registrada en sitio para aspectos de validación; no obstante, el presente trabajo se desarrolla por medio de métodos y planteamientos hipotéticos con objetivos distintos al estudio referido, pero en la misma área geográfica, que es acotada como sigue:

- Área de referencia: El estado de Colima, que se sitúa en el occidente del país.

- Área de influencia: Municipio de Coquimatlán, que se ubica al centro del estado de Colima con latitud de 19°12’41” N, longitud 103°48’23” W y 354 m.s.n.m., según la información provista por la estación meteorológica 00006008 del Servicio Meteorológico Nacional.

- Clima: De acuerdo con el sistema de clasificación climática de Köppen, adaptado para la República mexicana por García (1967) –el de mayor uso oficial–, la climatología de la localidad, según la estación meteorológica citada y para el periodo de información normalizada de 1951 a 2010, es:

- clima: Aw0(w)(i) g

- detalle: [‘A’, ‘w0(w)’, ‘(i)’, ‘g’]

- descripción: clima cálido, subhúmedo con lluvias en verano (lluvia invernal menor a 5%), temperatura anual isotermal, marcha de temperatura anual tipo Ganges

- mes más lluvioso: agosto (188.6 mm)

- mes más seco: abril (2.3 mm)

- mes más cálido: junio (28.1 °C)

- mes más frio: febrero (24.3 °C)

- precipitación anual total: 832.4 mm

- temperatura media anual: 26.3 °C

- precipitación en invierno: 4.8 %

- precipitación en verano: 79.2 %

- meses con temperatura superior a 10 °C: 12

- oscilación térmica anual: 3.8.

Sin embargo, este sistema clasificatorio edafológico utiliza solamente la altitud de la estación terrestre en cuestión, junto con los valores medios mensuales de temperatura de bulbo seco y precipitación pluvial, misma que se muestran en la figura 26. Por otro lado, y para ampliar dichas limitaciones, se consultaron las series de datos climatológicos horarios provistos por el Centro Universitario de Investigaciones en Ciencias del Ambiente (CUICA) para el año 2011, con el fin de extraer valores promedios y comparar la similitud en la precisión entre ambas fuentes.

Como se aprecia en las figuras 26 y 27, las diferencias entre registros son significativas; además, un número importante de variables climatológicas no se reportan en los sistemas disponibles a nivel nacional, debido a las precarias condiciones de infraestructura; mientras que, en las estaciones terrestres de carácter académico, la limitada cantidad de años reportados hace imposible una normalización estadística que otorgue representatividad a los valores.

Debido a la complejidad de construcción de archivos meteorológicos típicos (TMY) o de referencia (TRY), mostrados por Rodríguez (2006) y Hui (1996), no será motivo de este trabajo construir archivos de estas características; no obstante, en el cuadro 13 se menciona en términos comparativos las variables climatológicas de mayor aplicación en la arquitectura y la asequibilidad que ofrecen las fuentes convencionales en México.

A pesar de que la provisión de información horaria es muy similar entre las fuentes locales y los archivos climáticos TMY respecto al SMN, los datos interpolados tienen un carácter más representativo, al provenir de bases de datos internacionales de la WMO con periodos de registro más amplios. La figura 28 muestra las diferencias diarias de TBS media anual entre un archivo interpolado en el software Meteonorm® y los registros de la estación meteorológica terrestre del CUICA, mientras que en la figura 29 se observa una distribución diaria te temperaturas a lo largo del año y la figura 30 comprende las variables representadas en el cuadro 13, a excepción de la dirección de los vientos dominantes, que se analizará a detalle en apartados posteriores.

Como se aprecia en la figura 29, Coquimatlán cuenta con TBS que oscilan entre los 20 y 30 °C con periodos pronunciados de precipitación pluvial que van desde los 100 mm en julio, a los 100 mm en agosto. Es de notar la alta humedad, que puede llegar hasta 80%, mientras que las magnitudes de los vientos circundan los 2.5 m/s; por su parte, la radiación solar global para planos horizontales se encuentra cerca de los 350 kWh/m2mes durante el mes con valores máximos y 350 kWh/m2mes para el mes con valores mínimos.

Área de influencia

El diseño del área específica del experimento se determinó con el modelado de cámaras de experimentación microclimática en el software Design Builder®. Las cámaras no fueron diseñadas para contar con protecciones solares o alguna tarea de adecuación pasiva. Las características de diseño específico de las cámaras obedecen a la representación de una habitación con las medidas en apego a las normas establecidas en el artículo 108 “Mínimos dimensionales o de superficie”, contenida en la sección primera “Dimensiones mínimas aceptables” del Capítulo II: “Requerimientos de habitabilidad y funcionamiento” del Reglamento de construcción de Colima. Cuentan con una ventana frontal en una de sus caras de 1.20 m de ancho por 1.20 m de altura, así como con una puerta de 2.1 x 0.90 m para proporcionar la entrada de aire necesaria para simular las condiciones de ventilación típicas; es decir, cuando la ventilación cruzada en espacios de este tipo es mínima y solo se da por medio de una puerta de acceso a la habitación abierta cuando las ventanas de la habitación se encuentran cerradas u obstruidas significativamente.

Donde a) altura: 2.70 m; b) frente: 3.32 m y c) fondo: 4.13 m, por lo que cuenta con una superficie de 13.72 m^2, superficie interior de muros igual a 36.99 m^2 y una superficie neta interior de muros de 33.95, con un espesor de muros de 0.15 m. El volumen de aire interior es de 31.23 m^3. Los materiales empleados fueron los de uso común en la región. Los elementos de moldes y pretiles fueron modelados como componentes adiabáticos para no generar perturbaciones en la simulación térmica, pero sí generar las sombras de viento naturales en los análisis de viento.

Diseño del prototipo del dispositivo

El diseño base de la torre de ventilación por extracción pasiva deriva de investigaciones anteriores y se compone de cuatro ventanas con planos concentradores que proporcionan una función multidireccional, como se muestra en la figura 31.

El modelo cuenta con una altura a cubierta total de 1.59 m y de 1.165 m a centro de ventana: 1.165 m, incluyendo una altura de columna de 0.90 m, un área superior de chimenea de 0.19 x 0.19 e inferior en la base de 0.60 x 0.60 m. El área de entrada de la ventana de captación es de 0.54 x 0.54 m, mientras que la sección estrecha es de 0.19 x 0.19 m.

Selección del modelo de confort

El confort térmico es la condición de la mente en los humanos que expresa satisfacción con el ambiente térmico. Los seis factores que afectan el confort térmico son tanto ambientales como personales. Para los fines de esta investigación, se seleccionó la revisión del modelo adaptativo presentado por Brager y de Dear del modelo de confort de la norma 55 “Condiciones ambientales térmicas para la ocupación humana” de ASHRAE. Dicha revisión incluye una norma de confort adaptativa que permite temperaturas interiores más cálidas para espacios ventilados durante el verano con aceptabilidad para 80 o 90% de los ocupantes. La ecuación de confort propuesta en dicha revisión se presenta en la figura 32.

Determinación del periodo de simulación (mes)

Una vez que se estimó la temperatura neutral y el rango de confort mensual según la adaptabilidad de 80 o 90% de los habitantes, es posible estimar el impacto de la ventilación como estrategia de diseño bioclimático en el rango de confort de cada mes y, con ello, establecer un escenario conveniente de simulación. Para lo anterior, se recurrió al trazo de las estrategias de confort en el diagrama psicométrico. En la figura 33 se muestra 5.6% de impacto anual de la ventilación natural como estrategia de diseño bioclimático.

Aunado a lo anterior, fue necesaria la ponderación del impacto de la ventilación natural por medio de un análisis mensual, en la figura 34 se muestra que durante septiembre la ventilación mantiene un porcentaje de impacto ponderado más grande a lo largo del año, con 14.6%.

Determinación del periodo de simulación (día)

Para la simplificación de los ejercicios de simulación, fue necesaria la identificación de un día de representatividad térmica típica mensual con base en dos condiciones promedio diarias: la temperatura de bulbo seco y la oscilación térmica. Para enero y septiembre reflejan los resultados que se muestran en las figuras 35 y 36, respectivamente.

Determinación del periodo de simulación (horario)

Con base en el análisis del rango de confort mensual, se estimó en qué horario la temperatura ambiente mantenía las condiciones térmicas idóneas para permitir la ventilación selectiva en los espacios.

Determinación del SC local con desempeño térmico crítico ante la ventilación natural

Al delimitar los horarios de ventilación selectiva, fue posible iniciar la simulación térmica del módulo de experimentación microclimática con cinco configuraciones distintas de sistemas constructivos con los materiales más empleados en la región.

Las configuraciones y nomenclaturas son las siguientes:

- Bcon-CArm: muros de Block común de concreto y losas de concreto armado.

- Bcon-RCP: bloque de concreto y losa reticulada.

- Bcon-ViBo: bloque de concreto y losa aligerada de vigueta y bovedilla.

- Tab-ViBo: bloque de tabique de barro recocido y losa de vigueta bovedilla.

- Tbn-ViBo: bloque de tabique de barro recocido y losa de vigueta bovedilla.

Estimación de las propiedades térmicas del bloque de jal-cemento

Sin embargo, ya que las características térmicas del tabicón de jal-cemento (material de mayor uso en la localidad) no se encontraban caracterizadas, fue necesario determinarlas experimentalmente por medio de un método simplificado de la norma ASTM C518. Las propiedades nominales del bloque de 11 x 14 x 28 cm regularmente usado son las siguientes:

- Masa: 6.7 kg

- Densidad: 1 530 kg/m^3

- F’c: 40 kg/cm^2

- Absorción humedad: 17.95%

A continuación se puede observar el arreglo experimental que se implementó para determinar las propiedades termofísicas de este tipo de especímenes en régimen estacionario, que fue recientemente publicado por los autores de este mismo documento. Por cuestiones de practicidad, en lo sucesivo solo se muestran de manera abreviada (ver figuras 39, 40 y 41).

Figura 39. Esquema de instalación de instrumental para la determinación experimental de propiedades del tabicón.

A) Determinación de la Conductividad (K); B) Determinación del calor específico (Cp)

Fuente: Elaboración propia.

Determinación del SC local con desempeño térmico crítico ante la ventilación natural

La configuración de los sistemas constructivos se detalla en el cuadro 14, mientras que el resultado de las simulaciones se estima en la figura 42. El sistema con el comportamiento más crítico es el de losas de concreto armado y muros a base de bloque hueco de concreto.

Análisis eólico del módulo y emplazamiento del dispositivo

El apropiado diseño de los componentes de las torres de viento redunda en la potencialización de sus efectos mecánicos; el emplazamiento es uno de los más importantes y, para ello, se considera la geometría del espacio a ventilar en relación con el ángulo de incidencia y la velocidad de los vientos dominantes.

En la figura 43 se muestra el estudio de delimitación de diferenciales de presión dominantes sobre el módulo de simulación modelado previamente.

Selección de materiales de constitución de la torre de viento

Por medio de los estudios preliminares de forma, podemos situar por potencial de masa térmica las cuatro alternativas básicas de simulación como se muestra en la figura 44.

Arreglo de escenarios de simulación

Con base en los 8 760 valores promedios horarios que constituyen el régimen anual, se observa que el porcentaje de dominio más alto es de 7.4%, con un azimut de 80° a una velocidad media de 1.9 m/s; para el arreglo experimental, el interés se centra en septiembre para la orientación del módulo. En la serie de imágenes de la figura 46 se aprecia el régimen de vientos mensual, donde se muestra tanto su dirección predominante como sus magnitudes máximas a razón de lo anterior.

Se estableció un arreglo y se pusieron a prueba cuatro modelos de estimación de radiación para planos inclinados en horario civil para determinar la orientación óptima mensual de la torre, ya que la información de archivos climáticos debe ser procesada con el fin de estimar la incidencia en planos inclinados según el modelo de Pérez (ver figuras 47, 48 y 49).

A razón de los parámetros de mayor impacto en la transferencia de calor entre el ambiente térmico y la torre de viento, es posible establecer escenarios de simulación que conjuguen los efectos combinados de la aportación de energía por medio de la radiación y la convección; de esta manera, se definen las orientaciones geométricas de la torre como se señala en el cuadro 15.

Así pues, y como se determinó en los apartados anteriores, septiembre tiene el mayor potencial para la ventilación natural selectiva, por lo tanto es el mes por simular tomando en cuenta la configuración ya descrita de día típico representativo mensual. El arreglo de montaje entre el módulo y la torre de viento se muestra en la figura 50.

[27] World Meteorological Organization/Organización Meteorológica Mundial.

RESULTADOS, DISCUSIÓN Y REFLEXIONES

Para estimar el efecto del desempeño del dispositivo de torre de ventilación por extracción pasiva, se simularon tres condiciones de ventilación y se observaron tres variables resultantes (ver figura 51). La figura 54 muestra, por medio de la dinámica de fluidos computacional, las velocidades y presión que influyen sobre la configuración en el periodo diario de simulación seleccionado. Como se observa, las velocidades van de los 0 a los 2.77 m/s, mientras que las presiones incidentes de los 3.11 Pa en barlovento a los -2.35 Pa en sotavento (ver gráfica 52).

Las gráficas indican el comportamiento del módulo de simulación bajo las tres condiciones de ventilación propuesta y con el emplazamiento de los dispositivos usando tres diferentes materiales en la columna de la misma.

Las figuras anteriores analizan el efecto de acoplamiento del prototipo de torre de viento en el módulo experimental bajo tres condiciones de exposición: continua, donde la ventilación se propicia de manera indiscriminada por medio de la activación de plantillas en Design Builder®, que permiten la abertura de puertas y ventanas aprovechando la total ventilación cruzada; la segunda condición implica la ventilación selectiva, aquella en la que una programación permite que, solo cuando las condiciones del ambiente térmico exterior se encuentran dentro del rango de confort de la norma 55 de ASHRAE, el aire ingrese al módulo y, finalmente, la condición de inhibición de ventilación, que permite solamente la ventilación por filtración.

Los resultados en las figuras demuestran que, a pesar de que el autor de la presente investigación y la literatura consideran el impacto de la masa térmica en la descarga térmica de los espacios, esto no se ve reflejado significativamente en ninguno de los aspectos analizados (la renovación del aire, el caudal volumétrico o la temperatura interior).

Lo anterior puede obedecer a que la temporada de simulación se acota para propósitos de estudios de dinámica de fluidos en un solo día del mes con mayor potencial de ventilación, en lugar de haber seleccionado aquellos en que la radiación solar es la más significativa en el cuello de la torre. Es muy recomendable generar una serie de escenarios de simulación más robusta que permitan la correlación multifactorial entre diversos escenarios de simulación, lo que fue imposible al final de la presente investigación.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El presente estudio analizó a escala de objeto y con un enfoque cuantitativo el papel de la inercia térmica en los captadores eólicos conocidos comúnmente como Bâdgir, Baud-geer o Malqaf; elementos arquetípicos de ventilación pasiva en la arquitectura persa y árabe, respectivamente, con el fin de correlacionar las propiedades termofísicas del canal de ventilación del captador y su eficiencia operativa. Lo anterior a través del uso de la simulación energética y la dinámica computacional de fluidos integrada en el software Design Builder®.

La investigación tiene en términos comparativos una serie de particulares aportaciones metodológicas respecto de aquellas analizadas de manera análoga en la revisión de la literatura especializada, debido a que la mayoría de trabajos iniciales expuestos considera registros de información climática con poca representatividad histórica y estadística en las localidades de estudio, lo que reduce significativamente la replicabilidad del estudio; por otro lado, aquellos de última publicación consideran la definición de condiciones de frontera para el estudio de estos dispositivos en régimen estacionario de escenarios muy diversos; sin embargo, dichas condiciones pueden no presentarse jamás en un escenario real.

En cambio, la presente investigación utiliza series de datos horarios provenientes de la más amplia base de datos climatológica existente en la actualidad, con más de 22 000 registros de cerca de 30 variables climáticas distintas, lo que en principio permite desarrollar estudios preliminares de diagnóstico y diseño a razón de las variables más preponderantes, en este caso, la radiación global incidente en planos inclinados y el régimen de vientos predominantes, ambas en un rango de precisión que alcanza los registros estacionales, mensuales, diarios e incluso horarios. Por otro lado, el extenso estudio de modelos de radiación solar implementado y representado polarmente ha sido una herramienta de diagnóstico con aplicación incluso en el sector de las energías renovables.

En otro sentido, no menos importante, se implementó un novedoso método para la determinación de las propiedades termofísicas de conductividad y calor específico de especímenes en régimen estacionario para incluir en la simulación del comportamiento del dispositivo materiales de uso en la región, pero no descritos en los inventarios de las normas oficiales o en la literatura relacionada; este método es de especial importancia, pues la simplicidad que representa desestima la utilización de robustos arreglos propuestos por otros autores o aquellos que hacen imprescindible el uso de instrumental costoso.

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LEGALES

Esta investigación fue dictaminada por pares académicos

González Trevizo, Marcos Eduardo.

Efecto de la inercia térmica en las torres de viento [recurso electrónico] / Marcos Eduardo

González Trevizo.-- Mexicali, Baja California : Universidad Autónoma de Baja California, 2020.

1 recurso en línea. (Selección Anual para el Libro Universitario)

ISBN e-book : 978-607-607-650-7

1. Energía eólica. 2. Molinos de viento. 3. Recursos energéticos renovables. I. Universidad

Autónoma de Baja California. II.s.

TJ820 G65 2020

©D.R. 2020 Marcos Eduardo González Trevizo

Las características de esta publicación son propiedad de la

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ISBN: 978-607-607-650-7

Coordinación editorial: Laura Figueroa Lizárraga.

Diseño de portada: César Alonso Cervantes Vargas.

Edición: Juan Carlos Rosas Ramírez.

Formación electrónica: Lilian Guadalupe Beckham Lara.

SÍNODOS DE EXAMEN DE DOCTORADO

Dr. Héctor Javier González Licón

Dr. Armando Alcántara Lomelí

Dr. Aníbal Luna León

Dr. Luis Alberto Torres Garibay

Dr. Adolfo Gómez Amador

Universidad Autónoma de Baja California

Dr. Daniel Octavio Valdez Delgadillo

Rector

Dr. Édgar Ismael Alarcón Meza

Secretario general

Dra. Mónica Lacavex Berumen

Vicerrectora Campus Ensenada

Dra. Gisela Montero Alpírez

Vicerrectora Campus Mexicali

Mtra. Edith Montiel Ayala

Vicerrectora Campus Tijuana

Dra. Luz María Ortega Villa

Coordinadora general de Extensión de la Cultura

y Divulgación de la Ciencia