Índice

Agradecimientos

Resumen

Introducción

Antecedentes

Capítulo 1. Climatización artificial en edificios y efectos nocivos

Capítulo 2. Clima del lugar y arquitectura tradicional

Capítulo 3. Experimentación de un sistema intercambiador de calor tierra-aire

Capítulo 4. Análisis y validación experimental por modelos numéricos

Capítulo 5. Modelos matemáticos y extrapolación de resultados. Caso de estudio: Chihuahua

Conclusiones

Referencias

Páginas electrónicas consultadas

Legales

Universidad Autónoma de Baja California

Francisco Fernández Melchor

Intercambiador de calor para el confort y ahorro de energía en edificios

Selección Anual para el Libro Universitario

Esta tesis la dedico a mis padres, Arturo Fernández Cimadomo y Rosa María Melchor Soto, quienes me han impulsado para llegar a esta instancia dentro de mis estudios.

Este esfuerzo es para ustedes, quienes siempre han estado ahí, apoyándome cuando más lo he necesitado a lo largo de toda mi vida porque, aunque ya haya logrado desarrollarme profesionalmente, me siguen brindando su apoyo y amor.

Gracias por estar conmigo.

AGRADECIMIENTOS

Mis agradecimientos a la Universidad Autónoma Metropolitana, que me apoyó económicamente y me brindó la oportunidad para realizar mis estudios de doctorado. Al posgrado en diseño de CyAD y al cuerpo administrativo por su asesoría y gestión, más un afectuoso y cálido trato a lo largo de estos años.

A mis profesores, mi director de tesis, el doctor José Roberto García Chávez, por su paciencia y guía que me permitieron lograr los objetivos de esta investigación, al doctor Luis Fernando Guerrero Baca, por su asesoría en la construcción con tierra. Ellos son parte de este logro por su valiosa participación en este trabajo.

Al doctor Eduardo L. Krüger por el tiempo dedicado en la revisión de este documento. Espero que su esfuerzo y empeño esté reflejado en esta tesis.

A las autoridades del Cinvestav que nos facilitaron el uso de sus instalaciones, al igual que a los doctores Yasuhiro Matsumoto Kuwabara y José Antonio Urbano Castelán.

A Covintec, al licenciado Alberto Vázquez, director de Glass Block Products Foamglas, y a Grupo Calidra por su valioso e invaluable apoyo para la realización de este trabajo.

A la Universidad de Ginebra y al doctor Pierre Hollmuller por compartir sus estudios y conocimientos.

RESUMEN

El aumento en la demanda de vivienda en la actualidad ha producido un crecimiento descontrolado y sin una adecuada planificación, por lo que el empleo de equipos de aire acondicionado (AC) se ha incrementado, principalmente en el norte de la república mexicana, donde predomina un clima cálido árido extremoso. Estos equipos de ventilación tienen diferentes efectos negativos y afectan en especial a las comunidades menos favorecidas económicamente. Entre estos efectos nocivos, se encuentran las enfermedades respiratorias y la contaminación al ambiente, producto de la generación y consumo de energética derivada de la operación de dichos sistemas. En esta investigación, se propone un sistema de climatización a través de un intercambiador de calor tierra-aire que aprovecha la energía almacenada en el subsuelo para la estabilización del aire, tanto para bajas temperaturas como para altas temperaturas, lo que genera un intercambio térmico que permite inyectar posteriormente un aire caliente o frío al interior de espacios para que estos sean confortables sin la necesidad de equipos costosos, consumo de energía por operación o mantenimiento, reduciendo además las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Se retoman técnicas de construcción tradicional que armonizan con su medio ambiente para la experimentación y elaboración de programas de simulación que nos permiten diseñar y dimensionar un sistema intercambiador de calor tierra-aire según las necesidades de confort que demande cada espacio, su contexto y características climáticas particulares de cada región.

INTRODUCCIÓN

GENERALIDADES DEL DISEÑO DE UN SISTEMA INTERCAMBIADOR DE CALOR

Con la aplicación de sistemas pasivos de climatización natural es posible lograr confort para los usuarios de los edificios en diferentes regiones climáticas. En este trabajo, se investigó el comportamiento de un sistema intercambiador de calor tierra-aire para obtener confort y ahorro de energía en edificios habitacionales. Este sistema tiene la versatilidad de funcionar en condiciones climáticas extremas de invierno y verano por intercambio térmico tierra-aire, transfiriendo las temperaturas del subsuelo a una profundidad relativamente baja.

De acuerdo con la ley del enfriamiento de Newton, en dos cuerpos con diferencia de temperatura, el calor se transfiere siempre del objeto con mayor temperatura al objeto de menor temperatura por medio de los distintos tipos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación). Un fenómeno físico que transcurre bajo la ley del enfriamiento de Newton es el enfriamiento conductivo, donde la transmisión de calor se produce a partir del contacto entre dos cuerpos, en el cual uno cede calor al otro. Para ello, es necesario tener una superficie fría y la mejor manera de lograrlo es aprovechar el calor siempre constante del suelo, gracias a la gran masa que posee la tierra.

Una forma práctica de aprovechar este fenómeno es hacer circular una corriente de aire por un ducto enterrado. Este, al estar en contacto con el terreno, tendrá una temperatura muy cercana a la de la tierra. El propósito de esta investigación en arquitectura bioclimática es ofrecer una propuesta alternativa de acondicionamiento ambiental de bajo costo y capaz de proporcionar condiciones de confort en un clima predominantemente templado y con un elevado número de viviendas, como el de la Ciudad de México, y en condiciones extremosas, como las presentes en el norte del país, las cuales desencadenan un creciente consumo energético, derivado a su vez de la operación de aparatos de climatización, causantes de problemas en la salud de los habitantes de viviendas precarias.

Este fenómeno también puede ser empleado para calentar o refrigerar. Este último se presenta cuando el aire cálido se mueve sobre una superficie fría; en este caso, la superficie fría la aporta el sistema subterráneo que se encuentra en contacto directo bajo el terreno y, durante este recorrido, se enfría e ingresa al interior con una temperatura menor (figura 1).

Un intercambiador de calor tierra-aire tiene la propiedad de calentar o refrigerar el aire mediante un proceso de intercambio térmico entre la tierra y el aire a través de un ducto enterrado en el suelo, al inyectar aire aspirado del exterior a un edificio o espacio con el propósito de mejorar el confort térmico interior sin recurrir a ningún tipo de consumo energético para su funcionamiento (Pfafferot, 2004).

El sistema intercambiador de calor evaluado experimentalmente presenta una configuración básica. Dicho sistema consta de una entrada con sistema de filtrado y una tubería enterrada en el subsuelo que posteriormente llega a un espacio interior al que se le inyecta aire aspirado por un ventilador (figura 2).

Existen más tipos o configuraciones para los distintos intercambiadores de calor tierra-aire, como el llamado lazo cerrado o sistema de circuito cerrado, donde el aire circula únicamente entre el edificio y el intercambiador de calor. También se encuentran los sistemas de múltiples tubos, pero todas estas variables siguen siendo poco comunes y experimentales. La configuración de monotubo es la más estudiada y de la que se cuenta con más información, lo que nos permite determinar el dimensionamiento del sistema por medio de modelos numéricos.

El estudio y desarrollo de fenómenos de intercambio de calor por tierra han sido principalmente investigados en países del norte de Europa, como Suiza y Alemania (figura 3), donde, debido a su clima frío y necesidades de climatización artificial, aprovechar el almacenamiento de calor en el subsuelo ha demostrado ser de vital importancia para mejorar las condiciones higrotérmicas de los espacios.

Las distintas investigaciones concentradas en el norte de Europa abordan el aprovechamiento de este calor almacenado y las soluciones analíticas aplicadas al intercambio térmico entre la tierra y el aire, así como de todas sus variables.

En climas extremosos, la energía que se ahorra por el simple precalentamiento o preenfriamiento del aire puede ser considerable gracias a estos sistemas de ductos enterrados como fuente primaria de energía que trabajan como bomba de calor (Hollmuller, 2001b).

En esta investigación, se pretende comparar los modelos numéricos de cálculo existentes con las mediciones obtenidas físicamente in situ de manera experimental en el intercambiador de calor tierra-aire montado en la Ciudad de México, empleando las distintas variables de diseño: longitud del tubo, radio de la tubería, caudal de aire y profundidad de la tubería, con el fin de descifrar la influencia de cada una de ellas con el intercambio térmico y eficiencia final del sistema.

Para comprender el proceso de intercambio de calor entre la tierra y el aire, se debe tener claro los conceptos de calor latente y calor sensible.

El calor latente es el aquel que requiere una sustancia para cambiar de fase, como el vapor de agua presente en el aire que, según las condiciones del clima, cambiará de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización), y parte de la energía en forma de calor se consumirá para el cambio de fase y no se reflejará en un aumento de temperatura.

Por otra parte, el calor sensible es el que produce un cuerpo al aumentar su temperatura sin afectar su estado que, en interpretación propia sobre el sistema intercambiador de calor, se refiere a la cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un volumen de aire directamente proporcional a su masa y a su diferencia de temperatura. El cambio de fase del vapor de agua en el volumen de aire refleja sus diferencias en el calor ganado o cedido dentro del intercambio de calor tierra-aire, ya sea que esté sensible o latente (figura 4).

Otro factor fundamental que se toma en cuenta para el desarrollo del cálculo de un intercambiador de calor tierra-aire es la humedad. En pocos trabajos, y aun menos en modelos numéricos, se ha considerado el factor humedad, el cual es muy importante si se toma en cuenta su influencia no solo en los parámetros de confort. La cantidad de humedad ambiente influiría directamente en el intercambio de calor al interior de los ductos enterrados y en la liberación de calor de condensación (calor latente) en el proceso de evaporación del vapor de agua, tanto en el proceso físico y termodinámico, así como en el crecimiento de moho y bacterias (figura 5), las cuales pueden afectar la calidad del aire inyectado al interior.

El análisis comparativo entre las mediciones efectuadas durante los distintos periodos de monitoreo en el intercambiador de calor a escala real con el modelo matemático también representa un análisis fundamental, con el fin de determinar la condensación de agua en las paredes del tubo y cómo esta afecta significativamente el balance de calor del aire.

Finalmente, el balance térmico y energético de un edificio con un intercambiador de calor presenta notables diferencias para calentamiento y para enfriamiento (Hollmuller, 2001b). En el caso del precalentamiento del aire, el sistema intercambiador roba energía al proceso de intercambio de calor, por lo que su efectividad para elevar la temperatura es muy pobre. En preenfriamiento, el sistema puede crear un amortiguamiento térmico de las temperaturas al interior del espacio, lo que reduce significativamente la oscilación térmica en comparación con lecturas del aire ambiente; en cuyo caso, la variabilidad en los resultados puede deberse a la velocidad del flujo del aire y a la temperatura del suelo (figura 6), donde queda almacenada gran parte de la energía del sol.

En resumen, el enfriamiento y calentamiento conductivo proporcionado por la temperatura estable de la tierra se lleva a cabo por medio de un ducto enterrado en el subsuelo. Este inyecta aire caliente durante el invierno, época de bajocalentamiento, y de igual manera inyecta aire frío en época de sobrecalentamiento para que, en ambos casos, el espacio retorne a condiciones de confort. Además, emplear ductos enterrados permite acondicionarlos para humidificar o deshumidificar espacios, según sea requerido por las condiciones del lugar o clima.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Según el informe más reciente publicado por el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC), en 2014, el calentamiento climático elevó la temperatura promedio mundial del aire, de los océanos y de los hielos. La suma de estos ha provocado un deshielo generalizado y un aumento del promedio mundial de los niveles del mar, lo que pondría en riesgo de inundación a las ciudades costeras de todo el planeta.

Una de las principales causas del cambio climático, según el IPCC, son las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero (figura 7), que han aumentado 70%, y el dióxido de carbono (CO_2), producto de la actividad humana, que ha incrementado 80%, ambos porcentajes entre 1970 y 2004.

En la república mexicana, 90.5% del consumo total de energía proviene de petróleo crudo, condensados, gas natural y de la quema de otros hidrocarburos, tan solo 6.2% proviene de energías renovables. Aproximadamente, 20% de dicho consumo proviene del sector residencial, comercial y público (Sener, 2011).

Las emisiones de CO_2 por consumo eléctrico colocan a las ciudades ubicadas en regiones cálidas extremas como las principales productoras de gases de efecto invernadero; por ejemplo, Hermosillo, Sonora, con 2.91 ton/año y Mexicali, Baja California, con 4.07 ton/año (Conavi, 2008a).

Debido al uso intensivo de sistemas de aire acondicionado en viviendas, el gobierno concede mayor subsidio en las tarifas de cobro por consumo eléctrico en localidades cuyas temperaturas son muy elevadas. Esto representa un gasto de los recursos financieros del país, pero este puede ser reducido con una mejor planeación en el diseño de las viviendas al considerar criterios bioclimáticos y el uso de tecnologías ecológicas adecuadas.

Pese a que ciudades del norte presentan un mayor consumo de energía, la problemática que existe en la Ciudad de México se debe al crecimiento de la población, el número de habitantes que conforman cada alcaldía, una estimación del total de viviendas y la creciente demanda de estas, lo que hace que la zona centro del país sea otro importante caso de estudio para el ahorro energético: la demanda de vivienda para 2012 en la Ciudad de México y el área metropolitana se estimó en más de 800 000 (Conavi, 2008b).

La mejora del hábitat humano depende de su habilidad para emplear los recursos energéticos en acciones que fortalezcan la competitividad de su economía y al mismo tiempo protejan el ambiente. Sería poco lógico, y aun menos efectivo, el desarrollo de sistemas para el ahorro energético mediante el uso de un diseño bioclimático, si su campo de aplicación en vivienda y edificios no incluyera, asimismo, conceptos de construcción de bajo impacto y en armonía con su entorno.

OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN

El objetivo de esta investigación es evaluar y caracterizar un sistema intercambiador de calor tierra-aire para obtener confort y ahorro de energía en edificios habitacionales.

HIPÓTESIS GENERAL

La experimentación consiste en utilizar un sistema intercambiador de calor subterráneo durante la época de sobrecalentamiento, cuando se requiere de un aire frío para bajar las elevadas temperaturas de verano y, asimismo, implementar este sistema para calentamiento y deshumidificación en invierno, cuando el exceso de humedad ambiental incrementa la posibilidad de que los habitantes contraigan enfermedades respiratorias. Por lo general, dependiendo del lugar y a determinada profundidad del subsuelo, la temperatura de la tierra se acerca a la temperatura ambiente promedio anual del exterior (figura 8).

Fuente: http://www.nc-climate.ncsu.edu/

Analizar detenidamente el fenómeno de intercambio térmico entre la tierra y el aire en el subsuelo es necesario, ya que este puede ser utilizado tanto para enfriar como para calentar el volumen del aire que circula al interior del tubo subterráneo (Hollmuller, 2003), lo que contribuye a disminuir la temperatura del aire que ingresa durante el verano y elevarla en invierno; de esta manera, se logrará un acondicionamiento directo de la temperatura al interior de los espacios.

Por lo que respecta a los sistemas pasivos de climatización empleados en la arquitectura tradicional de Medio, su eficiencia para obtener temperaturas confortables al interior de los espacios sin recurrir a consumo energético de ningún tipo ha sido demostrada durante miles de años. El derroche desmedido de energía es uno de los principales responsables del gasto eléctrico en viviendas con climas extremosos. El uso inapropiado del AC en la actualidad no es el único culpable de dicho consumo de energía, también lo es la contaminación que se genera al producir el energético; además, se presenta un grave deterioro en la salud del usuario debido al aire acondicionado que promueve la proliferación de agentes patógenos que afectan las vías respiratorias, entre otras sintomatologías fisiológicas y psicológicas propias de espacios mal diseñados o en condiciones de pobreza y con mínimas condiciones de confort.

Restar importancia a la relación que existe entre el clima y la arquitectura en gran medida es la causa de espacios poco confortables y que generan afectaciones a la salud. Esta relación promueve una armonía entre el espacio construido, su entorno y medio físico que aprovecha plenamente sus recursos naturales para reducir el impacto ambiental que acompaña a un proyecto, así como la afectación tras catástrofes naturales. La arquitectura tradicional que se encuentra a lo largo de la república mexicana es un claro ejemplo de esta armonía entre arquitectura, clima y aprovechamiento de recursos naturales.

La sinergia entre materiales tradicionales de bajo impacto ecológico, más tecnologías de bajo consumo energético, y que estos sistemas pasivos proporcionen confort y promuevan un espacio libre de agentes patógenos que deterioran la calidad de vida de sus usuarios, es la solución para reducir el consumo de energía y la contaminación que afecta a todas las grandes ciudades. Por tal motivo, es prioritario el estudio e investigación de sistemas pasivos de climatización.

MOTIVACIÓN PARA ELABORAR LA INVESTIGACIÓN

Los escenarios para 2013 establecieron que 60% de la población mundial viviría en ciudades y que el mayor crecimiento urbano ocurriría en ciudades de escasos recursos (ONUSIDA, 2014). Se estimó que los climas extremos, el estrés térmico y las enfermedades respiratorias aumentarían, lo que afectaría a un gran número de personas.

La implementación de sistemas de ventilación natural, calentamiento pasivo y mejoras térmicas en la envolvente, entre otras, ayuda a obtener una mayor eficiencia energética, ya sea al eliminar por completo el uso de aire acondicionado, o bien al disminuir considerablemente su empleo, lo que al mismo tiempo se traduce en una reducción en afecciones a la salud causadas por la recirculación de aire viciado que contiene agentes patógenos. La reducción de daños a la salud no solo otorga beneficios a esta, sino que también se traduce en ahorros en los costos de atención médica.

METODOLOGÍA

1. Para seleccionar el lugar de estudio se tomó en cuenta que no tuviera obstrucciones.

2. Se analizaron los principales parámetros climáticos (temperatura, precipitación, etc.).

3. Se estudió que ambos módulos no se obstruyeran entre sí ni al viento y que no se produjeran sombras.

4. Se analizó que los módulos no estuvieran afectados por sombra de viento, tanto del contexto (árboles, construcciones, bardas, etc.), como entre ellos.

5. Se construyeron seis módulos experimentales; de los cuales, solo dos se emplearon en esta investigación; uno se usó como referencia (MC) y en el otro se aplicó el sistema EAHX (figura 9). Ambos son de panel de poliestireno.

6. Se realizó un monitoreo de las condiciones de temperaturas al interior de los dos módulos y simultáneamente se registraron los datos climáticos del exterior. Esta actividad permitió establecer que los dos módulos presentaran valores de temperatura similares, pero con valores altos.

7. Posteriormente se analizaron distintas propuestas de ventana única (figura 10) en las cuatro distintas orientaciones, con datos de Energy Plus para la Ciudad de México, con el fin de aprovechar el asoleamiento y reducir las ganancias solares que produjeron altas temperaturas.

8. Se realizó, de nueva cuenta, un monitoreo de las condiciones de temperaturas al interior de los dos módulos. Este monitoreo, por segunda ocasión, permitió establecer que los dos módulos presentaron valores de temperatura similares y, por lo tanto, se validó su utilización.

9. Con base en los resultados obtenidos por el análisis climático, se detectaron las fechas críticas de bajocaletamiento y sobrecalentamiento. En primera instancia, se procedió a monitorear el sistema intercambiador de calor en invierno.

10. Se detectaron diferencias en el espesor de la losa de MC y MP2 que afectaban las ganancias de calor al incrementar la temperatura de MP2 (con losa de menor espesor). Por tal motivo, se monitoreó la temperatura de las superficies y se decidió colocar un aislante en la losa de MP2 para homogenizar las condiciones.

11. Por último, se monitoreó el sistema en verano para medir su eficiencia para enfriar el volumen de aire a través del ducto.

12. Se procesaron los resultados obtenidos en modo de calentamiento y enfriamiento.

13. Se analizaron los distintos fenómenos físicos que intervienen en un sistema intercambiador de calor tierra-aire para elaborar un cálculo que pudiera validar por modelos numéricos las pruebas experimentales.

14. Los modelos numéricos nos sirvieron para simular distintos tipos de configuración de un sistema intercambiador de calor y medir su desempeño en distintas circunstancias y lugares.

15. Por último, se probaron diferentes arreglos y se midió su desempeño para distintos climas representativos de México, en varios edificios habitacionales diseñados con criterios bioclimáticos.

16. Se calculó la huella ecológica y la reducción en emisiones de CO_2 en proyectos con consideraciones bioclimáticas en su diseño.

ANTECEDENTES

AUMENTO EN EL CONSUMO DE ENERGÍA

Un periodo histórico que se caracterizó por un avance tecnológico y cultural fue la revolución industrial (segunda mitad del siglo XVIII-principios del siglo XIX). La industrialización en los trabajos de manufactura generó una expansión del comercio y crecimiento del transporte. Este paso a la economía moderna produjo el crecimiento de grandes ciudades, donde se concentró una gran cantidad de habitantes, quienes aumentaron exponencialmente (solo en un siglo se duplicó el número de la población mundial). Este avance científico, técnico y económico, que desencadenó un alarmante crecimiento poblacional, produjo un uso irracional de los recursos naturales y energéticos.

PRODUCCIÓN ENERGÉTICA MUNDIAL

En 2010, la producción total de energía primaria a nivel mundial conservó porcentajes de hasta 31.8%, correspondiente al petróleo crudo; 28.1% para el carbón y sus derivados; 21.3% para el gas natural, energías renovables 13.2 % y la energía nuclear con 5.6% (Sener, 2013) (figura 11).

En la actualidad, para satisfacer la demanda energética mundial, las cifras anteriormente citadas de energía primaria equivaldrían a 12 789 millones de toneladas de petróleo crudo (IEA, 2012). Pese a que las energías renovables se incrementaron en 4.5% respecto a 2009, el porcentaje dependiente del petróleo y sus derivados continúa siendo alarmantemente mayor.

En cuanto a la producción de energía primaria por país, en 2010, las naciones más industrializadas y en apogeo económico, como China, Estados Unidos, Rusia, Arabia Saudita e India, participaron con 17.3%, 13.5%, 10.1%, 4.2% y 4.1%, respectivamente. Mientras, México ocupó el lugar número 12 con 1.8 % del total de la producción mundial (Sener, 2013).

Por otro lado, México es un importante país productor de petróleo, al estar en el noveno puesto con 3.8% del total de producción de petróleo crudo. Por encima, se encuentran países exportadores como Arabia Saudita (16%), Rusia (11.6%), Irán (5.8%), Nigeria (5.6%) y Emiratos Árabes Unidos (5.1%). Pese a la presencia de nuestro país como exportador, tiene un continuo aumento como importador, principalmente de productos derivados como la gasolina. En este último, México se situó en el lugar 21, con una aportación de 1%.

PRODUCCIÓN ENERGÉTICA EN MÉXICO

La producción de energía primaria en México sigue siendo encabezada con 64.1% por el petróleo; 22.9% corresponde a gas natural; 3.1%, a carbón; 1.2%, a energía nuclear; 1.1%, a condensados y 6.9% corresponde a energías renovables, como la geoenergía, solar y eólica (1.7%), hidroenergía (1.4%), biomasa y biogás (3.8%) (Sener, 2013) (figura 12).

Las energías renovables han tenido un ligero impuso en los últimos años. Muestra de ello son las centrales de generación eólica Oaxaca II y III, en 2011, y el aumento del aprovechamiento de la energía solar en 19.4% respecto a 2010 (Sener, 2013), lo que se reflejó en el aumento de calentadores solares y paneles fotovoltaicos. Por otra parte, la biomasa y el biogás han tenido, de igual forma, un incremento moderado en su uso y aprovechamiento con nuevos proyectos.

CONSUMO DE ENERGÍA POR SECTOR

Sector agropecuario. En este sector, el combustible de mayor consumo es el diésel, con 70.1% del total de energía consumida. En general, se alcanzó un incremento de 10.1% respecto a 2010 en el consumo por parte de este sector en 2011.

Sector residencial, comercial y público. En el sector residencial, el consumo solo incrementó 0.5%, de 2010 a 2011, debido a la preferencia del consumo eléctrico por parte de los hogares (crecimiento, expansión de las ciudades y aumento en la utilización de aparatos de climatización artificial). A esto se le suma el incremento en el consumo del sector comercial con 1.8%, más el sector público con 4.8%, en 2011, producto del consumo eléctrico por el bombeo de agua potable y aguas negras.

En otras palabras, hay un total de 7.1% mayor respecto a cifras del año pasado y su principal causa fue el crecimiento desmedido y sin planeación de las grandes ciudades. Este porcentaje nos permite ver la insuficiencia que se tiene para cubrir la enorme demanda de servicios por parte de una población que continúa creciendo de forma exponencial.

Sector transporte. Este sector reportó un crecimiento en 2011 de 1.7% respecto a 2010, el que estuvo encabezado por el autotransporte con 92% (producto en el aumento del parque vehicular en 3% (Sener, 2013) y a la facilidad otorgada para obtener un vehículo nuevo o usado a crédito). Es asombrosa la cifra en cuanto a estos créditos de autofinanciamiento: 169 077 en el transcurso de 2010 (INEGI, 2011); es evidente la importancia comercial por la venta de automóviles sobre los beneficios de un medio ambiente limpio y la mejora del trasporte público por parte del gobierno.

El sector industrial mostró un crecimiento de 5% respecto al año anterior. Las industrias que reportan mayor consumo energético pertenecen al ramo de la construcción; encabeza la lista la industria del hierro y el acero y, en segundo lugar, la fabricación de cemento (Sener, 2013).

El consumo final por sector está encabezado por el trasporte, con 48%, cuyo energético de mayor consumo fue la gasolina. Después se encuentra el sector industrial, con 29%, donde resalta el consumo de gas seco y electricidad. En el sector residencial, comercial y público, con 20%, destaca el gas LP. Finalmente, el sector agropecuario representa tan solo 3% (figura 13).

La economía de nuestro país aún depende, en gran medida, de la producción, exportación e importación de petróleo crudo y sus productos derivados. Esta es una situación alarmante, no solo en el aspecto económico, sino también ambiental. En México, hay 14.3 miles de millones de barriles de reserva de petróleo crudo, conforme a cifras de 2009 (Pemex, 2009).

Por otra parte, en octubre de 2012, Pemex informó en un comunicado que se encontraron dos nuevos grandes yacimientos de petróleo en el Golfo de México, específicamente en Tamaulipas. Dichas reservas aseguran estabilidad económica y en hidrocarburos por al menos 30 años más. Nuestras reservas, en un contexto global, representan un porcentaje muy bajo, hasta insignificante de manera individual (figura 14). Pese al corto lapso de reservas, no se ha tratado adecuadamente una política de planeación de transición energética.

TRANSICIÓN ENERGÉTICA Y SUSTENTABILIDAD EN MÉXICO

La transición energética plantea un cambio en el enfoque tradicional de su producción conforme a lo establecido en el artículo 26 de la Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y Transición Energética, en la cual el gobierno federal impulsa políticas, programas, proyectos y acciones con el propósito de fomentar una mayor utilización de las energías renovables y tecnologías limpias, promover la eficiencia y la sustentabilidad energéticas, así como reducir esta dependencia de los recursos fósiles (Sener, 2008b). En cuanto a esta ley, parece que todos aquellos aspectos importantes en torno a la transición energética han quedado en el papel, ya que nuestro gobierno sigue concediendo gran importancia a la producción energética tradicional dependiente de recursos fósiles e hidrocarburos, como se apreció en aquella “nueva” reforma energética.

Los principales objetivos de la nueva reforma energética y en los que se resalta de manera notoria la concentración en apoyo en la producción de energéticos tradicionales son los siguientes:

- Mantener la propiedad de la nación sobre los hidrocarburos que se encuentran en el subsuelo.

- Fortalecer el ahorro a largo plazo a través de la creación del Fondo Mexicano del Petróleo para la Estabilización y el Desarrollo, en beneficio de las generaciones futuras.

- Reducir los riesgos financieros, geológicos y ambientales en las actividades de exploración y extracción de petróleo y gas.

Como se observa, dicha reforma tuvo como punto principal a los hidrocarburos, se mencionaba al petróleo como un tipo de energético para el futuro y se planteaba invertir grandes sumas del erario en actividades de exploración y extracción de petróleo y gas natural. Es preocupante el enorme retroceso en políticas energéticas en México, donde el gobierno crea sus propios mitos y beneficios alrededor del petróleo, lo que genera controversia y desvía la atención de la verdadera crisis energética, con el mínimo o nulo apoyo al campo de las energías renovables.

La Estrategia Nacional de Energía (ENE) planteó como objetivos principales el diversificar las fuentes de energía, incrementar la participación de tecnologías limpias y reducir el impacto ambiental que produce el sector energético, así como la disminución de emisiones de gases de efecto invernadero (Sener, 2007).

La ENE se apoyó tanto en el sector energético como en institutos de investigación e instituciones de educación superior para compartir conocimientos, tecnologías e información, además de programas de difusión. Además, tuvo como metas principales la sustentabilidad ambiental, que incluía:

- Incrementar el aprovechamiento de gas natural a 99.4%, en línea con los estándares internacionales.
• Incrementar la participación de las tecnologías limpias en el parque de generación a 35%.

• Capturar el potencial de ahorro en el consumo final de energía para el aprovechamiento sustentable de la energía.

Existen barreras económicas y financieras que se manifiestan en los costos de inversión inicial para la generación de muchas de estas energías renovables, y que son altos al evaluarlos en el corto plazo. A estas barreras se suman otras de carácter técnico, asociadas con la eficiencia limitada de algunas de estas tecnologías, que todavía se encuentran en las etapas iniciales de desarrollo, y al mercado nacional, aún más rezagado por las políticas nacionales que se impulsan.

El Programa Nacional para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía (Pronase) identificó aspectos con un gran potencial en el ahorro de energía en los distintos sectores de consumo final citados anteriormente. Con base en ello, propuso aumentar la eficiencia energética en el mediano y largo plazos en algunas áreas de oportunidad; por tanto, se reduciría el consumo de energía en los sectores abordados. Con el fin de reducir el consumo de energía, se consideran los siguientes siete puntos:

- Transporte. Aborda el consumo de energía en el transporte automotor ligero, mediano y de carga pesada.

- Iluminación. Comprende las necesidades de iluminación a lo largo de los sectores residencial, comercial, servicios e industrial, así como dentro de las dependencias y entidades de la APF, los gobiernos estatales y locales.

- Equipos del hogar y de inmuebles. Se refiere al consumo de energía derivado del uso de los electrodomésticos, electrónicos y equipos de mayor consumo dentro de los hogares, lo que incluye aire acondicionado, refrigeración, ventilación y calentamiento de agua.

- Cogeneración. Identifica la posibilidad de ahorro de energía en las industrias con potencial de cogeneración.

- Edificaciones. Aborda las oportunidades de ahorro de energía derivadas de mejoras en las técnicas de construcción.

- Motores industriales. Actúa sobre el consumo de energía en motores trifásicos de menos de 75 HP, ya que representan la mayoría del parque y del consumo de motores en el país.

- Bombas de agua. Comprende el consumo de energía para fines de bombeo agrícola y municipal.

En particular, nos enfocamos en los puntos que abordan el ahorro de energía que se deriva de las técnicas constructivas y los que se refieren al consumo dentro de hogares, producto de la utilización de equipo eléctrico (aire acondicionado, refrigeración, ventilación y calentamiento).

En este proyecto de investigación se promueve el aprovechamiento de los recursos naturales por medio del uso de materiales de construcción adecuados a las condiciones climáticas de la región, así como la disminución del uso de equipos de climatización activa, que se reemplaza por sistemas pasivos de bajo consumo energético.

EMISIÓN DE GASES DE EFECTO INVERNADERO EN MÉXICO

Las principales fuentes emisoras de gases de efecto invernadero en México tienen relación con la energía (67.3%) (INEGEI, 2010). Tal categoría se integra por el consumo de energía en el sector transporte (22.2%), generación de energía (21.8%), otros consumos (4.6%), manufactura e industria de la construcción (7.6%) y fugitivas (11.1%). Mientras tanto, a nivel mundial, el rubro de la energía contribuye con 82% de las emisiones de GEI; de este, 44 % corresponde a la liberación de CO_2, efecto de la quema de combustibles fósiles (INEGEI, 2010). En México, las emisiones de GEI han tenido un incremento anual de 2.2%, debido principalmente a que 92.1% del consumo nacional de energía provino de combustibles fósiles.

En 2012, se emitieron 51.8 Tg CO_2 eq. por cada 1 000 Petajoules consumidos, donde se considera un porcentaje distinto en la producción de gases de efecto invernadero por sector.

En las emisiones de GEI asociadas con el consumo de combustibles, se considera a la industria energética tanto por generación de electricidad como consumo propio. Las emisiones vinculadas con la generación de electricidad aportaron 31.6% de las emisiones por consumo de combustibles en 2012, con 144.26 Tg CO_2 eq. (figura 15). Por su parte, el consumo del sector energético contribuyó con 8.4% del total de este tipo de emisiones, con 38.32 Tg CO_2 eq.

La categoría residencial emitió 4.7% del total, es decir, 21.30 Tg CO_2 eq, mientras que se emitieron 8.86 Tg CO_2 eq. en la categoría agropecuaria (2%) y la categoría comercial emitió 4.66 Tg CO_2 eq, lo que representa 1% de las emisiones del sector energético por consumo de combustibles; con un total de 7.6% entre los tres sectores (INEGEI, 2010).

La categoría de transporte contribuyó con 37.8% del total las emisiones de GEI por consumo de combustibles y en 2012 generó 172.43 Tg CO_2 eq. (Sener, 2012). Las emisiones de la categoría industrial por consumo de combustibles totalizaron 66.73 Tg CO_2 eq., que corresponden a 14.6% del total (INEGI, 2010).

Mientras tanto, por el lado de las emisiones de GEI vinculadas con el consumo de combustibles por tipo de energético, el petróleo y sus derivados aportaron 59.7% (figura 16) de las emisiones de GEI de México en 2012. Las emisiones de gas natural y condensados representaron 28.7% del total. En cuanto al carbón y sus productos derivados, estos aportaron 11.2% y, finalmente, la biomasa generó 0.3% del total de las emisiones de GEI (INEGI, 2010).

Estas cifras demuestran que el petróleo y sus derivados siguen siendo los de mayor consumo y que, al mismo tiempo, tienen un alto nivel de producción de GEI y CO_2 al quemarse, lo que causa un grave perjuicio al ambiente.

TARIFAS DEL SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL

Respecto al consumo eléctrico, este genera grandes cantidades de GEI (31.6% del total de los diversos sectores) y gran parte de este consumo se realiza en los hogares, principalmente en aquellos ubicados en el norte de la república mexicana, donde las condiciones extremas del clima y una vivienda mal diseñada (construida con materiales convencionales no acordes con las condiciones del sitio) ocasionan que los usuarios recurran a sistemas de climatización artificial de alto consumo para abatir las altas temperaturas del verano.

Por tal motivo, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) tiene ocho tarifas para uso doméstico; de las cuales, siete se aplican a distintas regiones del país de acuerdo con la temperatura media mínima en verano. En lugares como Sinaloa (con clima cálido seco) o Campeche (con clima cálido húmedo), que presentan altas temperaturas y que por ello recurren a equipos de refrigeración, la CFE otorga mayor subsidio (cuadro 1).

También se cuenta con otro tipo de tarifa (cuadro 2) que no depende de la temperatura del lugar, sino de la manera de consumir. Se trata de la tarifa doméstica de alto consumo, mejor conocida como DAC. Esta se aplica cuando se excede el límite establecido por localidad en el consumo mensual promedio (de los últimos 12 meses). Pensar en estrategias que promuevan el ahorro de energía en los hogares puede ser útil para evitar pagar más del doble, hecho que en muchas ocasiones afecta la economía de hogares desfavorecidos económicamente.

Al rebasar ciertos límites, los kilowatts/hora son cada vez más caros; por esta razón, los importes no son proporcionales a la cantidad de energía eléctrica consumida. En estos casos, un kilowatt de más puede incrementar considerablemente el importe a pagar del recibo de la luz. Muchas veces no es por un mal hábito de consumo, sino por falta de confort en los hogares, en los cuales se recurre irremediablemente a la climatización artificial.

CAPÍTULO 1. CLIMATIZACIÓN ARTIFICIAL EN EDIFICIOS Y EFECTOS NOCIVOS

AFECTACIONES POR ESTRÉS TÉRMICO EN CONDICIONES AMBIENTALES DE DISCONFORT

En la actualidad, el descontrolado crecimiento de las ciudades y el aumento de comunidades que se desarrollan en regiones marginadas, así como en asentamientos alejados con recursos limitados y localizadas en climas extremosos (figura 17), ha repercutido desfavorablemente en el empobrecimiento de las condiciones de salud y en la proliferación de enfermedades respiratorias causadas por estrés térmico y condiciones insalubres.

La implementación de estrategias de diseño bioclimático proporcionará una vivienda saludable que proteja a sus habitantes de las inclemencias ambientales y ofrecerá un espacio interior confortable donde las personas de escasos recursos económicos tengan la oportunidad de desarrollarse plenamente de manera saludable a la vez que procuran y cuidan los recursos naturales.

La relación entre las enfermedades respiratorias y las condiciones térmicas extremas derivadas de una vivienda precaria es un tema que debe analizarse mediante políticas ecológicas que promuevan el diseño bioclimático en hogares desfavorecidos al implementar acciones como la ventilación natural, ya que una ventilación pobre e ineficiente aumenta el riesgo de contagio de enfermedades infecciosas transmitidas en el aire, además de disminuir los niveles inadecuados de humedad que pueden propiciar la proliferación de gérmenes y alergias.

La mayoría de estas enfermedades son del tipo infeccioso, es decir, causadas por microorganismos, pero esto se acentúa con los cambios bruscos de temperatura. Como la vía de entrada de los microbios es a través de la nariz y la boca, las primeras manifestaciones suelen ser la tos y el estornudo, reacciones de defensa (INER, 2015).

VENTILACIÓN, AIRE ACONDICIONADO TRADICIONAL Y EFECTOS EN LOS USUARIOS

Desde el origen del hombre, este ha aprovechado la energía en sus distintas formas. Sin embargo, como se ha mencionado, a partir del siglo XVIII, con la revolución industrial y los avances tecnológicos que se desarrollaron, se olvidaron estas energías renovables y se comenzó a utilizar energéticos fósiles (como el carbón), lo que detonó el deterioro del medio ambiente por la contaminación del aire, la tierra y el agua, así como la tala y deforestación.

En la actualidad, se derrocha una gran cantidad de energía para iluminar, climatizar y ventilar las edificaciones. Existe una nociva dependencia a los combustibles fósiles que resulta en un daño para la humanidad, principalmente a su salud y economía (García Chávez, 1998).

En la actualidad, el aire acondicionado nos ayuda a combatir las altas temperaturas, producto de un mal diseño, y de esta manera se garantiza el confort, por ello existe un uso excesivo de este. Como se ha mencionado en múltiples estudios, estos sistemas de climatización artificial propician la proliferación de virus, bacterias y hongos que el mismo aire acondicionado esparce con mayor facilidad. Distintas patologías se producen, especialmente en vías respiratorias ya que, al inhalar directamente el aire frío, las defensas del epitelio bronquial se reducen y lo hacen más vulnerable a las infecciones por bacterias y virus. Los bronquios están recubiertos de este epitelio y cilios, donde se mueven y combaten posibles sustancias invasoras (Jacobs, Kelly & Sobolewski, 2007).

Los agentes contaminantes más peligrosos propagados por los sistemas de aire acondicionado son la bacteria legionella pheunumophilia, causante de una neumonía mortal, y los hongos aspergillus niger y fumigatus, que ocasionan la rinitis, el asma y la neumonía (Sheikh et al., 2010).

Como es bien conocido, los dos principales factores que aumentan el riesgo de afecciones respiratorias por climatización artificial son el cambio brusco de temperatura o estrés térmico, así como la falta de mantenimiento y limpieza de los sistemas de aire acondicionado, como el reemplazo de filtros.

El reemplazo periódico de filtros no solo hace más eficiente el proceso de filtrado que retiene partículas como polvo, bacterias y otros agentes dañinos, sino que también evita que estos se saturen de agentes patógenos, con lo que se previene su propagación.

El diseño bioclimático y en armonía con el medio ambiente es una solución para minimizar el uso excesivo de aparatos de climatización activa. Sin embargo, existen otras soluciones simples para reducir el impacto que estos tienen en espacios climatizados artificialmente. Por ejemplo, no utilizar temperaturas demasiado bajas —esta debe ser calculada a partir de la temperatura media— para mantener un espacio confortable aplicando el modelo adaptativo —esta debe oscilar entre los 22.2 ᵒC y 26.6 ᵒC, al considerar una actividad sedentaria desarrollada al interior (ANSI/ASHRAE, 2014)—. Por las noches, a la hora de dormir, la actividad metabólica del ser humano desciende, al igual que la temperatura. Al haber mayor sensibilidad y requerimientos de confort, la temperatura adecuada para un sistema de climatización debe rondar el límite superior de confort. Asimismo, se debe mantener una respiración adecuada inhalando siempre por la nariz, lo que puede asegurar que los espacios climatizados por aire acondicionado no dañen la salud, ya que el aire se calienta y humidifica al recorrer las fosas nasales.

El uso de aire acondicionado aumenta en regiones con climas extremos, por lo que su principal problema es el uso excesivo; reducir su utilización no solo beneficia a la salud, sino también ahorra energía y reduce los contaminantes producidos por generarla.

Actualmente, cerca de 50% de la energía del planeta se consume para refrigeración, calefacción, iluminación, calentamiento de agua, etc., en los edificios (García Chávez, 1996). Estos edificios climatizados artificialmente presentan un elevado ausentismo laboral por causa médica, donde las enfermedades respiratorias son la principal causa de incapacidad con hasta 31% (Saldarriaga & Martínez, 2007).

Según recientes investigaciones de especialistas inmobiliarios, al menos 30% de los trabajadores que laboran en las casi 200 000 oficinas públicas y privadas de México padecen enfermedades asociadas con la mala ventilación natural y de higiene (Notimex, 2013).

Desde 1982, la Organización Mundial de la Salud (OMS) ha definido al síndrome del edificio enfermo como un conjunto de enfermedades originadas o estimuladas por la contaminación del aire en estos espacios cerrados.

Las oficinas enfermas tienen algunos elementos químicos (como formaldehído, polvo o fibras de compuestos orgánicos, dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, ozono) o biológicos (como bacterias, hongos, esporas, toxinas o ácaros), concentrados por una deficiente o nula ventilación de los espacios.

En los centros de trabajo denominados “edificios enfermos”, sus ocupantes padecen irritaciones de ojos, nariz y garganta, sensación de sequedad en membranas, mucosas y piel, ronquera y respiración dificultosa. De igual forma, pueden sufrir eritemas, comezón, hipersensibilidades inespecíficas, náuseas, mareos y vértigos, dolor de cabeza, fatiga mental o elevada incidencia de infecciones respiratorias y resfriados.

La arquitectura internacional, con sus edificios de cristal característicos que generan reflejos sobre los ojos o las pantallas de las computadoras, con sus sistemas de climatización cerrados y sus temperaturas estandarizadas para toda la edificación, producen áreas de sobrecalentamiento y otras de bajo calentamiento al no considerar el tipo de actividad que se realiza en los distintos espacios.

En la zona metropolitana de las ciudades de México, Guadalajara y Monterrey, donde existen más empresas, se concentran más malestares propiciados por la mala ventilación, descompensación de temperaturas, cargas iónicas y electromagnéticas, entre otros; siendo estos últimos menos conocidos, pero igualmente dañinos.

Sin embargo, en muchos casos, esas oficinas comparten algunas características físicas, como iluminación, ionización, ruido, vibraciones, temperatura, humedad relativa o ventilación, que también pueden agravarse por factores sicosociales como estrés, ansiedad y agresividad.

CAMBIO CLIMÁTICO Y ALTERACIONES FÍSICAS AL SER HUMANO

El cambio climático, sus alteraciones y repercusiones al medio ambiente sin duda tienen un impacto en la salud del ser humano. Pese a la complejidad de causa y efecto, la falta de datos y el desconocimiento, existen algunos factores que podrían ayudar a mesurar los cambios en el clima local, así como aspectos relacionados directamente a este, como muertes relacionadas con el calor y enfermedades transmitidas por vectores no endémicos relacionados con la adaptabilidad al cambio climático.

Los posibles efectos en la salud por el cambio climático están asociados por la alteración de sistemas físicos, ecológicos y sociales. Lo anterior se ve claramente reflejado en las muertes por temperatura, la desnutrición, enfermedades infecciosas, la calidad del medio ambiente, desastres naturales y la misma estabilidad social.

En cuanto a lo referente a las temperaturas, existe el estrés térmico urbano por efecto de isla de calor donde se relaciona el impacto ambiental ocasionado por las grandes ciudades y la adaptación al medio (Wardekker et al., 2012).

El efecto de isla de calor es una condición exclusiva de grandes urbes, donde las grandes estructuras de hormigón, plazas y demás materiales absorbentes de calor lo acumulan y lo retienen, lo que dificulta la disipación térmica durante las noches. Los grandes centros urbanos, donde predominan edificios y superficies asfaltadas, desprenden por las noches el calor acumulado durante el día, lo cual produce vientos locales que corren del exterior a espacios interiores y causan ese molesto efecto de succión al abrir una puerta.

La acumulación de altas temperaturas en zonas urbanas se debe principalmente a la falta de áreas verdes. Se ha observado que el fenómeno de la isla de calor aumenta con el tamaño de la ciudad y que es directamente proporcional al tamaño de la mancha urbana (figura 18).

Los aspectos cualitativos por cambio climático, crecimiento de ciudades y efecto de isla de calor pueden tener un orden de magnitud o análisis delimitador, donde juegan un papel importante la incertidumbre estadística y de escenario, aunque siempre se hace referencia a aspectos cuantitativos como la estadística en salud (Dessai, 2004).

Todos aquellos efectos relevantes a la salud se relacionan con el cambio climático y sus variables ambientales, desde los impactos relacionados con las inundaciones y factores indirectos que repercuten en la biodiversidad hasta la disponibilidad de alimentos y otros factores sociales que agravan la problemática.

Las tormentas e inundaciones, agudizadas por el cambio climático y el aumento del nivel del mar, así como del desborde de ríos, afectan la salud, tanto por mueres directas como por la exposición a contaminantes por condiciones insalubres en zonas devastadas.

En México, las fuertes lluvias de los frentes fríos número 5 y 6 de otoño de 2007 provocaron un aumento del caudal de agua del Grijalva (figura 19) del orden de los 1 500 metros cúbicos por segundo, que fue determinante para la inundación de Villahermosa.

Varias causas han sido señaladas, como la apertura de las presas, la marea alta y la construcción de diques. Sin embargo, la causa de fondo, por la deforestación imparable de la selva tabasqueña y chiapaneca, fue excluida por los medios de comunicación masiva y las organizaciones gubernamentales. Un estudio de consumo de agua en la zona revela que una hectárea de selva consume diariamente 289 m^3 de agua cada 24 horas. Esto se traduce en un consumo de 0.003344 m3/s por hectárea de selva original (UNAM, 2007).

Otras causas con un efecto multiplicador son las relacionadas con la actividad humana y la construcción de viviendas poco planificadas en una zona de alto riesgo; se suma también la omisión de los gobiernos respecto a la prevención de desastres naturales en las zonas más afectadas por tormentas tropicales.

La infraestructura urbana y aspectos socioeconómicos influyen en la proliferación de enfermedades transmitidas por vectores en zonas devastadas por inundaciones, ya que el agua estancada aumenta la presencia de insectos portadores de infecciones, lo que genera riesgo de epidemia. La temperatura y humedad del sitio también son factores relevantes en el desarrollo y proliferación de estos vectores endémicos.

Otro factor que se atribuye al cambio climático son sus modificaciones sobre las concentraciones de contaminantes, ya que la temperatura y otras condiciones meteorológicas, como el ozono y partículas suspendidas, influyen en la calidad del aire.

La desaceleración que presenta la recuperación de la capa de ozono y la nubosidad influyen también en cómo afecta indirectamente la exposición a la radiación UV. La interrelación entre cambio climático, ozono y rayos UV es compleja y difícil de medir, pero sus efectos son bien conocidos como la principal causa de cáncer de piel.

El ozono estratosférico es un escudo efectivo que nos protege de la más dañina radiación ultravioleta (UVB). Para explicar el aumento de la radiación ultravioleta incidente sobre la Tierra, necesariamente debemos referirnos al ozono estratosférico. La principal causa de la destrucción del ozono estratosférico y del consecuente adelgazamiento de la capa de ozono es la contaminación con ciertos compuestos fluorocarbonados presentes en los aerosoles, sistemas de aire acondicionado y refrigeración. Nuestro país se encuentra afectado por la disminución de la capa de ozono que se registra sostenidamente a nivel mundial.

REDUCCIÓN DEL IMPACTO POR CAMBIO CLIMÁTICO Y BENEFICIOS ENERGÉTICOS EN LA VIVIENDA

La vivienda, que provee abrigo ante el intemperismo y garantiza la seguridad y protección de sus habitantes, debemos considerarla más que una estructura, pues en ella se llevan a cabo múltiples acciones, razón por la cual está dividida en distintas habitaciones (dormitorios, cocina, baño, sala de estar), lo que permite el empleo de los sentidos para el ejercicio de la cultura, el procesamiento y consumo de alimentos; además, ofrece los recursos para la higiene, otorga un espacio para el descanso y la recreación, un lugar para la convivencia y para el aprendizaje de distintas actividades que habrán de realizarse en la vida cotidiana.

Por otra parte, debemos tomar en cuenta la implementación de redes técnicas que proveen los distintos servicios básicos (energía, comunicación, movilidad, suministro de agua potable y evacuación de aguas residuales) y cómo, a su vez, estos consideran el acceso a servicios educativos, médicos y religiosos.

Evaluar como un agente de riesgo o un agente de salud las condiciones de vivienda no es extraño. Después de todo, con el paso de los años y de acuerdo con los distintos tipos de vivienda que han surgido (desde las cavernas a la vivienda actual), el hombre afinó la exigencia de condiciones ambientales favorables. Por ejemplo, modificó su resistencia ante los climas extremosos, pero también las habilidades de supervivencia, como cocinar y vestirse, además de adaptar medidas de higiene según distintas culturas, para sí y para sus espacios.

Hay que tomar en cuenta que, al mismo tiempo, la vivienda es una representación de la familia, de las estructuras sociales y hasta de la informalidad en el comercio reflejada en la creación de viviendas-almacén, viviendas-comercio, viviendas-taller, las cuales no están destinadas exclusivamente a la función familiar, sino también a la laboral.

La crisis de la vivienda no está aislada de otros factores como la economía, el bajo nivel de escolaridad, el desempleo y la política. Esto se traduce en que la producción y distribución de la vivienda esté regulada por las leyes de la oferta y la demanda libres, que no siempre son proyectos exitosos, pues los programas no funcionan en la realidad en la que fueron implementados.

En cuanto a los asentamientos irregulares (figura 20), cabe mencionar que el sector menos favorecido de la población representa la mayor parte de estos, los cuales no cumplen con las condiciones necesarias para la implementación de los servicios básicos; mientras que, en el sector rural, los habitantes deben resolver sus problemas de obtención de agua y de disposición de las residuales.

La vivienda, al concebirla como una construcción, es un sistema complejo y dinámico compuesto por varios microambientes. En él intervienen diversos factores (temperatura, humedad, ruido, luz, etc.) que, a su vez, influyen en el confort (por ejemplo, el síndrome del edificio enfermo) y en la salud de sus ocupantes. Por supuesto que la vivienda es uno de los factores que más influyen en la salud del individuo y sus condiciones son determinantes.

Baste considerar la calidad del agua de consumo, que podría ser la causa de diversas enfermedades como vómito, diarrea, cólera, tifus; la correcta ventilación de la vivienda para prevenir infecciones respiratorias y de contagio de enfermedades; las zoonosis de los animales domésticos y enfermedades transmitidas por vectores, insectos y roedores (paludismo, dengue, entre otros); contagio de enfermedades virales por una ventilación deficiente, como ya se ha mencionado; la ausencia de humedad para evitar el crecimiento microbiano; también deben considerarse los accidentes domésticos que sufren los niños (una tercera parte corresponde a menores de cinco años) y los ancianos. Entre los factores de riesgo de las condiciones de la vivienda, se debe estimar el ruido, la sobrecarga o déficit calórico, la ventilación, las radiaciones ionizantes relacionadas con las concentraciones de radón en el aire del domicilio y el gas en el sustrato; la falta de protección al ultravioleta, la iluminación adecuada, la radiación infrarroja y los campos electromagnéticos no ionizantes provenientes de las líneas de transmisión doméstica. Aunado a todo esto, no se debe olvidar que la infiltración del aire exterior importa diversos contaminantes químicos, como el monóxido de carbono, dióxido de azufre, ozono, óxidos de nitrógeno, polvo, benceno, plomo de cañerías, pinturas.

A lo largo de este capítulo se han abordado todos los factores que determinan la calidad interior de un espacio habitable para que pueda ser confortable y, aun con mayor énfasis, saludable.

En este sentido, es indispensable que el diseño no solo procure un mejor aprovechamiento del espacio para que los habitantes cumplan de manera eficiente las funciones que deben desarrollarse en ella, sino que se debe estar consciente de los materiales que se utilizarán al considerar la disponibilidad, accesibilidad, adecuación, conformación, economía y el intemperismo. Las interacciones medioambientales pueden resultar favorables para el desarrollo de la salud y bienestar, siempre y cuando hablemos de espacios saludables.

Si contamos con una vivienda saludable, también tendremos ciudades saludables, es decir, abordamos la misma circunstancia pero a diferentes escalas. ¿Cómo lograrlo? Con la creación de una vivienda que brinde protección contra enfermedades transmisibles, que evite lesiones, envenenamientos y exposiciones térmicas que conlleven padecimientos crónicos; que propicie el desarrollo integral de sus habitantes, que se aleje de factores como la violencia intrafamiliar y estrés, y que cuente con los servicios necesarios (salud, educación y trabajo).

Dentro de las condiciones fundamentales y mínimas, debe considerarse la tenencia del lote, la ubicación segura, diseño y estructura para la sana convivencia, la planificación sostenible (figura 21) del lugar, la calidad de los servicios básicos, contar con los bienes (muebles y utensilios) para la vivienda; además, que en el entorno debe promoverse el estado de vida saludable y ser adecuado para la comunicación.

Si bien proveer viviendas saludables es una tarea multidisciplinaria y dirigida hacia la prevención, se debe mencionar que es un agente de salud y que su diseño, localización y construcción, su uso y mantenimiento también dependerá del territorio geográfico y social, así como la educación sobre estilo y condición de vida saludable de sus moradores. Es por ello que, para generar una estrategia la cual considere la conceptualización y el diseño, el soporte institucional y legal, así como la aplicación operativa, se tomarán en cuenta los aspectos institucionales, tecnológicos, metodológicos y educativos (Auer & Guerrero, 2011).

PRINCIPIOS DE DISEÑO PARA EDIFICACIONES VERDES

Otro tema relevante en la vivienda es el empleo de materiales adecuados en la envolvente que nos ofrezcan aislamiento térmico y que, en su producción y empleo, no generen o emanen sustancias tóxicas nocivas a la salud.

La salud de una población depende, en parte, de un adecuado y planeado crecimiento de las ciudades, así como de una construcción armónica y respetuosa del clima, topografía, edafología, geología, recursos hídricos y naturales, etc. Para 2013, la Organización Mundial de la Salud estimó que 60% de la población viviría en ciudades y que el mayor crecimiento urbano tendría lugar en poblaciones de escasos recursos.

Las enfermedades producidas por el frío y la humedad pueden ser combatidas con mejoras en la construcción, como el uso de materiales aislantes en las viviendas. Al ser el sector de escasos de recursos el más afectado por las inclemencias del tiempo, esto representaría también ahorros en el sector salud con un sólido argumento económico.

El empleo de sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental que dependan de un mínimo consumo energético no solo mejoraría las condiciones térmicas al interior, también abonaría a una buena salud física y mental (beneficios que otorga un espacio confortable), además de reducir los accidentes domésticos por quemaduras o contaminación del aire interior que han ocasionado la muerte de aproximadamente 2 millones de personas; de las cuales, un millón ha sido por neumonía infantil debido a fogones y estufas de carbón que son empleados comúnmente como sistemas de calefacción en viviendas de escasos recursos (OMS, 2009) (figura 22).

El IPCC examinó varias estrategias para la mejora en el sector residencial. Los principales puntos analizados fueron los siguientes:

- Principales factores de riesgo en la vivienda que producen problemas a la salud (enfermedades respiratorias, infecciosas y de transmisión por vectores).

- Estudios acerca de los beneficios a la salud con estrategias aplicadas a la vivienda, como programas de aislamiento y eficiencia energética (mejora de la envolvente térmica).

Las conclusiones fueron revisadas en octubre de 2010 en una reunión internacional sobre vivienda y salud convocada por la Organización Mundial de la Salud. El concepto de vivienda saludable de la OMS comprende distintos aspectos interrelacionados, como la estructura de la casa, el entorno social y del sitio, los factores ambientales y los distintos riesgos por causas naturales.

Las viviendas localizadas en regiones pobres con condiciones climáticas extremas y con recursos hidráulicos limitados tienen considerablemente menor acceso a condiciones sanitarias adecuadas y a una infraestructura básica de salud, lo que también ha causado más de 1.9 millones de muertes humanas (OMS, 2004).

El crecimiento tecnológico, que se ha presentado con mayor intensidad a partir de la mitad del siglo XX hasta la actualidad, ha provocado por su parte un excesivo incremento del consumo energético debido a que las actividades cotidianas, así como las nuevas infraestructuras, requieren mayor uso de energía para su adecuado funcionamiento; sin embargo, es importante considerar que cada vez que se emplea energía derivada de la quema del petróleo, carbón o gas natural (combustibles fósiles) para las diversas actividades cotidianas en todos los sectores, lo que incluye el de las edificaciones, se emiten gases de efecto invernadero, principalmente dióxido de carbono (CO_2), los cuales no solo dañan el medio ambiente, sino que además representan un riesgo inminente para la salud de las personas. Por ello, es de suma importancia considerar el adecuado equilibrio de los factores ambientales que intervienen en el diseño arquitectónico de cualquier espacio y edificio.

Es eminente el aumento de las emisiones de GEI, producto del crecimiento de las grandes ciudades. Tan solo en 2008 la huella de carbono que provino de la vivienda y edificios residenciales representó 18% de las emisiones directas de CO_2, del cual 11% corresponde a sistemas activos de climatización, electrodomésticos e iluminación (IPCC, 2007).

Todas las estrategias mencionadas tienen como finalidad reducir el cambio climático al aportar importantes beneficios sanitarios, por lo que es de suma importancia una sinergia entre el sector salud y el medio ambiente para obtener una vivienda digna.

La aplicación de soluciones alternativas en climas cálido áridos de México puede coadyuvar a reducir el impacto ambiental del elevado consumo de energía convencional y la emisión de contaminantes a la atmósfera (García Chávez, 1996). En la actualidad, existen en México alrededor de 23 millones de viviendas que cuentan con energía eléctrica, las cuales contribuyen con la demanda de electricidad e hidrocarburos (Conavi, 2006).

La aplicación de estrategias de arquitectura bioclimática y el aprovechamiento sustentable de los recursos naturales disponibles en las edificaciones conlleva a la integración de nuevas consideraciones a lo largo del proceso constructivo de la vivienda, así como a un cambio en las tecnologías y sistemas de construcción con un enfoque sustentable (García Chávez, 1996).

Se requiere brindar atención adecuada a la planificación, diseño y aplicación de prácticas concretas y reales para que dentro de la vivienda existan condiciones para el ahorro de la energía. Con la integración de las propuestas bioclimáticas a partir del diseño de una vivienda se puede reducir significativamente el consumo de energía y, por ende, las emisiones de CO_2, con lo que se obtienen beneficios en el nivel ambiental, además de bienestar, confort y salud en los usuarios (García Chávez, 1996).

Como ya se mencionó en este capítulo, las distintas energías presentes en el planeta provenientes (directa o indirectamente) del sol, como el viento, son de vital importancia para el ser humano.

El viento, desde el principio de la humanidad, ha sido una herramienta fundamental para desplazarse en el mar y accionar molinos con diversos propósitos.

En regiones de China y Persia, se han encontrado vestigios de los primeros molinos de viento con una antigüedad mayor a 2 500 años (Lohrmannn, 1995) y, de manera más reciente, se utiliza para generar electricidad de forma limpia.

Dentro de la arquitectura y urbanismo actual, prevalecen premisas de diseño que se han alejado de los principios básicos para el diseño del hábitat humano; olvidan cómo proporcionar un espacio saludable, confortable y sustentable, un espacio que sea un refugio de las condiciones adversas del ambiente pero, a la vez, que conforme una unidad.

El viento es un factor fundamental para el diseño arquitectónico, pues ofrece una gran variedad de beneficios que mejoran considerablemente las condiciones de un espacio. Entre estas, podemos resaltar: aire limpio y fresco, climatización natural, energía mecánica para múltiples usos y generación eléctrica.

El movimiento del aire al interior es fundamental para el confort térmico humano: ayuda a disipar por convección el exceso de calor del cuerpo, así como a la evapotranspiración. El viento es un elemento climático fundamental en arquitectura para la dispersión del aire contaminado por monóxido de carbono, dióxido de carbono, polvo, ceniza y malos olores (producidos por las diversas actividades humanas) al interior del edificio, reemplazando este aire viciado por un aire exterior fresco. El control de la ventilación, según las características climáticas de las distintas regiones del país, puede lograr:

- Enfriamiento o calentamiento por procesos termoconvectivos

- Enfriamiento evaporativo por aire húmedo

- Deshumidificación por condensación

- Ventilación para enfriamiento y deshumidificar

- Renovación de aire

HISTORIA DE LA ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

Como se ha comentado a lo largo de este capítulo, la importancia del viento en arquitectura, al igual que los principios básicos de diseño bioclimático, parte de una misma energía elemental, el sol.

Desde los principios de la humanidad, el sol fue venerado como una deidad. En la antigua Grecia fue representado como el dios Helios y, ahí mismo, hace más de 2 400 años, las viviendas eran construidas para aprovechar pasivamente la energía. Se pensaba en cómo diseñar los edificios para aumentar la ganancia durante los meses de invierno, al orientarlo adecuadamente y procurando que las casas fueran expuestas al sur para captar los rayos solares en las épocas más frías del año (figura 23).

Por otra parte, en Roma se promulgó el derecho al sol y el uso del vidrio para atrapar el calor en el interior de los hogares. En 1867, el científico suizo Horace de Saussare desarrolló el primer colector solar. Edmond Becquerel, un físico francés, observó el efecto fotoeléctrico en 1839 y algo realmente sorprendente es que en la Exposición Universal de París de 1878 se exhibió el motor de Mouchot, que producía hielo utilizando el calor solar concentrado. Sin embargo, la facilidad de conseguir carbón significó que este fuera cada vez más barato, lo que redujo la necesidad de investigar energías alternativas. Finalmente, el gobierno francés evaluó en un informe que la energía solar no era rentable, al considerar la investigación de Augustin Mouchot como irrelevante y poner fin a su financiamiento (Gordon, 2009).

Es una triste realidad que el ser humano, a lo largo de la historia, ha optado por lo más fácil y aparentemente conveniente, lo que llevó a dejar de lado los tantos años de valiosa investigación de Augustin Mouchot, quien comenzó en 1860 con una cocina solar experimental.

Por otra parte, la energía eólica comenzó a utilizarse hace más de 5 000 años por los egipcios para impulsar sus barcos de velas. Las primeras máquinas eólicas de las que se tiene documentación datan del siglo VI, como el molino, que es un artefacto diseñado para transformar la energía de movimiento del viento y el agua en una energía aprovechable para la actividad humana. Aunque los molinos de agua son una invención muy antigua, no será hasta el imperio persa cuando se invente el molino de viento. Estos primeros molinos eran de eje vertical y se utilizaban para moler granos y bombear agua en la región de Seistán, entre Irán y Afganistán. En el siglo XI, los molinos de viento eran extensivamente utilizados en el Medio Oriente y ya en el siglo XIII, como consecuencia de las Cruzadas, fueron introducidos en Europa.

Posteriormente, el diseño de los molinos de viento de eje horizontal, cuya principal característica fue el uso de velas triangulares a modo de palas, permitió ajustar la superficie de captación, según la velocidad del viento, al desplegar las “velas” (Anta, 2008).

En Holanda estos molinos de viento tuvieron mayor auge para diversas tareas a mediados del siglo XIX. Lamentablemente, con la introducción de las máquinas de vapor durante la revolución industrial, su uso comenzó a declinar. Para mediados del siglo XX, muy pocas de estas máquinas estaban en condiciones de operar.

Como se ha analizado, el medio ambiente nos provee de todas las herramientas necesarias para el aprovechamiento pasivo y acondicionamiento natural de los espacios para construir viviendas bien ventiladas, bien iluminadas y en condiciones térmicas confortables.

Al utilizar combustibles limpios, estufas de biogás o queroseno (al descartar las de carbón y biomasa), al prescindir del aire acondicionado y recurrir a sistemas de enfriamiento pasivo, al reducir el consumo eléctrico en aparatos, instalaciones de luz o dispositivos, se contribuye al bienestar de una familia. Un ejemplo de arquitectura ecológica que conserva un respeto al medio ambiente, que se integra y aprovecha su entorno, ha sido —desde ya hace muchos años— la construcción tradicional o vernácula.

La arquitectura vernácula y el empleo de materiales regionales, así como su misma elaboración tradicional, evita caer en el abuso y explotación indiscriminada de los recursos. Esto ayuda a que, una vez terminada su vida útil, se reintegren al medio natural; de esta manera, se genera una arquitectura sustentable con pleno respeto hacia la naturaleza, lo que se traduce en el mantenimiento y conservación de los recursos naturales (Torres, 2007).

CAPÍTULO 2. CLIMA DEL LUGAR Y ARQUITECTURA TRADICIONAL

REGIONES CLIMÁTICAS DE LA REPÚBLICA MEXICANA

Los elementos del clima y las condiciones atmosféricas representativas de las distintas regiones del país determinan el bioclima. El periodo mínimo de datos observados debe ser de al menos 30 años para definir el tipo de clima. El método de clasificación más utilizado es el propuesto por Wladimir Koppen, en 1918, en el cual la definición climática se basa en la relación de los principales grupos de vegetación con el clima, motivo por el cual se define como clasificación “bioclimática” (figura 24).

La clasificación climática de Koppen relaciona los datos de temperatura y precipitación de forma anual y mensual. De estos datos, resultan cinco grupos climáticos fundamentales: grupo de climas A: cálido húmedo; grupo de climas B: seco; grupo de climas C: templado húmedo; grupo de climas D: boreal, y grupo de climas E: polar.

La república mexicana cuenta con climas A, B y C, como se describe a continuación:

- Grupo de climas A. En los climas cálido húmedos, la temperatura media del mes más frío está por arriba de los 18 ᵒC, presentan altas temperaturas con muy poca oscilación prácticamente todo el año. La precipitación anual es mayor a los 1 000 mm y tienen altitudes menores a los 800 msnm.

- Grupo de climas B. Estos climas son secos con baja precipitación y alta evaporación. Para definir el tipo de clima seco, se considera tanto la temperatura como la precipitación, en cuyo caso existen dos principales climas secos: clima desértico (BW) y clima estepario (BS).

- Grupo de climas C. En los climas templado húmedos, la temperatura media del mes más frío está por debajo de los 18 ᵒC y arriba de los -3 ᵒC. En estos climas es muy marcada la diferencia de temperaturas entre invierno y verano.

A su vez, todos estos grupos aún pueden subdividirse según la precipitación y otros factores climatológicos. Con base en las modificaciones realizadas por Enriqueta García (1964) para ajustar la clasificación de Koppen a las condiciones climáticas particulares de la república mexicana y de acuerdo con la clasificación propuesta por Rosalía Vidal, hay 11 regiones bioclimáticas en México:

- Región 1. Noroeste. Oeste de la península de Baja California.

- Región 2. Golfo de California. Este y sureste de la península de Baja California, llanura costera de Sonora, declive de la Sierra Madre Occidental en Sonora y elevación de Sierra Madre Occidental en Chihuahua.

- Región 3. Pacífico central. Llanura costera del Pacífico, declive oeste de la Sierra Madre Occidental, extremo sureste de Baja California, sur de Sonora, Sinaloa, oeste de Durango, Nayarit, suroeste de Zacatecas y oeste de Jalisco.

- Región 4. Norte. Chihuahua, Coahuila, Durango, Zacatecas, Nuevo León y San Luis Potosí.

- Región 5. Centro. Meseta central y eje volcánico.

- Región 6. Noreste. Vertiente de la Sierra Madre Oriental y llanura costera del Golfo de México.

- Región 7. Golfo de México. Vertiente este de la Sierra Madre Oriental, sur de la Sierra de Tamaulipas, llanura costera del Golfo de México (norte de Veracruz, norte de Chiapas y suroeste de Campeche).

- Región 8. Cuenca del río Balsas y valles de Oaxaca. Parte de los estados de Jalisco Michoacán, Guerrero, Morelos, Puebla, Oaxaca y Estado de México.

- Región 9. Pacífico sur. Desde bahía de Banderas al istmo de Tehuantepec (litoral del océano Pacífico).

- Región 10. Sureste. Sur del istmo de Tehuantepec y parte de centro y sur de Chiapas.

- Región 11. península de Yucatán. Parte de Campeche, Yucatán y Quintana Roo.

Las 11 regiones climáticas de México (figura 25) agrupan un conjunto de estados o provincias con características medioambientales similares por su orientación geográfica y topografía; aspectos como el viento, precipitación, marcha anual de temperatura y oscilación térmica presentan un parecido.

Esta clasificación, según la fisiografía del país, permite que las sierras actúen como barreras climáticas y conformen un límite natural para la diferenciación de factores como la temperatura y la humedad (Fuentes, 2004).

CLIMA Y RECURSOS NATURALES DE MÉXICO

Gran parte de la república mexicana se encuentra en la plataforma continental por encima del nivel del mar. Como ya se mencionó, existen dos sistemas montañosos que poseen la capacidad de crear barreras climáticas: la Sierra Madre Occidental y la Sierra Madre Oriental, donde se encuentra una región denominada altiplanicie mexicana. En las regiones sur y sureste existe una maza de montañas volcánicas donde destaca el istmo de Tehuantepec.

La característica más prominente de la topografía mexicana es la existencia de una gran plataforma central con dos grandes valles, el bolsón de Mapimí y el valle de Anáhuac, al centro de México. La zona del bolsón de Mapimí, o Comarca Lagunera, se encuentra en la sección septentrional de la altiplanicie mexicana, al norte de las sierras de Zacatecas y San Luis Potosí, mientras que el valle de Anáhuac, conocido también como valle de México, es una región geográfica que se localiza en el centro sur de la república mexicana.

México está dividido por el Trópico de Cáncer, cuyas regiones centro y sur se encuentran en una zona templada, donde el clima varía de acuerdo con la altura. En estas puede haber una variación de temperaturas de 17 °C a 21 °C, mientras que en las zonas semifrías el promedio es de 6 °C a 19 °C. En las regiones bajas o llanuras costeras, hay un clima cálido húmedo todo el año. En estas, la humedad ambiental es extremadamente alta y las temperaturas pueden variar por muy pocos grados.

Los recursos naturales en México son muy diversos. Casi todos los minerales pueden encontrarse como reservas en este país, donde se incluye el cobre, hierro, fosfato, uranio, plata, oro, cobre y el zinc, entre otros. Si bien México es productor de petróleo y gas natural, este capítulo analiza el potencial de los recursos naturales aprovechables en la construcción de viviendas de bajo impacto con sistemas tradicionales.

Debido a la gran extensión territorial, la flora y fauna mexicanas son extremadamente variadas. En cuanto a la vegetación, destacan los árboles maderables, que son potencialmente materia prima en la construcción tradicional, la vegetación desértica en algunas regiones, así como palmas y cocoteros, entre otros, que también pueden ser aprovechados para la conformación de cubiertas.

Este capítulo se ocupa de comprender la relación que existe entre el clima de la región, la influencia de este con el sitio y, por ende, el tipo de vegetación y recursos naturales disponibles en la zona. Dichos elementos presentes en la naturaleza pueden ser aprovechados para la construcción de viviendas que armonicen con su entorno, medio físico y ambiental.

La arquitectura vernácula o tradicional responde principalmente a las necesidades de los hombres de acuerdo con los recursos del lugar y las condiciones (tanto climáticas y geográficas, como sociales y de organización) de cada una de las numerosas comunidades que integran nuestro país. La arquitectura tradicional busca siempre la utilización racional de las materias primas locales por medio de una lógica de aprovechamiento. Como resultado, la arquitectura tradicional se integra al contexto geográfico, ya que únicamente se reordenan los elementos del paisaje.

ARQUITECTURA VERNÁCULA EN MÉXICO

Entre los rasgos que componen la arquitectura vernácula está el que se puede leer parte de la historia de nuestro país: en la mexicana, por ejemplo, se distingue una mezcla de elementos indígenas y europeos.

El desplazamiento de construcciones tradicionales por nuevas tecnologías conlleva no solo una pérdida de identidad, sino que implica un impacto mayor al medio ambiente debido a las técnicas contaminantes empleadas para la generación de materiales de construcción como el cemento y el acero.

A este proceso industrializado de fabricación se debe añadir el trasporte. En primera instancia de la materia prima y después del producto terminado a sus puntos de venta, para finalmente volver a ser transportados al sitio de construcción.

A lo largo del territorio nacional, existen distintos ejemplos particulares de arquitectura vernácula, cada una con características y técnicas variadas, pero con aspectos en común, desde materiales hasta el respeto al ambiente.

Las regiones de arquitectura vernácula en México (figura 26) se dividen conforme a sus características distintivas y a las condiciones climáticas en las que se construyen, ya que es un factor importante en la definición del diseño (en cubiertas, espacios abiertos, etc.) (López, 1987). Destacan regiones como:

1. El noroeste mexicano

2. El noreste

3. Michoacán

4. El centro de México

5. La costa del Golfo de México

7. La costa chica de Guerrero y Oaxaca

8. Chiapas

9. La península yucateca

10. La llanura tabasqueña

6. La Huasteca

CONSIDERACIONES AMBIENTALES EN LA ARQUITECTURA VERNÁCULA

Un adecuado análisis climático que se aplique en la arquitectura vernácula es un claro ejemplo de la adaptación de las viviendas a la región donde se construyen. La autoconstrucción aplicada por los antiguos pobladores se realizó empíricamente tras considerar las condiciones y necesidades de la región donde se llevaba a cabo. Pese a no contar con una metodología científica de análisis climático, las estrategias de diseño bioclimático aplicadas en la arquitectura tradicional son muy cercanas a las obtenidas por parámetros bien estudiados, como los presentes en las tablas de Mahoney.

El método diseñado por Carl Mahoney para ayudar en el diseño de viviendas en países tropicales comienza con un análisis de los datos climáticos, mes a mes, del lugar que se considera, al seguir un conjunto de reglas para generar una tabla que provee información para ayudar al diseño de la vivienda. Este conjunto de recomendaciones nos proporciona un conjunto de recomendaciones para el diseño arquitectónico:

- Distribución

- Espaciamiento

- Ventilación

- Tamaño de aberturas

- Posición de aberturas

- Protección de aberturas

- Espesor y retardo térmico en muros y pisos

- Configuración de techumbre

- Características de espacios nocturno-exteriores

El análisis de los parámetros climáticos de un clima cálido seco, como el presente en la ciudad de Chihuahua, según la metodología propuesta por Mahoney (cuadro 3), nos propone recomendaciones bioclimáticas muy semejantes a las que existen en la construcción de viviendas tradicionales.

En el siguiente subtema se describe un análisis comparativo de las consideraciones bioclimáticas para el diseño arquitectónico obtenidas por la metodología de tablas de Mahoney y los ejemplos representativos de arquitectura vernácula, donde claramente se aprecia su aplicación.

Estrategias bioclimáticas aplicadas en la arquitectura tradicional en climas cálido secos del norte de México

La región norte del país, que posee un clima extremoso y que presenta temporadas de sequía y altas temperaturas, es una de las zonas donde la adaptabilidad al medio fue fundamental para la supervivencia de sus pobladores; desde las primeras cuevas que contaban con un muro a la entrada a modo de protección contra el viento hasta las primeras haciendas novohispanas construidas con anchos muros de adobe y que caracterizaron las llanuras de Chihuahua, las cuales sirvieron como refugio ante la inclemencia del medio.

Una de las principales características de la vivienda al norte de la República fue su sencillez y aprovechamiento de los materiales disponibles localmente. La distribución espacial de estas casas, por lo general, fue lineal con una orientación norte-sur y el eje largo este-oeste, lo que favorece un adecuado control del asoleamiento.

Las áreas con las que estas viviendas contaban eran las fundamentales para que el usuario llevara a cabo sus actividades cotidianas. Los espaciamientos, por lo general, eran en proporción de tres (cocina, recámara, bodega), con un patio arbolado a modo de protección contra vientos. Los locales son de una galería, lo que facilitaba la ventilación cuando era necesario.

El tamaño de las aberturas presentes en las fachadas era pequeño. Miden alrededor de 20% a 30% respecto al macizo y la posición de estas se localizaba en la fachada norte y sur, a la altura de los ocupantes, generalmente a barlovento (figura 27).

La protección de las aberturas era proporcionada gracias al gran espesor de los muros, donde existía la posibilidad de remeter las ventanas para lograr un sombreado total. En cuanto a los materiales que componen la envolvente térmica, los muros y pisos son masivos, al igual que la techumbre, con el fin de generar el mayor retardo térmico posible, al procurar que sea mayor a ocho horas.

Estrategias bioclimáticas aplicadas en la arquitectura tradicional en climas cálido húmedos, característicos de las costas mexicanas

El clima presente en las costas de México es característicamente cálido húmedo: se presentan altas temperaturas sin oscilación todo el año y un alto nivel de humedad por su cercanía a grandes masas de agua, como los océanos. La ciudad de Veracruz es un lugar con clima cálido húmedo, donde el análisis para obtener la tabla de recomendaciones bioclimáticas de Mahoney (cuadro 4) nos muestra las adaptaciones necesarias al proyecto arquitectónico para que sea apto al medio ambiente de la región.

La planta arquitectónica muestra la distribución espacial de las viviendas en la costa, las cuales tienen una configuración de eje largo. En este caso, la orientación fue planeada en función de los vientos dominantes de la región, donde la fachada principal está dispuesta perpendicularmente a los vientos. Para una mejor ventilación y que esta fuera constante, los locales con mayor requerimiento de confort estaban compuestos de una sola galería. En este tipo de climas, la ventilación cruzada es necesaria para disminuir la temperatura y los altos niveles de humedad. El tamaño de las aberturas entre 50% a 80% es fundamental para una buena ventilación, así como la posición de estas a barlovento y que estén a la altura de los ocupantes.

La protección de las aberturas requiere un sombreado total y permanente, por lo que es muy común el empleo de pórticos. Los muros y pisos son ligeros, mientras que la cubierta está bien aislada. Las viviendas en la costa de Veracruz contaban, en su mayoría, con un espacio exterior, a modo de patio central, donde se dirigían las bajadas de agua por la gran precipitación presente.

Estrategias bioclimáticas aplicadas en la arquitectura tradicional en climas semifríos del centro de México

El clima predominante en la parte central del país va de templado a semifrío. La principal estrategia de diseño en un clima semifrío, como el de Ciudad de México, según las tablas de Mahoney (cuadro 5), es una adecuada orientación que permite aprovechar al máximo el asoleamiento y las ganancias solares, además de tener una distribución que favorece la orientación sur en la fachada principal. El espaciamiento, por otra parte, cuenta con una configuración compacta para favorecer el calentamiento de espacios pequeños.

CONSTRUCCIÓN TRADICIONAL AL NORTE DE MÉXICO

La zona norte de la república mexicana es muy diversa y extensa, motivo por el cual encontramos diversos tipos de climas y orografía en la región. Los estados que conforman el noroeste son Durango, Sonora, Sinaloa, Chihuahua, Baja California y Baja California Sur.

En el estado de Chihuahua se presentan tres grandes regiones geográficas claramente definidas: desiertos y las llanuras orientales, la zona de grandes áreas de regadío alimentadas por una red hidrográfica interior y lechos de ríos y, por último, la zona montañosa de la Sierra Tarahumara. Los ríos importantes que pasan por esta región son el Colorado, Concepción, Sonora, Yaqui, parte del río Bravo y El Conchos.

Mientras, la topografía se ve afectada por la existencia atípica de su relieve. Existen dos principales sistemas montañosos: la Sierra Madre Occidental y la Sierra Californiana.

En esta región del país se encuentra la zona más árida y seca de todo México. Los desiertos y llanos presentan las temperaturas más altas (por arriba de 43 °C durante el día) y la menor cantidad de lluvia del país.

La zona de Durango, Sonora y Sinaloa tiene extensiones muy grandes de climas extremos, ya que la mayor parte del territorio es árido y semiárido. En las zonas desérticas, se encuentran temperaturas muy elevadas por las tardes, mientras que por las noches se presentan fríos extremos. El desierto de Chihuahua es el más extenso de todo el país.

La arquitectura vernácula del noreste es muy distinta en cada región, pues existe diversidad geográfica en la misma zona y hay todo tipo de métodos constructivos, donde destaca el tapial, el bajareque y el adobe.

El tapial consiste en apisonar lodo dentro de cimbras de madera y así se forma un muro corrido de tierra. Este sistema logra una construcción monolítica y requiere una cuidadosa planeación y gran cantidad de mano de obra.

Una variante del muro de tapial se encuentra en la región de Paquimé (figura 28), en el desierto de Chihuahua, también conocido como Casas Grandes. En esta construcción no se utilizó cimbra, sino que, en un proceso muy laborioso, se depositó directamente el lodo, que se acumuló poco a poco hasta lograr su forma. El lodo se transportó al sitio de construcción en cestos, con los que vertían el material fresco en hileras que simultáneamente se afinaban con utensilios simples de madera hasta obtener la forma y tamaño buscados.

En un clima predominantemente cálido árido, como el de Chihuahua, existen zonas contrastantes, incluso templadas, como en la zona alta de la Sierra Tarahumara. En la zona tarahumara, quienes habitan en la sierra cuentan con todo el abrigo y condiciones que responden a sus necesidades. El bajareque es uno de los sistemas constructivos más singulares debido al empleo que hace de diversos materiales en un proceso que todavía hoy es posible observar en la vivienda tarahumara, principalmente en techumbres (figura 29), aunque también se emplea en muros.

Para lograrlo, primero se realiza la construcción de una estructura con base en carrizos o varas de madera para formar la techumbre. Estas deberán atarse con firmeza a la corteza del carrizo o al ixtle. Con la estructura en su lugar, en este caso se procedió a colocar una cubierta de lámina.

Por otra parte, la vivienda tarahumara está construida con adobes (figura 30). Dicho sistema de muros presenta la ventaja de su similitud formal, constructiva y estética con el ladrillo de campo cocido. En caso de disponer de mucha mano de obra, esta técnica es muy adecuada en función de los procesos de fabricación que permiten la integración de gran cantidad de personas durante el pisado y moldeado. Sin embargo, se debe controlar la producción para minimizar la variación de las dimensiones y la forma irregular de las piezas. Actualmente se producen de manera más certera y suelen estar compuestos por 20% de arcilla y 80% de arena (en función de la composición del suelo).

La arquitectura vernácula del norte de México es una manifestación cultural muy peculiar que no ha recibido la suficiente atención; la literatura acerca del tema es escasa. En la actualidad, la mayoría de los edificios catalogados como históricos y que son construcciones representativas de la arquitectura vernácula se encuentran en una situación de olvido físico: no existe mantenimiento constante o, en otros casos, es nulo. En comparación con el resto del país, el noreste mexicano fue colonizado tardíamente. En esta región no prosperó el barroco ni otros estilos arquitectónicos, razón por la que los edificios no alcanzan el “esplendor adecuado”, como explica la ausencia del noreste en algunos tratados de arquitectura vernácula de México.

El noreste de México es una región que comprende mayor fuerza económica y social, también es uno de los principales centros urbanos, posee vías de comunicación y es importante en la distribución de zonas económicas, así como el paso fronterizo de los estados de Coahuila, Nuevo León y Tamaulipas. Para entender la arquitectura pasada de la región, hay que partir de sus orígenes en la arquitectura popular española. Podemos apreciar similitudes entre el noreste mexicano y algunas regiones del sur de España, especialmente en las viviendas: cubiertas planas, huecos de puertas y ventanas pequeñas para evitar la penetración del calor, edificaciones de una planta —generalmente— y con áreas anexas, como corrales para ganado; algún pequeño almacén o granero, zaguán, un patio (en el que siempre hay un pozo de agua o aljibe) al que se comunican todas las habitaciones, cocinas amplias (por ser concentradoras de actividad familiar) y fogones en el exterior para evitar el calentamiento de la casa en los meses calurosos.

La arquitectura vernácula es un ejemplo de cómo la adaptación al medio físico y el deseo de cobijo, así como la protección, fueron cruciales en la forma, la expresión plástica y en la elección de materiales. Como ya se mencionó, obedeció a lo que la naturaleza ofrecía:

- La vivienda rural es construida con materiales de la zona, con conocimientos empíricos de construcción y sin influencias contaminantes.

- Los volúmenes primordialmente rectangulares y líneas rectas que dominan en la antigua arquitectura vernácula del noreste son reflejo de lo tratado en el párrafo anterior.

- Los primeros colonizadores tenían un legado cultural mediterráneo. La influencia indígena es mínima por la falta de construcciones anteriores a la colonización (principalmente los jacales).

- Los materiales comúnmente utilizados son varas, carrizos, barro, palma, adobe, sillar, cantera, piedra de rostro y troncos de madera.

En una casa del noreste, sus cimientos se hacían de piedra de mayor grosor que el muro, prolongándose, con el nombre de rodapié, a una altura variable sobre el nivel del piso; así, el edificio adquiere solidez visual y estructural, además de que protege contra la erosión provocada por agua. Muros, ya sean de adobe, sillar o piedra tienen un espesor considerable, pues estos materiales piden paredes fuertes. Los techos de terrado se soportan mediante vigas o troncos. Existen tres distintas formas de soportarlo. El primer tipo de techo terrado consiste en tabletas de madera, conocidas como tejamanil, que se colocan de manera transversal o diagonalmente sobre la viguería. La segunda, llamada sotol, consiste en colocar carrizo en forma transversal sobre un tronco. El tercero es la colocación de tablas sobre las vigas, llamado entablerado.

La arquitectura contemporánea ha perdido la conexión con la arquitectura vernácula. Sin embargo, existen ejemplos de arquitectura actual en el noreste que se adaptaron al medio físico y que consideran al edificio como un hábitat humano y no sólo como un conjunto material dispuesto para dar abrigo.

RESPUESTA DEL MATERIAL AL CLIMA DE LA REGIÓN

Las construcciones típicas del noreste mexicano se identifican como rancherías o misiones, las cuales poseen elementos fundamentales del urbanismo norteño. El material predominante para su construcción es el adobe, lo que modeló su carácter y espíritu arquitectónico. Debido a su proceso de colonización y asentamiento urbano, las provincias norteñas (como Nuevo México, Texas, Arizona, las Californias, Nuevo León, Coahuila y Tamaulipas) eran asentamientos rurales, lo que definió la respuesta de los materiales constructivos de acuerdo con las condiciones climáticas del lugar. Las pequeñas comunidades se asentaban en valles fértiles, vegas y llanuras de aluvión de dimensiones reducidas. En los desiertos, el adobe y la defensa fueron ingredientes que modelaron la arquitectura del presidio, la misión, los ranchos y los poblados norteños. El desierto impuso a la construcción rudeza, severidad y sencillez.

Este medio geográfico de grandes contrastes obligó a la población a sobrevivir a las adversidades, donde se optó por materiales que se adaptaran a esos cambios bruscos. Este tipo de construcción tradicional se debe no solo a cuestiones de defensa, sino que este modelo arquitectónico busca la protección de la insolación del desierto. En este sentido, el adobe impone también su forma a la construcción: grandes masas de muros espesos y hendiduras que son respuesta a la gran luminosidad del ambiente desértico.

Las casas son de un solo nivel y la altura del paramento de las fachadas varía entre cuatro y seis metros, que disminuye en los arrabales, las zonas de corrales y los patios interiores, donde sólo se construye una tapia para limitarlos.

La ornamentación en fachadas es casi inexistente, aunque cuando aparece es muy sobria y difusa. Los remates redondeados de los muros, su sencillez y desnudez en los exteriores son la cara opuesta de lo que sucede en su interior: un ambiente fresco, por lo general. Además, el ya mencionado deseo de alejarse del calor, pero además del polvo, llevó a construir pocas ventanas.

El adobe se usa en casi todo Nuevo León. Se encuentra en viviendas con techos de dos aguas y techos planos de terrado (figura 31). El terrado es una capa de tierra inorgánica de espesor variable. Su uso estuvo muy extendido por la cercanía de la materia prima y lo económico de su elaboración. El empleo de terrado en las cubiertas permitió mayor control de las altas temperaturas. Al ser mayormente expuestos al sol los elementos horizontales (cubiertas y losas) que componen la construcción, el uso de tierra minimiza la transmisión de calor con ayuda de las propiedades de inercia térmicas que posee la tierra, que se considera un material aislante que frena el paso y velocidad de la transmisión de energía al interior y evita que este se sobrecaliente.

Sobre dicho terrado se colocaba un mortero de cal y arena. Este proceso, llamado bruñido, servía para evitar la filtración de agua y dar los declives para el escurrimiento de agua. En lugares como el sur de Coahuila y Camargo, Tamaulipas, los muros eran comúnmente de ladrillo cocido. Se colocaban en forma aparente para afirmar pretiles, pilastras esquineras, guardapolvos y zaguanes. También el adobe era empleado con frecuencia; este se seca al aire y se le agrega paja o estiércol. Mediante vigas de madera, casi siempre de mezquite, se salvaban los claros de puertas y ventanas (figura 32).

Otra forma consistía en utilizar una pieza como medio punto del material de construcción, ya sea cantera o sillar. El sillar, que constituye el subsuelo de gran parte del estado, fue usado para construir desde viviendas hasta casas grandes de haciendas.

EFICIENCIA TÉRMICA Y MECÁNICA DE LOS SISTEMAS TRADICIONALES

Como resultado de la tecnología, la globalización y los avances constructivos de la modernidad, la arquitectura tradicional a base de construcción autóctona poco a poco ha quedado atrás. Antes se lograban espacios confortables al utilizar los materiales de la región, ahora se prefieren los sistemas de climatización activa.

En la actualidad, los materiales de construcción derivados del concreto están al alcance de todos y, por lo tanto, son los más utilizados, sin importar que en algunas regiones se siga produciendo adobe y ladrillo arcilloso, ya sea de forma artesanal o industrial.

De la arquitectura vernácula, hay que considerar más aspectos que van de la mano con la selección de materiales, por ejemplo, su adaptación a las condiciones climáticas, sin dejar de lado el cuidado de la imagen urbana, que también se ha perdido al paso del tiempo.

No obstante, la parte vernácula no ha sido abandonada del todo. En ocasiones, como moda, se ha retomado superficialmente, sin reflexionar en los valores que esta pueda aportar a la arquitectura actual. En este mismo campo, la línea a seguir no es volver los ojos al pasado y reproducir obras antiguas, sino considerar estudios del suelo y condiciones climáticas de cada lugar para realizar arquitectura que aproveche el entorno natural.

En las construcciones del noreste, particularmente en las rancherías, las habitaciones contaban con chimeneas que se usaban durante el invierno. Sus muros eran gruesos y llegaban a tener de espesor hasta 2.43 metros. En su conjunto, las construcciones tienen una apariencia fortificada, con anchos muros de adobe, pocas y pequeñas aberturas al exterior, lo que permitía una temperatura confortable en el verano y el resguardo de un ambiente cálido durante el invierno. Además, las vigas o morillos de la techumbre normalmente sobresalían varios centímetros por las fachadas como protección solar para ángulos altos de medio día.

Estos elementos, junto con las gárgolas también cilíndricas, crean ritmos en la parte superior de los muros exteriores que, además de enriquecer la parte visual del edificio, alivian con sus sombras prolongadas la dureza de los paños lisos y asoleados.

La mayor parte de las construcciones es de muros de adobe y cubiertas con azoteas planas, sostenidas por viguerías. Las viviendas ubicadas más al centro de las poblaciones se caracterizan por su acercamiento a los lineamientos académicos de la Nueva España, sobre todo en la disposición y mínima ornamentación de la fachada, a diferencia de los barrios periféricos donde las soluciones constructivas corresponden a lenguajes más populares, sencillos e irregulares y hechos a base de materiales tradicionales.

Asimismo, a pesar de la aridez de la mayor parte del territorio del noreste, existen múltiples materiales que fueron y siguen siendo explotados en la construcción, como los descritos anteriormente.

PROPIEDADES CONSTRUCTIVAS DE LA TIERRA

La elección adecuada de la tierra para la construcción es un proceso de vital importancia y depende de múltiples factores, así como de los sustratos de donde se extrae. La profundidad de las capas que contienen la tierra óptima depende de la latitud, altitud, condiciones climáticas, desintegración de la materia del subsuelo y penetración de las raíces, mientras el espesor de cada sustrato puede variar.

Estas capas o sustratos (figura 33) tienen una composición orgánica y mineral particular en cada una de ellas. Las primeras capas superficiales contienen un alto porcentaje de elementos orgánicos con gran susceptibilidad a degradarse, por lo que no son tierras buenas para la construcción. Conforme aumenta la profundidad, los componentes de la tierra contienen mayores niveles de elementos minerales y un porcentaje adecuado de arena, limo y arcilla.

Pese a que no existe una profundidad definida para cada uno de estos sustratos, estos se encuentran en un mismo orden y nomenclatura asignada:

0. Capa orgánica

A1. Mezcla de material orgánico y mineral

A2. Tierra para construir. Poco material orgánico con arcilla y óxido de hierro

A3. Tierra para construir. Capa de transición eluviales-iluviales

B1. Tierra para construir. Capa ferrosa

B2. Tierra para construir. Horizonte de acumulación rico en arcilla y óxido ferroso

B3. Capa de transición entre B y C

C. Roca madre

La combinación perfecta para obtener un buen material de construcción con tierra es la suma de los sustratos: A2+A3+B1+B2.

Cabe resaltar que, para efectos de construcción con tierra, resulta más importante la granulometría que la composición química del suelo. Las partículas de distinto tamaño que aportan mayor estabilidad son la arena (0.05 mm), el limo (0.05 mm) y la arcilla (0.002 mm).

Las construcciones con tierra realizadas sin suficientes conocimientos técnicos y una inadecuada conservación, aunadas a una ubicación poco idónea, han transformado estas casas en lugares insalubres y peligrosos. Estos casos son más frecuentes en regiones con climas muy húmedos y regiones con alta sismicidad. Las principales causas del deterioro en las construcciones de tierra son la alta sensibilidad a la humedad y la baja resistencia estructural.

El agua es un agente que causa erosión al golpear cualquier superficie (muros y cubiertas) disolviendo el material; también puede transformar nuevamente la tierra constructiva en suelo natural. El agua modifica la estructura de la tierra, su forma, dimensiones y resistencia, lo que causa fisuras y grietas por dilatación y contracción.

El agua fomenta el desarrollo de vegetación y parásitos al interior de muros, mientras que la baja resistencia estructural de la tierra la hace vulnerable a cargas desiguales, sismos, uniones y juntas (Guerrero, 1994).

Todos estos agentes, además de la falta de mantenimiento y supervisión, conllevan al colapso de las estructuras construidas con tierra (figura 34).

Las construcciones con tierra preparadas adecuadamente, con el material óptimo, proporciones, mantenimiento y supervisión ofrecen múltiples ventajas, no solo en cuanto a la respuesta térmica, sino también beneficios económicos, al obtenerse del mismo terreno, así como beneficios ecológicos por su proceso de fabricación.

CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO EXPERIMENTAL DE TIERRA VERTIDA

Este módulo de tierra vertida fue construido al norte de la Ciudad de México, en la alcaldía Gustavo A. Madero, por investigadores de la Universidad Autónoma Metropolitana, para tener un dimensionamiento cualitativo de las ventajas térmicas y de adaptabilidad climática que tienen las construcciones de tierra, además de ofrecer información cuantitativa de este tipo de materiales tradicionales.

Como sistema constructivo primario, utilizó muros de barro colado con losa de panel de poliestireno, en una disposición de núcleo cuadrangular. Sus dimensiones exteriores tienen las siguientes medidas: 2.60 m x 2.60 m x 2.85 m y un espesor de 20 cm en muros. El módulo cuenta cuatro vanos de 1.20 m x 1.20 m, con antepecho de 1.20 m de altura; cada fachada orientada con su abertura franco al norte, este, sur y oeste, respectivamente. Sobre los vanos se montaron ventanas corredizas de aluminio natural con cristal de 3 mm (figura 35).

El principal propósito de esta experimentación es demostrar que las construcciones de tierra son confiables, térmicamente confortables, además de una buena inversión económica, ya que el material base se encuentra en el propio sitio de construcción. El módulo experimental cuenta con una losa de cimentación de concreto con dimensiones 3.60 m x 3.61 m, sobre la cual se desplantó el edificio. Sobre esta losa base se marcaron las medidas exteriores de la construcción —2.6 x 2.6 m (figura 36)–.

Posteriormente se armó la cimbra con triplay (con altura de 60 cm), la cual se fijó a la losa de cimentación por medio de clavos para concreto de 3” y se colocaron también refuerzos para mayor estabilidad (figura 37).

Para garantizar la verticalidad y espesor de los muros en 13 cm, se colocaron puntales, tensores y separadores en la parte superior de la cimbra. Después se colocó una malla de refuerzo (1.20 m de altura), con el fin de dar mayor estabilidad estructural y evitar el agrietamiento en las esquinas por posibles movimientos (figura 38).

Acorde con la prueba de sedimentación realizada a la tierra del lugar, la estratificación de esta determinó ser adecuada para el sistema de tapial (90% de arena y una pequeña porción de limo y arcillas, en aproximadamente 5% cada uno). Las proporciones fueron las siguientes. La materia prima de la mezcla se realizó con 12 botes de tierra. Se añadió un bote y medio de cal y uno de cemento como estabilizantes para mejorar las propiedades estructurales y prevenir que el sistema de muro de tapial se deforme; también se haría más resistente al momento del fraguado. Como aditivo, se colocaron nopales en un bote con media medida de agua para que liberaran mucílago. Para mejorar la unión de los agregados, la mezcla se hidrató con esta solución. Se colocó la primera porción sobre la losa de cimentación para realizar la mezcla en seco (figura 39a) y, posteriormente, se añadió agua con mucílago (figura 39b).

Para la aplicación en muros, a la mezcla de tierra se le debe aplicar una prueba manual: hay que tomar un poco de mezcla hasta observar que el material tenga una consistencia uniforme para proceder al vaciado en capas de 10 cm, apisonando firmemente entre cada una.

Se realizó el mismo procedimiento para alcanzar una altura en muros de 0.6 m, donde se cubren en su totalidad las dimensiones de la cimbra. Después de esto, se subió la cimbra por medio de tablas para obtener el segundo colado (figura 40). Este mismo modelo constructivo se continuó hasta completar el módulo experimental de tierra vertida con una altura de 2.40 m.

Una vez retirada la cimbra de la segunda sección, esta se colocó para obtener el tercer nivel de colado, a partir de 1.20 m hasta 2.40 m. Se repitió el procedimiento en cada una de las caras para dejar los vanos –con dimensiones de 1.20 m x 1.20 m– para ventanas (figura 41).

La losa se fabricó con panel de 5 cm que recibió el vertido de concreto para la capa de compresión de concreto con espesor de 5 cm. Por último, se remató con un pretil de panel con altura de 30 cm (figura 42).

Se probaron cuatro distintos aplanados en el módulo experimental de tierra vertida para estudiar cuál de ellos respondía mejor térmicamente como complemento a una construcción de tierra. Las distintas variedades de aplanado fueron:

A) Aplanados cemento-arena

B) Sin aplanados

C) Aplanado de tierra 1

D) Aplanado de tierra 2

La opción A nos remite a la construcción común con materiales ordinarios y la B no contó con aplanado de ningún tipo.

Mediciones y monitoreo de módulo experimental de tierra vertida y variedad de aplanados, propuestas A, B, C y D

La opción A, con aplanados de cemento-arena en proporción 1:3, fue monitoreada del 10 de diciembre 2014 al 5 de febrero de 2015. Pese a ser un periodo que presenta bajas temperaturas, hubo tardes soleadas en las que las propiedades térmicas de la tierra demostraron sus ventajas frente a materiales prefabricados como el panel de poliestireno, en cuyo caso el módulo control alcanzó una máxima temperatura de 38.75 ᵒC, mientras que el módulo de tierra llegó a una temperatura máxima de 33.83 ᵒC. Se graficó un periodo representativo de diez días (figura 43) en el que se muestra la relativa exterior, así como la temperatura y humedad relativa interior en ambos módulos (control y pruebas).

Las temperaturas, notablemente menores durante las horas de la tarde en el módulo de tierra respecto al módulo control, mantuvieron una correlación con la conductividad de las superficies expuestas de la envolvente térmica (muros y losa), en cuyo caso las ganancias de calor por conducción fueron considerablemente menores en el módulo de tierra (donde se toma como ejemplo el muro oeste, con temperaturas máximas de 26.8 ᵒC en módulo control y 20.3 ᵒC en control).

Para el monitoreo de la propuesta B, se retiró el aplanado cemento-arena y se aplicó pintura de cal blanca directamente sobre los muros de tierra vertida. El periodo abarcó del 7 al 16 de febrero de 2015 (figura 44).

En la propuesta B, el módulo de tierra mantuvo una respuesta térmica más favorable que el módulo control, pese a que el primero no contó con aplanado alguno.

Para la propuesta C, se colocó un aplanado de tierra. El procedimiento de aplicación fue mezclar tres botes (de 19 l) de tierra previamente cernida, un bote de pasto seco, 2 l de cal con agua. Ya con consistencia pastosa líquida, se agregó un bote de agua. Esta mezcla se aplicó a la superficie de los muros mojados previamente para que tuviera mayor adherencia. Se lanzaron bolas de la mezcla a los muros. Después, se aplanó con la cuchara y con la llana de refina. En las partes donde se vieran fisuras, se golpeó con una madera para que desaparecieran (figura 45). Después del aplanado, se esperó de dos a tres días hasta que reventara la capa de aplanado previo y se afinó con llana. Después de que secó el aplanado (aproximadamente en una semana), se pintó con cal, agregando baba de nopal y sal.

El periodo de monitoreo de la propuesta C se realizó del 19 de febrero al 1 de marzo de 2015. Nuevamente, la eficiencia térmica del módulo de tierra fue mayor que el panel del módulo control. Las temperaturas a finales de febrero incrementaron hasta casi alcanzar los 30 ᵒC al exterior. La máxima temperatura registrada al interior en el módulo control alcanzó 41.09 ᵒC, mientras que el módulo de tierra llegó a 37.70 ᵒC. En cuanto al calor transmitido al interior a través de muros (figura 46) y losa, también fue notablemente menor en el módulo de tierra, donde –de nueva cuenta– el muro oeste registró menor temperatura (26.8 ᵒC) en comparación a los 29.90 ᵒC registrados en el módulo control como máximo. El muro sur también registró temperaturas máximas de 29.66 ᵒC y 30.59 ᵒC en módulo de tierra y control, respectivamente. La superficie que tuvo mayor exposición a la a radiación solar (en este caso, la losa) mostró ganancias por conducción similares: 30.79 ᵒC y 30.64 ᵒC, en módulo de tierra y control, respectivamente; dicho registro es parecido y muy lógico, al tratarse en los dos casos de una losa de panel de poliestireno.

Por último, la propuesta D fue una variación en cuanto a las proporciones en el aplanado de tierra. Debido a que el aplanado de la propuesta C comenzó a fisurarse, se tuvo que retirar. Las modificaciones y proporciones de material para la propuesta D sobre el módulo de tierra final, con aplanado cal-arena (1:3) y pintura de cal son revolver medio bulto de cal y agua en una cubeta de 19 l a ¾ de capacidad; en otra cubeta, mezclar el mucílago de un nopal grande en 3-4 l de agua y esperar a que suelte la baba. Después se mezcló en este gel en la cubeta con cal y agua. Se agregó dos o tres cucharaditas de sal y se revolvió nuevamente para aplicar en los muros.

El monitoreo del módulo de tierra vertida y segundo aplanado se realizó del 1 al 10 de mayo de 2015 (figura 47). Las temperaturas al exterior incrementaron poco, alcanzando por las tardes una temperatura máxima de 31 ᵒC. En esta última propuesta, mantuvo mayor eficiencia térmica el módulo de tierra, lo que ofreció un espacio más confortable. En esta ocasión, el margen fue menor, con temperaturas máximas interiores de 31.81 ᵒC en módulo de tierra y 32.74 ᵒC en módulo control.

La transmisión de calor a través de las superficies opacas por conducción continuó siendo menor en el módulo de tierra, con 23.60 ᵒC en el muro oeste, en comparación a 28.90 ᵒC en el módulo control; en el muro sur, las lecturas fueron de 28.89 ᵒC en el módulo de tierra y 29.61 ᵒC en control. Así, quedaron demostradas las propiedades térmicas mejoradas que ofrece la construcción tradicional con el empleo de sistemas a base de tierra para la obtención de espacios confortables.

CAPÍTULO 3. EXPERIMENTACIÓN DE UN SISTEMA INTERCAMBIADOR DE CALOR TIERRA-AIRE

CONDICIONES CLIMÁTICAS, CLASIFICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA DE EXPERIMENTACIÓN

El área de experimentación se encuentra al norte de la Ciudad de México. Los datos utilizados para una descripción y caracterización general del clima en el norte de la ciudad se obtuvieron de datos climáticos normalizados que provienen de la estación meteorológica de Tacubaya del Servicio Meteorológico Nacional, con periodo de lecturas de 2001 a 2010.

Con base en la clasificación obtenida de los datos climáticos, se trabajó en un bioclima semifrío seco, pues la temperatura media del mes más cálido fue menor a 21 °C y la precipitación total anual era menor a 650 mm (cuadro 6a, b, c, d).

TEMPERATURAS

De acuerdo con el trabajo de De Dear y Auliciems (1985), la sensación de confort se relaciona con la temperatura exterior de bulbo seco y la siguiente ecuación: Tn= 17.6 + (Tprom x 0.31), donde Tn es la temperatura neutra, Tprom es la temperatura promedio exterior y se aplica un rango de +/-2 K respecto a Tn.

La temperatura media anual fue de 17.8 °C. El mes de mayo fue el más cálido (con 20.7 °C) y el más frío, enero (con 15.1 °C). La temperatura máxima presente no sobrepasó la zona de confort ni en los meses más calurosos de marzo, abril, mayo y junio. Por otra parte, las temperaturas media y mínima durante todo el año se encontraron por debajo de dicha zona (figura 48).

Al contar con estos datos de temperatura, se determinaron los requerimientos de calentamiento o enfriamiento en grados centígrados, acumulados en un mes, necesarios para retornar a confort. En el análisis de los días grado, se observó claramente un requerimiento para calentar durante todos los meses del año; sin embargo, fue particularmente notorio desde noviembre a febrero (figura 49).

La necesidad de calentamiento fue más evidente durante la mayor parte de la noche y las primeras horas de la mañana, cuando la temperatura del aire al exterior estaba por debajo del confort. Incluso durante todo el año, las temperaturas presentes de 12 a 19 horas se mantuvieron en los parámetros de confort, con excepción de marzo, abril, mayo y junio, cuando se rebasó ligeramente el límite superior de confort.

Incluso en marzo, abril, mayo y junio no se presentaron horas de sobrecalentamiento por la tarde, permaneciendo en confort. Las temperaturas bajas se presentaron durante todos los meses del año, en los que prácticamente por las mañanas y las noches se mantuvo una temperatura por debajo del confort, cuando se incrementó esta disminución de temperatura de noviembre a febrero (figura 50).

Este tipo de clima semifrío, a pesar de no ser extremoso, presentó una oscilación térmica que en promedio alcanzó los 13 °C; pese a esto, en general, se clasificó como un clima con poca oscilación.

PRECIPITACIÓN PLUVIAL

La precipitación pluvial media anual en la Ciudad de México fue de 846.2 mm. Este régimen pluviométrico corresponde a un clima moderado en cuanto a sus condiciones higrotérmicas. Esta lluvia varió durante todo el año: se incrementó notoriamente en junio, julio (el mes más lluvioso con 189.5 mm), agosto y septiembre. No presentó periodos en los que las lluvias disminuyeran considerablemente y el calor se intensificara, por lo que se le consideró “sin canícula”.

Datos estadísticos del INEGI mostraron que la zona de la alcaldía Gustavo A. Madero, donde se encuentra el área de experimentación, tenía una precipitación pluvial promedio anual de entre 600 a 700 mm, menor a la que los datos normales asignan a la Ciudad de México, por lo que a esta zona en particular se le consideró dentro de los parámetros de un clima con límites cercanos a semiseco (figura 51).

Fuente: http://mapserver.inegi.org.mx

Los datos normales esenciales para la clasificación climática (temperatura y precipitación) señalaron a esta zona de la Ciudad de México como una con clima templado con poca oscilación, tipo Ganges y sin canícula.

ÁREA DE EXPERIMENTACIÓN Y MÓDULOS DE PRUEBA

Como se ha mencionado, el área de experimentación se encuentra al norte de la Ciudad de México, en la alcaldía Gustavo A. Madreo, en las inmediaciones de Ticomán (figura 52), en parte del área deportiva, cuyas condiciones fueron óptimas para mediciones de temperatura y humedad de los espacios interiores pues, al ser un espacio abierto, no se obstruye ni la ventilación ni el asoleamiento.

Los módulos de prueba estaban orientados al norte solar verdadero y, por medio de un estudio de asoleamiento, se dispusieron de tal manera que los elementos cercanos como árboles, bardas y los mismos no crearan sombra sobre los módulos.

Los módulos de prueba tenían acristalamiento en las cuatro orientaciones. Posteriormente se analizaría reducir las aberturas a las necesarias dentro de los cuadrantes este-sur para permitir un calentamiento directo por las mañanas.

El empleo de una envolvente térmica eficiente y que esta permitiera el almacenamiento de calor y retardo térmico durante la noche y madrugada fue de gran importancia. Esta premisa de diseño se logró al construir los módulos de prueba con un material de alta eficiencia térmica, como lo son los paneles de poliestireno expandido (figura 53), lo que también redujo la oscilación de temperatura.

En el área de pruebas, la humedad relativa fluctuó entre 30% y 70% (SMN, s.f.). Un parámetro climático de vital importancia para este proyecto fue el viento, ya que, como se mencionó en capítulos anteriores, es un factor determinante para el diseño bioclimático. En esta ocasión, el propósito fue proporcionar a cada uno de los módulos de prueba características de ventilación idénticas.

En su mayoría, los vientos dominantes provenían del norte. Sin embargo, a lo largo de todo el año, existieron variaciones en su dirección. En la Ciudad de México, durante los distintos meses, provenían de orientaciones norte (figura 54a, b, c). La velocidad del viento en promedio fue de 1.1 m/s, lo que se consideró óptimo para ventilar interiores, y presentó una velocidad máxima de 1.4 m/s, con calmas de 23.1%.

Cabe resaltar la importancia de los vientos y que en su mayoría estos provenían del norte, dentro de este desarrollo experimental, lo que facilitó el ingreso del aire a través del sistema de enfriamiento y no por ventilación, ya que los módulos permanecerían herméticos.

El análisis del flujo del viento en el área de prueba con los módulos experimentales se realizó a través de la aplicación de un túnel de viento virtual en el programa Vasari, de Autodesk. Este programa utiliza la dinámica de fluidos computacional (CFD), herramienta de utilidad para realizar un análisis preliminar de la etapa conceptual de diseño del flujo del aire al exterior de las edificaciones, lo que ofrece un resultado cualitativo y un sentido comparativo del impacto de diferentes opciones de diseño.

Se simularon las condiciones de flujo en el área de pruebas en la que se encontraban los distintos módulos experimentales y los diferentes agentes del medio físico presentes que pudieran alterar el movimiento del aire. En esta primera evaluación, se consideró un viento proveniente del norte, con una velocidad máxima del sitio a 1.4 m/s. Se apreció que la sombra de viento fue producida por los mismos módulos y que no afectó la incidencia del viento de unos a otros; sin embargo, la barrera de árboles, principalmente los más altos, sí pudo afectar los módulos más próximos a ellos, lo que causó una variación mínima en las temperaturas al interior y generó una ligera oscilación térmica más moderada respecto a los que se encontraban más expuestos al viento (figura 55).

Los vientos ocasionales provenientes del noreste se presentaron en enero, febrero, abril, mayo, junio, agosto, septiembre, octubre, noviembre y diciembre; provenían de origen únicamente en abril y diciembre, en este último mes, en su mayoría los vientos surgían del este.

La simulación de flujo en el túnel de viento permitió observar cómo la barrera de árboles ubicada al noreste del sitio afectó la incidencia de viento entre los distintos módulos de prueba. El flujo fue irregular y, de nueva cuenta, afectó a los que se encontraban más cercanos a estos árboles, por efecto de la sombra de viento que estos produjeron (figura 56).

Finalmente, también hubo vientos ocasionales provenientes del noroeste. Estos se presentaron en marzo, abril, mayo, junio, julio, agosto, septiembre, octubre y noviembre; provinieron de origen únicamente en marzo, julio, agosto y octubre.

Los análisis de flujo por medio de la simulación de túnel de viento nos permitieron observar que los módulos expuestos a los vientos del noreste (seguidos después del norte) crearon una notable sombra de viento a sus similares. Se concluyó que, para esos meses, los módulos mayormente expuestos a los vientos pueden tener una oscilación térmica ligeramente mayor (figura 57).

Las pruebas en este trabajo se realizaron en el módulo de control (MC) y en el de pruebas (MP2). Los demás módulos se utilizaron en trabajos de investigación realizados por otros investigadores (figura 58).

Los módulos de prueba experimentales estaban desplantados sobre una losa de cimentación hecha de concreto armado y fueron construidos con paneles de poliestireno con una malla de estructura metálica al exterior, de dimensiones 1.22 m x 2.44 m x 0.051 m con aplanado cemento-arena, en acabado fino en muros y pintura blanca a base de cal. Los módulos contaban con ventanas de aluminio natural y vidrio de 3 mm en las cuatro orientaciones (norte, sur, este y oeste) para distintas pruebas experimentales planeadas de análisis del comportamiento del viento dominante en cada orientación, así como para estrategias de ventilación cruzada. En pruebas anteriores, realizadas por otros investigadores, estas ventanas se bloquearon con aislante térmico para estudiar el comportamiento térmico al interior de los módulos con una o varias aberturas por separado.

METODOLOGÍA

1. Se realizó un monitoreo de las condiciones de temperatura al interior de los dos módulos y simultáneamente se registraron los datos climáticos del exterior. El monitoreo se llevó a cabo con equipos datalogger de temperatura, con un margen de lecturas que iban de los -20 ᵒC a los 70 ᵒC y una precisión de +/-0.35 ᵒC. La misma unidad registró humedad relativa, con un margen de 5% a 95% y precisión de +/-2.5%. Los equipos se dispusieron con la misma configuración en ambos módulos, con el sensor datalogger al centro y sondas de temperatura superficial en los muros este, sur y oeste (figura 59).

2. Se analizaron distintas propuestas de ventana única en las cuatro orientaciones: se realizaron simulaciones con datos de EnergyPlus para la Ciudad de México con el fin de alimentar la base de parámetros climáticos en el programa de Ecotec de Autodesk para, al mismo tiempo, realizar las evaluaciones de análisis térmico y obtener las temperaturas posibles según la configuración de aberturas.

3. Se realizó de nueva cuenta un monitoreo de las condiciones de temperaturas al interior de los dos módulos en el mes de noviembre, donde se compararon los resultados de la simulación con las condiciones registradas en sitio. Este monitoreo permitió establecer que los dos módulos presentaron valores de temperatura similares y, por lo tanto, se validó su utilización.

4. Con base en los resultados obtenidos por el análisis climático, se detectaron las fechas críticas de bajocaletamiento y sobrecalentamiento. El primer paso fue monitorear el sistema intercambiador de calor en invierno y se registró el desempeño del EAHX para calentamiento.

5. Se detectaron diferencias en el espesor de la losa de MC y MP2, las cuales afectaban las ganancias de calor, principalmente en verano, lo que incrementaba la temperatura de MP2 —con losa de menor espesor—. Por tal motivo, se monitoreó la temperatura de las superficies y se decidió colocar un aislante en la losa del MP2 para homogenizar las condiciones.

6. Por último, se monitoreó el sistema en verano para medir su eficiencia enfriando el volumen de aire a través del ducto. Se registraron los resultados en modo de refrigeración.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

El primer paso para comenzar las pruebas experimentales en MC y MP2 fue calibrar y comprobar que tuvieran las mismas condiciones. Este procedimiento se efectuó antes de la instalación del EAHX en MP2.

Prueba 0: Calibración. MC y MP2 se evaluaron en idénticas condiciones durante un periodo de diez días. Los parámetros registrados concurrentemente fueron:

- Interior: temperatura ambiente de bulbo seco y humedad relativa

- Exterior: temperatura de bulbo seco y humedad relativa

Se colocó el equipo de medición utilizado dentro de una pantalla de Stevenson, la cual es un refugio especial que inhibe la calefacción directa por los rayos del sol, lo que al mismo tiempo permite que el aire circule en su interior. Esta fue colocada tanto al exterior como al interior de MC y MP2 (figura 60a y b).

La denominada prueba 0, o de calibración, se realizó durante diez días, del 30 de septiembre al 9 de octubre de 2013, periodo predominantemente cálido por las tardes y con cielos despejados, a diferencia de días anteriores en los que hubo lluvias.

La medición de temperatura y humedad durante este periodo, tanto del ambiente exterior como del ambiente interior de MC y MP2, nos permitió apreciar que la temperatura y humedad al exterior a lo largo del día tuvo alta oscilación, pero que correspondió a la temperatura y humedad dentro de estos. Finalmente, las condiciones higrotérmicas en ambos fueron muy similares (figura 61).

En general, las condiciones higrotérmicas al interior permanecieron en un límite de confort en cuanto al bajocalentamiento; sin embargo, por las tardes, las temperaturas incrementaban considerablemente por encima de todo parámetro de confort.

Se tomó lectura de las condiciones de temperatura de bulbo seco (tbs) y humedad relativa (hr) al interior del módulo control y del módulo de prueba 2 (figura 62a y b). Durante este lapso de calibración, se comprobó que MC y MP2 contaban con condiciones similares, ya que los resultados de las lecturas obtenidas fueron parecidos en ambos; aunque, como se mencionó, las temperaturas al interior se incrementaron considerablemente por la tarde debido al área de ventanas.

La temperatura promedio al exterior fue de 17.39 °C, mientras que al interior del MC y MP2 fue de 23.30 °C. La temperatura máxima al exterior fue de 27.10 °C y al interior del módulo control fue de 38.90 °C. El módulo control alcanzó 40 °C, lo que hizo más evidente el sobrecalentamiento al interior por ganancias solares en ventanas (cuadro 7).

Por otra parte, en cuanto a la humedad relativa, en la que la percepción humana tiene mayor tolerancia —entre 30% a 70% como confort—, alcanzó lecturas con alta humedad, en condiciones por arriba de 80%, alrededor de las 8 am (producto de la abundante vegetación y las lluvias ocasionales) (cuadro 8).

Como conclusión preliminar, con base en los resultados obtenidos en este periodo de calibración, las temperaturas al interior de MC y MP2 se incrementaron considerablemente alrededor de las 17 horas, debido a la excesiva área de ventanas (correspondiente a 81% respecto al área de piso), esto produjo que el factor de decremento fuera mayor a 1, lo que indicó un problema de oscilación de las temperaturas.

MODELO EXPERIMENTAL Y PROPORCIONALIDAD EN ÁREA DE PISO-VENTANAS

La relación entre el área de ventanas con respecto al área de piso correspondió regularmente a 20% y, como se mencionó, el área de ventanas en los módulos experimentales representaba 81%, cifra muy alta respecto al promedio de una vivienda común de interés social. Esto explica el sobrecalentamiento por efecto invernadero durante las tardes, cuando incrementó la temperatura al interior de MC y MP2.

Por tal motivo, se realizaron modelos virtuales en los que se probaron distintas orientaciones de área de ventanas. Dichos modelos fueron evaluados bajo circunstancias climáticas de bajocalentamiento y sobrecalentamiento, con temperaturas presentes en la Ciudad de México. Los datos climáticos empleados se obtuvieron de la estación meteorológica núm. 769086 Escuela Nacional de Ciencias, con un periodo de lecturas de 2000 a 2009 en formato de EnergyPlus, datos generados por el programa Metenorm 7 (figura 63).

Se realizaron análisis de asoleamiento y de temperatura en un modelo de simulación en Ecotec de Autodesk, software para diseño sustentable que ofrece un amplio rango de simulaciones y se utilizaron datos climáticos de EnergyPlus en formato epw para posteriormente convertirlos en wea (extensión del complemento Weathertool de Ecotec), con el fin de evaluar MC y MP2 sin cargas térmicas al interior. El cálculo térmico se realizó para una sola abertura o ventana, que representó 20%. Estas se evaluaron en las cuatro orientaciones posibles: norte, sur, este y oeste (figura 64a, b, c, d). Esta única ventana, orientada a cada punto cardinal, se consideró en invierno y verano para obtener la temperatura interior bajo condiciones extremas de frío y calor.

El análisis que se efectuó en el modelo térmico arrojó resultados favorables para la abertura al sur. Una ventana orientada al sur permite un mejor asoleamiento y aprovechamiento de las ganancias solares en invierno, cuando el sol tiene un ángulo de incidencia bajo y logra penetrar al interior del espacio a través de la ventana para incrementar las temperaturas cuando más se requiere. Por otro lado, en verano, cuando se encuentra el sol en el cenit, la incidencia solar no penetra por la ventana, lo que reduce las ganancias solares y el incremento de las temperaturas al mediodía.

Los resultados obtenidos demuestran una temperatura más regular al interior, pese a las temperaturas oscilantes del exterior, tanto en invierno (cuadro 9) como en verano (cuadro 10), lo que demostró la conveniencia de contar con una única ventana al sur.

Para esta evaluación, se consideraron las temperaturas de la Ciudad de México. Para invierno, el día más frío, el 4 de diciembre, arrojó temperaturas muy bajas y oscilantes que fueron de los 5 °C a las 6 am, hasta lecturas máximas de 19 °C a las 15 horas. Pese a la gran oscilación en las temperaturas exteriores, las condiciones al interior del módulo virtual permanecieron estables, en promedio a 14.7 °C (figura 65).

El día más caluroso evaluado fue el 9 de mayo. Al exterior se alcanzó un máximo de 30 °C a las 15 horas y mínimas de 14 °C a las 5 horas; mientras que, al interior, en promedio se mantuvo a 24.9 °C (figura 66).

Metodología experimental modificada

Prueba 0: Segundo proceso de calibración. En esta etapa se efectuaron modificaciones a MC y MP2 en cuanto al área de ventanas: se cerraron tres orientaciones: norte, este y oeste. La ventana sur fue la única abertura que se dejó y correspondió a 20% del total de la superficie de piso, manteniendo la relación ventana-piso predominante en una vivienda común.

El material utilizado para tapar las ventanas fue un panel aislante constituido por una espuma de vidrio o vidrio celular (figura 67a). El panel aislante, cuyas propiedades térmicas son una conductividad de 0.042 W/mK, calor específico de 0.84 kJ/kgK y densidad de 120 kg/m^3, fue recortado con dimensiones de 45 x 60 x 5.cm y ensamblado sobre los vanos de 1.17 cm x 1.17 cm; posteriormente sellado y enmarcado para cubrir las dimensiones de los huecos norte, este y oeste (figura 67b).

La repetición de “la prueba 0” o “de calibración” bajo nuevas circunstancias de relación área de piso-ventana se realizó igualmente por un periodo de diez días, que comprendió del 1 al 10 de noviembre de 2013; dicho lapso también contó con temperaturas regulares.

El diferencial de temperatura en un día de monitoreo con alta oscilación fue el 3 de noviembre, fecha en la que hubo una diferencia entre las 6 horas (mínima temperatura) y las 15 horas (máxima temperatura) de 17.4 °C. Estas diferencias influyeron en las temperaturas al interior de MC y MP2, pero estas se mantuvieron en promedio en 19.78 °C en el módulo control y en 19.70 en el módulo de pruebas (figura 68).

La temperatura y la humedad al interior de MC y MP2 se mantuvieron bajo parámetros dentro de confort con temperaturas máximas de 27 °C, lo que demostró la correcta operación y circunstancias que se presentan en viviendas comunes.

Las lecturas de temperatura de bulbo seco (Tbs) y de humedad relativa (HR) al interior del módulo control y del módulo de prueba 2 (figura 69) fueron más estables y no hubo un incremento drástico de temperatura por las tardes, como el que presentó la prueba anterior, cuando se contaba con ventanas en todas las orientaciones. La reducción de aberturas y la apropiada orientación de una ventana, que ofrece un correcto asoleamiento y ganancias solares en un periodo de bajocalentamiento, evitó la insolación en horas indeseables, solución para contar con una temperatura estable y realizar la experimentación con sistemas de intercambiador de calor únicamente en los periodos del año que realmente lo requieran.

Como se mencionó, pese a las temperaturas oscilantes del exterior, las condiciones en el interior de MC y MP2 fueron más regulares. Hubo gran estabilidad y siempre permaneció dentro de los parámetros de confort, con temperaturas máximas de 27 °C, con la excepción de algunas lecturas con temperaturas mínimas (hasta 14 °C), con un ligero bajocalentamiento (cuadro 11), propios del mes de noviembre y cercano a periodos de bajas temperaturas, como los de diciembre y enero.

La humedad es inversamente proporcional a la temperatura, motivo por el cual se elevó alcanzando lecturas máximas de hasta 88.30% de humedad relativa al interior de MC y MP2, mientras que al exterior era cercana a 100% (cuadro 12).

Las lecturas obtenidas del primer sensor, ubicado para registrar la temperatura de bulbo seco (Tbs) y la humedad relativa (HR) al exterior, se tomaron como referencia para comparar las condiciones climáticas del lugar con las condiciones al interior de MC y MP2. Por ejemplo, el MC contó con un sistema de ventilación forzada de bajo consumo de energía (26 watts); en cambio, en el MP2 se probaron los ductos en invierno durante la temporada de bajocalentamiento, para lograr temperaturas confortables al interior —sin necesidad de ningún sistema adicional—, calentando el aire frío proveniente del exterior e incrementando la temperatura a lo largo de los 24 m del ducto y, finalmente, ingresando el aire a una mayor temperatura dentro del espacio interior del módulo de pruebas (figura 70).

Cabe recalcar que la simulación fue una herramienta que ayudó a la elección de la mejor orientación para la ventana y no como un procedimiento comparativo entre las lecturas de la calibración con ventana sur.

PREPARACIÓN DE EAHX EN MP2

En el MP2, se colocó un tubo de pvc de 2” (5 cm) con una longitud de 24 m a una profundidad de 1.60 m (figura 71a) para que la temperatura de la tierra ayudara a estabilizar el aire frío del exterior, el cual ingresó por el extremo del tubo orientado al norte del área de experimentación, de donde provenían los vientos dominantes, y se colocó una sonda termopar con una rejilla que protegió al ducto de fauna nociva. Ello facilitó la captura de aire (figura 71b).

Al interior de MP2, se encontraba el otro extremo del tubo. Este contó con un ventilador de bajo consumo que ayudó a mover el aire a través del tubo, del exterior al interior a una velocidad de 3.5 m/s y un flujo de 202.5 m³/min. Dentro del módulo, en la toma interior del ducto, se colocaron sensores que detectaron la temperatura de bulbo seco (Tbs) y la humedad relativa (HR) para, de esta manera, comprobar que el aire al interior ingresó más caliente para elevar la temperatura dentro del módulo, incluso cuando se presentaron las temperaturas más bajas del periodo (figura 72).

Conductividad del subsuelo

La conductividad de la tierra se mejoró por medio de la implementación de un polímero que retuvo la humedad del subsuelo. Un suelo húmedo es preferible a un suelo seco debido a una mejor conductividad térmica; turba y arena seca deben ser evitadas.

Este polímero súper absorbente es capaz de captar y retener el agua por largos periodos. Al colocarse a nivel del sistema de ductos, provee a la tierra circundante de un suministro regular de humedad, esto evita que un suelo seco produzca una disminución en la conductividad de la tierra, lo que afecta el desempeño del sistema intercambiador de calor tierra-aire mediante dos casos; se realizaron pruebas en las que se probó la capacidad térmica de la tierra para conservar la temperatura bajo distintas circunstancias:

- Caso 1. Tierra negra común (figura 73 a)

Tierra negra común

Tierra seca sin variaciones de humedad. Volumen de 6 253 cm³ de tierra

- Caso 2. Tierra negra con agregado (Figura 73b)

Tierra negra común

Tierra seca en más de la mitad de su volumen 3 000 cm³ con agregado que retiene el agua (en la parte inferior) y el restante 3 253 cm³ es tierra común (en la parte superior)

La elevada capacidad de almacenamiento térmico que tiene el agua ofrece la capacidad de retener mayor cantidad de energía en la tierra. El almacenamiento térmico puede darse de dos formas básicas: mediante el calor sensible y el calor latente. El calor sensible utiliza la capacidad térmica del material para incrementar la temperatura, mientras que el calor latente utiliza el calor asociado con el cambio de fase que se produce a temperatura constante, en este caso del agua (figura 74 y cuadro 13).

En ambos casos (tierra común, tierra con agregado), los cuales contaban con un volumen de 6 253 cm³ de tierra cada uno, se agregó 2 l de agua en cada contenedor para probar la capacidad de retención de líquidos con el fin de asegurar mayor contenido de agua y mejorar la capacidad de almacenamiento térmico (figura 75a y b).

En esta prueba se comprobó que el polímero agregado a la tierra mejoró la capacidad de esta para retener el agua. En el caso de la tierra con este agregado sintético, de los 2 l vertidos, solo se decantaron 320 ml, mientras que la tierra común permitió decantar hasta 510 ml (cuadro 14).

El ducto enterrado fue cubierto alrededor de su circunferencia por 10 cm de tierra negra con un agregado de polímetro (figura 76), lo que mejoró la conductividad térmica de la tierra de 0.8 a 1.2 W/k.m

Al verse en un corte transversal del ducto (figura 77), Dtub equivale a 2” y ThSoil a 0.10 m (cuadro 15), correspondientes de tierra húmeda con mayor coeficiente de conductividad térmica.

Para realizar esta prueba se colocaron sensores de temperatura de bulbo seco (tbs) y humedad relativa al interior de la pantalla de Stevenson (1), el módulo de pruebas (2) y el módulo control (3). También se colocaron sondas para medir la temperatura al extremo del ducto, en la toma de aire exterior, así como a la mitad del trayecto del ducto y al interior del módulo de pruebas en la salida del aire (figura 78), con el fin de registrar el intercambio térmico tierra-aire a lo largo de los 24 m del tubo. Como complemento, se tomó la lectura de la temperatura de la tierra a la profundidad de 1.60 m, donde se localizaba el sistema intercambiador de calor.

Enfriamiento y calentamiento conductivo subterráneo

El enfriamiento y calentamiento a través del sistema intercambiador de calor aprovecha la temperatura estable de la tierra, que absorbe la energía calorífica que proviene del sol. La temperatura de la tierra es muy regular en todo el mundo, pero puede presentar variaciones según la región, clima, época del año y profundidad, como factores básicos; para la Ciudad de México, se mantiene aproximadamente a 17.9 °C en invierno y a una profundidad de 1.6 m, mientras que en verano la temperatura de la tierra se mantiene a 19.2 ᵒC bajo las mismas características (ubicación y profundidad); durante la época de bajocalentamiento, se aprovecha para calentar, y en sobrecalentamiento, para enfriar. Este aire, que por el fenómeno conductivo en el que la superficie a temperatura regular del subsuelo realiza un intercambio térmico con el aire dentro del ducto, estabiliza la temperatura del volumen de aire e ingresa al interior en condiciones más cercanas al confort.

BAJOCALENTAMIENTO

La primera etapa de pruebas que evaluó este sistema intercambiador de calor tierra-aire se realizó durante el invierno, en un lapso que abarcó del 24 de diciembre de 2013 al 2 de enero de 2014. El sistema ayudó a aumentar la temperatura interior. Cabe mencionar que este periodo de bajocalentamiento arrojó las lecturas más bajas de todo el año (con temperaturas que llegaron a 5.49 °C).

Análisis e interpretación de resultados en invierno

El periodo de mediciones duró diez días (24 de diciembre de 2013 al 2 de enero de 2014). En este lapso, los aparatos de medición arrojaron lecturas de temperaturas de bulbo seco al exterior, en cuyo caso se pudo observar una temperatura más regular y estable al interior de ambos, unas décimas por debajo de los 17 °C, en comparación con la temperatura ambiente exterior; sin embargo, alrededor de las 6 horas, la temperatura interior alcanzó su mínimo en ambos y se ubicó por debajo de los 12.50 °C (figura 79 y cuadro 16).

Como se esperaba, el sistema intercambiador de calor tierra-aire fue insuficiente para el calentamiento, pese a que al medio día la temperatura al interior de MC y MP2 se incrementó e incluso más de forma notable en el módulo que contaba con el sistema de ductos hasta por 1.30 °C. El factor de decremento en este periodo permaneció sin variaciones respecto a MC y MP2, sin el intercambiador funcionando en este último.

Respecto a los niveles de humedad al interior, el hecho de contar con un sistema de ventilación natural le proporcionó a MP2 una humedad relativa más estable y con niveles máximos notablemente menores que en el módulo de control, en el que se concentró más la humedad (cuadro 17).

Estos niveles bajos de humedad en el módulo de pruebas 2 durante invierno, cuando las temperaturas podían ser muy bajas, proporcionaron un ambiente en el que la proliferación de agentes patógenos fue menor, ya que las enfermedades respiratorias tan comunes en época de bajocalentamiento se incuban y desarrollan en ambientes húmedos (puesto que estos facilitan su reproducción).

Por otro lado, otro aspecto importante fue el proceso de calentamiento del aire a través del sistema intercambiador de calor, para lo cual se colocaron sondas para la detección de la temperatura en superficies, como la entrada del aire al sistema de ductos, otra sonda más en la tierra, a mitad del trayecto al interior del ducto a una profundidad de 1.6 m (figura 80) y una más en la salida del ducto al interior del módulo de pruebas.

Sonda 1 (temperatura de la tierra)

El sistema intercambiador de calor aire-tierra durante la época de bajocalentamiento fue insuficiente para que por sí solo mejorara las temperaturas del espacio interior en el módulo de pruebas 2; sin embargo, en este periodo invernal pudo ayudar a precalentar el aire y reducir el tiempo de operación de los sistemas de calefacción eléctricos.

En la gráfica de la temperatura del aire en los ductos (figura 81), se aprecia que la temperatura del aire exterior a la entrada del ducto (Text) presentó mayor oscilación térmica, con temperaturas que van de los 26.60 °C a los 3.22 °C, con una diferencia de 23.38 °K, mientras que la temperatura de la tierra permaneció constante en promedio a 17.90 °C y, a su vez, esto ayudó a que la temperatura del aire a la mitad del tubo (Tin) se estabilizara notablemente, alcanzando 17.59 °C en promedio. En las pruebas del 24 de diciembre al 2 de enero de 2014 fue importante concentrarse en las temperaturas mínimas, puesto que el aire frío que ingresó por la toma del ducto en las mañanas con una temperatura de 3.22 °C a los 12 m ya se encontraba a 17.30 °C y finalmente entró al módulo (Tout) a 16.20 °C (cuadro 18), es decir, se calentó 12.98 °C.

Las diferencias que se aprecian en las lecturas obtenidas de la temperatura exterior en la interpretación de resultados y la llamada Text en lecturas específicas en el ducto se deben a que la primera se trata de la temperatura exterior registrada al interior de la pantalla de Stevenson, donde el sensor se aisló de las condiciones a nivel de piso, mientras que la temperatura exterior tabulada en el cuadro 18 refleja las lecturas de termopar a nivel de piso, donde la cercanía a la masa del terreno modificó las lecturas, mostrando esta una oscilación térmica más marcada.

Los registros de temperatura Tout se utilizaron para monitorear el intercambio de calor entre el aire y la tierra a través del ducto, colocando (como se mencionó en el arreglo experimental) una sonda con termopar en la entrada del ducto, uno más a la mitad del trayecto y finalmente otro termopar al final del ducto hacia el espacio interior de MP2.

Al hacer una revisión nada más del fenómeno de intercambio térmico a través de los 24 m del ducto en el día y la hora con la mínima temperatura, se apreció la eficiencia del sistema intercambiador de calor. La temperatura del aire al exterior el 26 de diciembre a las 7 horas fue de tan solo 3.22 °C y a los 12 m de distancia el aire elevó su temperatura a 17.77 °C, esto indicó un factor de calentamiento de +1.32 °C por metro; por la ley del enfriamiento de Newton, la temperatura del aire se emparejó con la temperatura de la tierra al momento, que fue de 17.93 °C (figura 82 y cuadro 19).

ACONDICIONAMIENTO DE MC Y MP2 EN ETAPA DOS

En este segundo periodo de evaluaciones, que correspondió a la época de sobrecalentamiento, cuando se esperaba mayor eficiencia del sistema intercambiador de calor y que los resultados en las temperaturas al interior del módulo de pruebas representaran una diferencia favorable respecto al módulo control, se realizaron diversos sondeos con el propósito de que se explicaran las diferencias térmicas (oscilación) en ambos. Después de diversos estudios, como simulaciones del viento en el área de pruebas, también se realizaron múltiples calas para verificar el espesor de aplanados, donde se descubrieron diferencias en los espesores de aplanados, tanto en muros y plafón del módulo de pruebas como en el módulo control. El análisis apuntó diferencias de 1 a 2 cm, siendo siempre menor el espesor en el módulo de pruebas.

SOBRECALENTAMIENTO

Esta segunda etapa de pruebas, en la que se evaluó este sistema intercambiador de calor tierra-aire, se realizó durante el verano, del 17 al 26 de mayo de 2014. En esta ocasión, el sistema ayudó a disminuir la temperatura del aire exterior, ingresando un aire fresco al interior. Posterior a la evaluación, se realizó un periodo de calibración para corroborar que las condiciones de MC y MP2 fueran las mismas.

Pruebas con paneles aislantes adicionales durante sobrecalentamiento

Prueba con mayor resistividad térmica en cubierta. Como una primera etapa, se colocaron sondas de medición en cuatro puntos bajo la losa, tanto del módulo control como en el módulo de pruebas (figura 83). Se colocaron dos puntos en la parte sur de la losa, un punto de medición al norte y uno más al centro de la losa.

La diferencia en el espesor de la losa entre el módulo control y el módulo de pruebas fue mayor: con una diferencia superior a los 2 cm tan solo en su aplanado interior, la losa del módulo de pruebas era la más delgada y, por tanto, más vulnerable a variaciones térmicas por causa de este elemento con mayor exposición al sol y a las ganancias por conductividad a través de un aplanado de menor espesor. Para compensar esta diferencia, se aplicó un material aislante con una conductividad térmica de 0.042 W/mk, su inverso o resistividad mayor a 0.5mk/W y los resultados comprobaron que, con esta medida correctiva, se normalizaron las mediciones de temperatura.

Los resultados obtenidos por estos puntos de medición en MC y MP2 se realizaron del 4 al 13 de abril de 2014 y permitieron observar qué tanto, por las tardes (cuando más ganancias se tenía a través de elementos horizontales) se contaba con más de 0.50 °C en la temperatura del plafón en el módulo de pruebas; mientras que en horas de temperaturas mínimas existió una diferencia de hasta -1 °C (cuadro 20). Por otra parte, el retardo térmico del material fue hasta de una hora menos en el módulo de pruebas.

Para emparejar las condiciones aislantes de la losa de ambos módulos, se colocaron paneles aislantes en la parte superior de la losa del módulo control. El material utilizado como aislante en losa fue nuevamente un panel constituido por una espuma de vidrio o vidrio celular; los paneles aislantes, con dimensiones de 45 cm x 60 cm x 5 cm, fueron colocados, recortados y ensamblados sobre la losa (figura 84) y, posteriormente, sellados y protegidos contra las lluvias con una membrana plástica.

Como último proceso de calibración, específicamente en cuanto a las superficies, se registró una regularización de las lecturas obtenidas, tanto en los puntos de medición colocados en muros (este, sur y oeste) y en el plafón, en un periodo que comprendió del 1 al 10 de mayo de 2014 (cuadro 21).

La tercera repetición de la Prueba 0 o de calibración, ya con la regularización de las ganancias por conducción de los materiales que componen la envolvente térmica en MC y MP2, se efectuó del 1 al 10 de mayo de 2014.

Las temperaturas mínimas en MC y MP2 permanecieron en condiciones prácticamente iguales, 14.40 °C en el módulo control y 14.20 °C en el de pruebas. En promedio, las condiciones en MC y MP2 fueron muy similares, 19.18 °C en el MC y 19.39 °C en el MP2 (figura 85); no así para las horas de sobrecalentamiento, donde las diferencias de temperatura fueron mínimas pero dentro de 1 °C de diferencia.

Por otra parte, la humedad al interior presentó mayor fluctuación, con una humedad relativa máxima de 76.50% en el módulo control y 68.70% en el de pruebas. Mientras tanto, la humedad relativa mínima fue de 58.70% en el módulo control y de 49.00% en el módulo de pruebas, donde prevalecieron niveles ligeramente más altos en el módulo control.

Análisis e interpretación de resultados en verano

En la Ciudad de México, el mes que presenta mayores temperaturas es mayo, por lo que las lecturas en este periodo fueron esenciales para medir la eficiencia del sistema intercambiador de calor. Las lecturas obtenidas para este periodo de sobrecalentamiento (del 17 al 26 de mayo de 2014) fueron de 29.24 °C al exterior, 23.60 °C al interior del módulo control y 24.60 °C en el módulo de pruebas (figura 86 y cuadro 22) con el sistema de enfriamiento en ejecución. El sistema de acondicionamiento dentro del módulo de pruebas no reflejó su eficiencia en las temperaturas al interior.

Contrario a lo que se esperaba, el sistema intercambiador de calor tierra-aire no fue suficiente para disminuir la temperatura al interior del módulo de pruebas durante la época de sobrecalentamiento. Las pequeñas diferencias en la envolvente térmica entre MC y MP2 prevalecieron sobre la eficiencia del sistema.

En cuanto a los niveles de humedad relativa al interior de MC y MP2, el sistema intercambiador de calor demostró una mayor eficacia para regularizar y controlar los niveles de humedad al interior del módulo de pruebas. Durante las primeras horas del día, cuando la humedad es mayor, al exterior se registró una humedad de hasta 80.52%, mientras que al interior del módulo de control se contó con 74.40%, solo un poco por encima de parámetros de confort; mientras que en el módulo de pruebas la humedad descendió a 68.40% (cuadro 23), un nivel confortable.

Como se mencionó en los primeros capítulos, los niveles adecuados de humedad proveen a los usuarios no solo de un ambiente interior confortable, sino también de un espacio libre de gérmenes e infecciones que proliferan con mayor facilidad en un ambiente húmedo.

Al revisar el intercambio térmico entre la tierra y el aire a través del sistema intercambiador de calor, se observa que horas antes del medio día y en horas de la tarde, la temperatura que midió el termopar, bajo la incidencia de radiación solar directa, que en este periodo se encontraba en una posición cenital a 2ᵒ hacia el norte —variación de la posición del sol a su paso por la meridiana del lugar del 17 de mayo a 0ᵒ (figura 87a) al 26 de mayo a 2ᵒ (figura 87b)—, alcanzó lecturas extremas de hasta 42.71 °C.

El ángulo incidente del sol sobre el termopar durante el periodo de mediciones se incrementó, lo que produjo lecturas altas de temperatura. Cabe mencionar que este ángulo de incidencia solar sobre el equipo fue más marcado por las tardes, cuando las mismas temperaturas son por sí mismas muy altas y el ángulo solar al atardecer se inclina más al poniente. El mismo fenómeno ocurrió por las mañanas, aunque sin afectar las lecturas, gracias a la gran masa de árboles localizada al este del área de pruebas.

Las temperaturas exteriores, por el efecto del intercambio de calor tierra-aire, ingresaron al interior del módulo de control a tan solo 24.20 °C (figura 88 y cuadro 24).

Por otra parte, al analizar los resultados del factor de decremento del cuadro 22, se puede apreciar que, pese a la aplicación del intercambiador de calor en MP2, este mantuvo un decremento ligeramente mayor a MC (0.80 y 0.84, respectivamente).

La gran eficiencia del sistema para enfriar el aire caliente obtuvo un factor de enfriamiento de -2.07 °C por cada metro: ingresó a 42.71 °C y, a mitad del trayecto, alcanzó una temperatura de 19.93 °C, hasta emparejarse con la temperatura de la tierra de 19.20 °C (figura 89 y cuadro 25). La verdadera eficiencia de un sistema intercambiador de calor tierra-aire se reflejó al interior del ducto enterrado durante el proceso de calentamiento o enfriamiento aprovechado para precalentar o preenfriar el aire exterior y, posteriormente, al pasar este aire a un sistema convencional de acondicionamiento activo, pues representaría un enorme ahorro de energía al reducir los periodos de utilización de dichos sistemas, así como una considerable disminución en el consumo del equipo al calentar o enfriar un aire a temperatura regular.

CONCLUSIONES PRELIMINARES DEL DESEMPEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

El sistema intercambiador de calor tierra-aire demostró un bajo desempeño para climatizar un volumen de 14 m³, principalmente en invierno —cuando MC y MP2 con el sistema mantuvieron temperaturas promedio similares de 16.59 °C y 16.83 °C, respectivamente—, es decir, el intercambiador tan solo logró incrementar la temperatura una fracción de grado y, en cuyo caso, el factor de decremento fue cercano a 1, lo que indica una masa térmica poco eficiente y un espacio con alta oscilación de temperaturas.

Las lecturas del funcionamiento del sistema intercambiador de calor tierra-aire en verano mejoraron el factor de decremento —que en esta ocasión fue de 0.80 y 0.84 para MC y MP2, respectivamente—, así como la masa térmica de la envolvente, lo que aumentó el retardo térmico y disminuyó la oscilación de temperaturas al interior.

Uno de los motivos del bajo desempeño del sistema se debió al clima templado de la Ciudad de México, donde un intercambiador de calor no es necesario.

En el siguiente capítulo se presenta la evaluación virtual del sistema intercambiador de calor estudiado en la Ciudad de México, donde se consideraron diferentes diámetros de ducto. El diámetro del ducto presente en la experimentación fue de 5 cm, donde la literatura indica que al reducir el diámetro el flujo, se vuelve laminar y el intercambio de calor entre tierra-aire es más regular y estable, lo que favorece el intercambio de calor entre estos.

CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL POR MODELOS NUMÉRICOS

DISEÑO DE SISTEMAS INTERCAMBIADORES DE CALOR POR MODELOS NUMÉRICOS

El intercambiador de calor por medio de ductos subterráneos, sistema de ventilación inducida, ofrece la posibilidad de aprovechar la temperatura de la tierra a profundidades de poca magnitud. El aire enfriado y humidificado que se introduce a los espacios arquitectónicos permite lograr condiciones de confort higrotérmico para los ocupantes. La aplicación de estos sistemas en México puede reducir el impacto ambiental del elevado consumo de energía convencional y la emisión de contaminantes a la atmósfera. Los aspectos fundamentales para el cálculo de un sistema intercambiador de calor tierra-aire son longitud del tubo, radio de la tubería, caudal de aire y profundidad de la tubería.

Parte importante del diseño y caracterización de sistemas intercambiadores de calor tierra-aire en esta investigación es el desarrollo de modelos de simulación con base en los resultados obtenidos en mediciones in situ y los parámetros higrotérmicos registrados para el cálculo de transferencia de calor y humedad al interior del intercambiador construido en la Ciudad de México (figura 90).

Para el empleo del análisis por modelos numéricos, se realizó un estudio teórico para adaptar, sustituir y simplificar la complejidad del proceso real de intercambio térmico más sus distintas variables para ser representadas matemáticamente. Esta validación o verificación hecha a partir de resultados experimentales se aplicó para simplificar el complejo diseño y correcto dimensionamiento de un intercambiador de calor tierra-aire. La interacción de fenómenos físicos presentes en el intercambiador de calor, como la misma transferencia de calor y humedad en un proceso simultáneo, se dividieron y consideraron como elementos aislados para su correcto análisis y sustitución numérica.

Esto quiere decir que primero se trató a los componentes de transferencia de calor y después se añadió la influencia de la humedad en este proceso de transferencia de calor por conceptos como calor latente y calor sensible, como se explicó anteriormente, todo ello por influencia del vapor de agua presente en el aire.

TRANSFERENCIA DE CALOR Y HUMEDAD EN INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE

Dentro de un intercambiador de calor tierra-aire, se llevan a cabo diversos procesos físicos que influyen en el desempeño del sistema, cada uno de estos componentes particulares interactúan entre sí y, finalmente, resultan en el funcionamiento del sistema intercambiador de calor (figura 91).

En este proceso de intercambio térmico dentro del sistema, la influencia de la condensación y evaporación (calor latente), así como las diversas irregularidades del subsuelo a lo largo del trayecto del ducto, se intentaron regularizar en el modelo experimental, ya que estas variables serían complejas de representar por medios numéricos, pero sin duda influyeron en el desempeño del intercambiador de calor tierra-aire como parte de un proceso físico.

Transferencia de calor

La transferencia de calor (figura 92) es un proceso en el cual la energía se transporta por diferencias de temperatura de un cuerpo caliente a otro menos caliente, por cualquiera de los siguientes procesos: conducción, convección y radiación.

La conducción es un proceso que se lleva a cabo entre sólidos, mientras que la convección y radiación son procesos de trasporte calórico en gases y líquidos.

Fuente: http://www.masisa.com/col/productos/recomendaciones-practicas/arquitectura

Conducción

El flujo de calor q [W/m^2] en el material homogéneo e isótropo se expresa por la ley de Fourier~, que dice “el flujo de calor es proporcional al gradiente de temperatura y fluye en la dirección opuesta de vector de gradiente de temperatura”:

En dicha ecuación, λ es la conductividad térmica del material y 𝜃 es la temperatura. La ley de la conservación de la energía establece que “esta no se crea ni se destruye, solo se transforma” y se utiliza para describir el balance térmico para el flujo de calor que ingresa, menos el que sale, y este debe ser igual al calor almacenado:

En donde ρ es la densidad del material, h es la entalpía específica, a la que se agrega la ecuación de transferencia:

También se consideró la entalpía específica y el cambio de temperatura del material:

Al despejar la ecuación agregando λ y ρcp, se obtiene la siguiente fórmula:

El último fenómeno de transferencia de calor por agregar a la ecuación es la difusividad térmica:

Finalmente, la ecuación que describe la conducción de calor en un plano bidimensional es:

Convección

La transferencia de calor por convección es causada por el flujo de fluido, en este caso el del aire a través del ducto. El flujo de calor por convección Qconv se expresa:

En dicha ecuación, ma es el caudal de aire, ca es la capacidad térmica específica del aire y θa es la temperatura del aire. Si el fluido fluye a lo largo de una superficie y existe una diferencia entre la temperatura del fluido y la superficie, se producirá la transferencia de calor por convección. El flujo de calor por convección y la diferencia entre el fluido y la temperatura de la superficie se expresa con la función:

En el caso específico de simular las condiciones y parámetros registrados en mediciones in situ, la convección al interior fue producida por un ventilador, por lo que se le denomina convección forzada; en cambio, si hubiera sido producida por diferencias de densidad, habría sido por convección natural.

De igual manera, el fluido al interior del ducto puede ser laminar o turbulento (figura 93). En la tubería del intercambiador de calor analizado, el flujo fue completamente mezclado en cuanto a su velocidad y dirección, por lo que la temperatura llegó a ser uniforme al interior del ducto.

Fuente: http://fisica.laguia2000.com/dinamica-clasica/

Para determinar si el flujo es laminar, también conocido como no mezclado (velocidad y dirección constante) o turbulento, existe el denominado número de Reynold, que nos habla de cómo caracterizar el flujo en tubos rectos: si Re ≤ 2300, el flujo se considera laminar; y si Re ≥ 10000, el flujo se considera turbulento. Entre 2 300 y 10 000 el flujo está en estado de transición (ni laminar ni turbulento).

Transferencia de humedad

La transferencia de humedad a través del vapor de agua presente en el aire ambiente es causada por las diferencias de concentración de vapor y se transmite de la siguiente manera:

- Difusión

- Convección

- Succión capilar

- Termodifusión

Incluir la influencia de la humedad en el intercambiador de calor tierra-aire es de vital importancia por la transferencia de vapor presente en la convección entre el aire y la superficie del ducto; de igual manera, el vapor de agua puede ser transferido a través de la pared del ducto si este es de material poroso (ya sea por convección o succión capilar con el suelo circundante).

Difusión

El flujo de vapor de agua gv se explica por la ley de Frick, la cual expresa que “el flujo de vapor es proporcional al gradiente de conducción y fluye en dirección opuesta al vector gradiente”. Este potencial de difusión de presión de vapor de agua se puede expresar como:

En donde δρ es la permeabilidad de vapor de agua en cantidad (kg) y en velocidad (m^2/s), mientras que ρv es la concentración de vapor de agua o presión parcial de vapor, en cada una de las dos ecuaciones anteriores respectivamente.

La relación existente entre presión parcial y concentración de vapor en condiciones isotérmicas se calcula por la ecuación:

La relación entre la permeabilidad del vapor de agua δρ y δρ más la constante de los gases de vapor de agua Rv se expresa de la siguiente manera:

La ley de la conservación de la masa expresa que la masa no puede desaparecer y debe de mantener un equilibrio de humedad por volumen. Es decir, la humedad de entrada menos el flujo de salida tiene que ser igual a la humedad almacenada.

Existe una relación entre el contenido de humedad u y la presión de vapor mediante la sorción isoterma ξ y la saturación de presión de agua Psat:

Con la ecuación de estado y la ecuación de continuidad se obtiene la ecuación de trasporte de humedad en condiciones isotérmicas:

Convección

Por otra parte, la transferencia de humedad por convección es producto de un flujo de aire o humedad convectiva del flujo G:

En cuya ecuación, Va es la tasa de flujo de aire (m^3/s). Si el aire que corre por la superficie tiene distinta concentración de vapor de agua con el aire cercano, se lleva a cabo el fenómeno de transferencia de vapor por convección, al igual que de calor.

Según la fórmula de Lewis, el coeficiente de masa puede ser calculado a partir del coeficiente de calor:

Existe una relación directa entre el calor y la transferencia de humedad, pues son procesos que están unidos entre sí con una influencia mutua que puede transferirse como generación de calor latente, incremento de la conductividad térmica e incremento de la capacidad térmica de materiales húmedos.

GENERACIÓN DE CALOR LATENTE

En un intercambiador de calor tierra-aire, el fenómeno de calor latente es de gran importancia debido a la condensación o evaporación al interior de las paredes del ducto por vapor de agua. La condensación del vapor de agua al interior del ducto genera calor, por lo cual la temperatura al interior del ducto aumenta, mientras que la evaporación tiene un efecto contrario por calor latente, esto resulta en el consumo de energía calórica para lograr un cambio de fase.

La generación de calor latente que aumenta por la condensación y disminuye por la evaporación se define como:

En esta ecuación de calor latente, gv puede ser positiva (condensación) o negativa (evaporación), ambas del flujo de aire.

El proceso analítico para hallar la solución a la ecuación general de calor es mediante la oscilación armónica de la temperatura en un periodo tp. Para definir la temperatura de oscilación de una superficie 𝜃𝑠, se puede encontrar por función de seno.

Para la fórmula de oscilación de la temperatura a una profundidad z en metros, 𝜃MEAN es la temperatura media de la superficie; 𝜃A, la amplitud de la temperatura de la superficie y t es el tiempo.

La tasa de flujo de calor por desplazamiento lineal y la amplitud de la temperatura de manera exponencial:

Que a una profundidad z=0

La penetración a una profundidad periódica se le denomina dp

CÁLCULO DE LA DIFUSIVIDAD TÉRMICA DEL SUBSUELO

La difusividad térmica del subsuelo se obtiene a partir de mediciones a distintas profundidades (Verhoef et al., 2002) por medio de una solución analítica, al tomar en cuenta la amplitud y cambios de fase presentes a varias profundidades. Este método analítico, en el cual se compara la oscilación térmica de la superficie del suelo con la temperatura a una profundidad z, se puede expresar con las ecuaciones:

La amplitud de la amortiguación a una profundidad z, por cambio de fase y periodo de oscilación tp, en donde se comparó a dos distintas profundidades z para obtener la diferencia.

Régimen térmico natural del subsuelo a poca profundidad

El régimen térmico del suelo natural está sujeto a varios factores de transferencia de calor y conducción. Estos factores tienen mayor impacto en la capa del suelo cercana a la superficie del suelo, con una influencia de hasta 15 m, donde la temperatura ambiente, la radiación solar, vegetación y en algunas regiones incluso la capa de nieve son los principales factores (figura 94). Existen otros fenómenos que pueden tener menor influencia, como el calor latente de condensación o evaporación, evapotranspiración, transferencia de humedad del subsuelo y radiación en superficies circundantes (Beltrami & Kellman, 2003).

Fuente: http://www.terraterm.es/que.html

VALIDACIÓN EXPERIMENTAL

El intercambiador de calor estudiado en este trabajo tiene una configuración de lazo abierto (figura 95).

El flujo de calor por convección a lo largo del tubo enterrado es equilibrado por el flujo de calor por conducción del suelo. Este proceso de trasferencia de calor dentro del intercambiador de calor tierra-aire se puede describir por tres ecuaciones diferenciales, en las que se describe un balance térmico del aire que fluye tomando en consideración los efectos de calor latente:

En cuya ecuación, 𝜃a es la temperatura del aire en la tubería, 𝜃s es la temperatura interna de la superficie de la tubería (ambas en grados centígrados), 𝑔𝑣 es la condensación (+) o evaporación (-) en cantidad de vapor, a lo largo del ducto y sus diferencias a lo largo de todo el trayecto; ha es el coeficiente de transferencia de calor por convección del aire a la pared del tubo, ma es la tasa de flujo de aire que va variando en función a los efectos de calor latente de condensación, ca es la capacidad térmica específica del aire y 𝑟_0 es el radio interno del tubo. A esta expresión se integra la ecuación diferencial de continuidad o balance por conducción de calor en el tubo:

En donde 𝜃 es la temperatura del suelo, 𝜌cp es la capacidad de calor por unidad de volumen del suelo y 𝜆 es la conductividad térmica del suelo. Por el momento, se dejó de lado la transferencia de humedad en el suelo, mientras que las ecuaciones se vinculan con el equilibrio de calor de la superficie interna del ducto.

Coeficiente de transferencia de calor por convección

Para el estudio del intercambiador de calor tierra-aire, se empleó un tubo horizontal con una amplia longitud y reducido diámetro, por lo que el coeficiente de calor por convección dependió de la velocidad y flujo de aire, su temperatura y la geometría del tubo. Para dicho cálculo, se empleó el número de Nusselt adimensional Nu, con la siguiente fórmula:

En cuya expresión, 𝜆𝑎 es la conductividad térmica del aire, D son las características de dimensión (diámetro de la tubería en metros). El número de Nusselt se emplea para el cálculo de flujo forzado en un tubo circular (ASHRAE, 2001):

Donde la constante C y los exponentes m y n se determinaron a partir de las mediciones experimentales en el intercambiador de calor localizado al norte de la Ciudad de México; Re es el número de Reynolds y Pr el número de Prandtl. En este caso, por tratarse de tubos circulares, la constante C y sus exponentes son C= 0.023, m= 0.8, n= 0.4 para calefacción y n= 0.3 para refrigeración. El número de Reynolds Re guarda una relación entre fuerza inercial y viscosidad o fricción del fluido:

Para esta ecuación, 𝜌𝑎 es la densidad del aire, 𝑉𝑎 es la velocidad media del flujo de aire al interior del ducto, 𝜇𝑎 es la viscosidad dinámica, mientras que el número de Prandtl Pr se calcula por dos coeficientes: el de trasporte y difusividad:

Esta fórmula fue propuesta por ASHRAE en 2001 por ser una aproximación cercana para el cálculo de flujo turbulento por número de Reynolds de 10 000<Re<120 000, para número de Prandtl 0.7<Pr<120 y las características del tubo como L/D >60.

El valor del número de Prandtl es casi por completo independiente a la temperatura; por tal motivo, esta influencia térmica sobre el número de Nusselt también puede ser de mínima influencia. Los valores de transferencia de calor se calcularon por modelos numéricos para obtener los distintos resultados para diversos diámetros comunes en ductos de pvc (como lo son 50 mm, 100 mm y 150 mm). Se tomaron como referencia las lecturas en periodo de bajocalentamiento de las pruebas experimentales de los días 24 de diciembre de 2013 al 2 de enero de 2014, cuando se registraron bajas temperaturas de hasta 3.22 ᵒC en el aire a la entrada del ducto y cuando también se registró una temperatura de la tierra a 1.6 m de 17.9 ᵒC. Se cálculo el flujo de aire para cada uno de los tres diámetros de ducto a una velocidad de aire en movimiento de 3.5 m/s como se registró in situ. La misma validación numérica se realizó para sobrecalentamiento en pruebas experimentales los días 17 al 26 de mayo de 2014, cuando se registraron temperaturas de hasta 42.71 ᵒC en el aire exterior y una temperatura de la tierra de 19.2 ᵒC.

En el primer análisis por validación numérica, se obtuvieron diferencias sobre los resultados según el diámetro y flujo en cada uno de los tubos. En esta primera etapa (invierno), la calefacción a través del intercambiador de calor favoreció al diámetro menor de 50 mm con un flujo igualmente menor, elevando con mayor facilidad la temperatura del aire frío exterior de 3.22 ᵒC a 17.79 ᵒC (figura 96).

Para el segundo análisis por validación numérica, los resultados para refrigeración nuevamente resultaron favorables para el menor diámetro de ducto, siendo este más eficiente para enfriar por tratarse de un menor flujo de aire y, por tal motivo, un menor volumen de este (figura 97).

Puede utilizarse la relación propuesta por Hollmuller para obtener el coeficiente de transferencia de calor de manera lineal a la velocidad del flujo de aire, como se pudo apreciar al variar dicha velocidad en los modelos numéricos.

Existe una relación entre la velocidad, la tasa de flujo del aire al interior del ducto, así como con el mismo diámetro. Durante las pruebas experimentales, se empleó un tubo de 50 mm, un extractor que produjo una velocidad del aire de 3.5 m/s (figura 98a) y un flujo de 206.3 m3/min (figura 98b). Para el caso de su validación numérica, se emplearon las mismas características de velocidad y flujo, al suponer el mismo sistema que hace circular el aire y variar el diámetro del ducto con los principales diámetros disponibles para el pvc (50 mm, 100 mm y 150 mm).

Trasferencia de humedad

La transferencia de humedad en un intercambiador de calor tierra-aire suele ser muy compleja, por lo que estas variables fueron simplificadas sin considerar el contenido de humedad y los efectos del calor latente en el subsuelo que rodea la tubería. En este sentido, se propone que la concentración de vapor de agua en el flujo de aire es constante:

La concentración de vapor de agua al interior del intercambiador de calor se representa como 𝜌𝑣, mientras que la concentración de vapor de agua del aire a la entrada del ducto como 𝜌𝑣, 𝑖𝑛. El material del ducto en el modelo experimental es plástico de pvc con juntas selladas, por lo que la humedad que se produce puede ser por evaporación en la superficie del tubo; de ser así, la ecuación anterior puede ser utilizada.

Por otra parte, si la condensación o evaporación de vapor de agua humidifica o deshumidifica el aire, el equilibrio de humedad resultante a lo largo del trayecto del tubo será análogo al equilibrio de calor.

La tasa de flujo de aire va y la concentración de vapor de agua 𝜌v,sat son siempre en función a la temperatura interna de la superficie 𝜃𝑠 y el coeficiente de transferencia de humedad 𝛽𝜌.

En el caso experimental, se dejó una inclinación de 2% al trayecto del ducto para evitar estancamientos de agua, lo que afectaría la humedad.

Transferencia de calor y humedad

Como se ha mencionado constantemente, el balance térmico al interior de la tubería se vio influido por el calor relacionado al cambio de fase, ya sea por condensación o evaporación; estos últimos aspectos se deben agregar a la ecuación diferencial.

SOLUCIÓN NUMÉRICA

El intercambiador de calor tierra-aire en el campo experimental tuvo periodos específicos de operación, por lo que existió un periodo de recuperación del suelo, ya que este también puede llegar a “enfriarse” durante un periodo prolongado expuesto al aire relativamente frío de la noche. Por tal motivo, el intercambiador puede funcionar en los siguientes modos de funcionamiento:

- ma ≠ 0: el intercambiador de calor está en funcionamiento; el aire es aspirado a través de la tubería.

- ma = 0: el intercambiador de calor no está en funcionamiento y esta etapa se llama recuperación del suelo natural.

La etapa de operación tiene un procedimiento en el que la solución se lleva paso a paso en una línea de tiempo definida. Estos pasos se pueden resumir en tres aspectos fundamentales:

1. El cálculo explícito de la nueva temperatura del aire, explícito el cálculo de la nueva concentración de vapor de agua en el aire por condensación o evaporación y el agua acumulada en el intercambiador.

2. El cálculo explícito de la nueva temperatura del suelo.

3. El cálculo de la nueva temperatura de superficie de la tubería.

La solución analítica para el cálculo de la temperatura se puede representar por las siguientes ecuaciones:

Donde la temperatura media de la superficie de la tubería 𝜃s,mean es equivalente a la temperatura de la superficie que contiene condensación o evaporación 𝜃s,eqv . En cuya fórmula, nuevamente se integra la función de flujo de vapor de agua gv y el coeficiente de transferencia de calor por convección h𝑎.

Dentro de estos primeros pasos está el cálculo de las nuevas concentraciones de vapor de agua y el flujo de humedad y todas sus variables de condensación o evaporación. En estos valores de humedad, se debe considerar que si la concentración de esta supera 100%, no se producirá un efecto de evaporación por la saturación de vapor de agua en el aire.

El siguiente paso fue el cálculo de la nueva temperatura del suelo, por lo que se segmentó en planos perpendiculares la longitud del trayecto del ducto que conformaba el intercambiador, realizando en cada uno de estos planos un cálculo bidimensional.

De esta manera, se van creando puntos de cálculo; el primer punto de temperaturas sirve para calcular el siguiente y así sucesivamente por la ecuación de continuidad (Rode, 1997).

Esta ecuación de balance de calor está dirigida al cálculo específico de nodos, así que el tubo y el suelo límite toman la temperatura media del aire 𝜃a y el valor medio de convección y resistencia para determinar las características del aire en el tubo y el suelo en condición límite. Esto quiere decir que la temperatura del aire al interior del ducto no debe ser necesariamente exacta, ya que podría producir una sobreestimación del flujo de calor.

Para el siguiente paso de cálculo, se debe considerar que el tubo (figura 99) es un perfil cuadrado equivalente con un perímetro igual.

El cálculo del límite de la superficie del suelo considera la influencia directa de la temperatura ambiente, la radiación solar horizontal, la resistencia térmica por convección o influencia del viento y otros factores de resistencia, como la cubierta del suelo, los cuales pueden servir para simular un entorno y ambiente más exacto, lo que hace cada vez más complejo el modelo numérico, por lo que se utilizarán datos de mediciones experimentales in situ del ambiente.

También cabe resaltar que muchos de estos factores solo tienen una influencia a unos pocos centímetros de profundidad en el suelo, por lo que estos factores —en escala denominados de corto tiempo— pueden ser dejados a un lado para el cálculo de un intercambiador de calor tierra-aire colocado a una profundidad de 1.6 m como el analizado en este trabajo.

HERRAMIENTA DE CÁLCULO

Con base en la solución analítica estudiada, se desarrolló una herramienta para el predimensionamiento de intercambiadores de calor tierra-aire. El flujo constante del aire en el ducto fue sometido a la temperatura sinusoidal de cada día, con lecturas a cada hora, cuya información fue obtenida de la Estación Meteorológica Automática (EMA) del sitio más cercano a nuestra área de pruebas, ubicada en la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas II del Instituto Politécnico Nacional (IPN) en la Ciudad de México.

Para crear el archivo climático de la Ciudad de México, se procesó y depuró la información de temperatura a través de una dinámica horaria de todo el año 2013, siguiendo el esquema analítico de Fourier (Hollmuller, 2003) para las temperaturas de entrada. El cálculo de Fourier está diseñado para una rápida visualización del comportamiento térmico de un intercambiador de calor entre la tierra y el aire, especialmente en la amortiguación de las oscilaciones de temperatura de entrada anual y diario; vinculado con el calor de carga/descarga en el suelo.

Como se ha mencionado, los valores horarios de temperatura a la entrada de todo un año se agrupan en columnas de 8 760 valores. Posteriormente, estos valores se reducen a las frecuencias de oscilación más relevantes, las cuales se agruparon en columnas de 4 380 valores, a los cuales se asignan tres columnas más; 0 al valor promedio anual, 1 a la oscilación anual y 2 a la oscilación anual + oscilación diaria.

SIMULACIÓN EXPERIMENTAL

El archivo climático con el que se alimenta el programa de análisis —en primera instancia— proporciona el comportamiento del sistema intercambiador de calor tierra-aire a lo largo de todo el año. Antes de cargar los datos de temperatura, se colocaron las características del sistema intercambiador empleado en las pruebas experimentales en el siguiente orden:

Geometría

- Largo del tubo= 24 m

- Diámetro del tubo= 0.05 m

- Capa circundante de tierra con polímero= 0.10 m

Aire

Flujo= 24.74 m³/h (calculado)

Tierra

Conductividad de la tierra= 1.2 W/k.m

Capacidad calorífica= 1.9 W/k.m³

Frecuencia:

2 (oscilación anual+diaria)

Una vez que se anotaron los datos básicos del sistema intercambiador de calor, es posible obtener el comportamiento térmico y eficiencia del sistema para obtener los resultados de temperatura de entrada (Tin) y de salida (Tout) en función a las temperaturas al exterior (Text) a partir de datos horarios para todo un año (figura 100).

Como se puede observar en la gráfica anual, el sistema intercambiador de calor tierra-aire resulta una excelente herramienta para estabilizar las temperaturas, ya que las temperaturas características de la Ciudad de México tienden a ser frías durante las primeras horas del día, sin importar la época del año, por lo que las temperaturas mínimas exteriores (TextMin) siempre permanecen por debajo del confort, incluso más durante el invierno. El caso inverso ocurre para las temperaturas máximas al exterior (TextMax): son moderadamente altas a lo largo del año y se incrementan mucho en verano (superando los 30 ᵒC). Por otra parte, se aprecia la estabilización de las temperaturas del aire a la entrada de ducto (TinMin y TinMax), pero aun más con la temperatura del aire a la salida del ducto (el que es inyectando al interior del espacio). Cabe resaltar que la temperatura de salida (ToutMin y ToutMax) es muy similar y se encuentra entre los 16 ᵒC a 20 ᵒC.

El primer periodo de monitoreo experimental del sistema intercambiador de calor se realizó del 24 de diciembre de 2013 al 2 de enero de 2014. El sistema se probó para estudiar su desempeño al incrementar la temperatura del aire durante el invierno. Los resultados obtenidos en los tres puntos de monitoreo demostraron que, sin importar las temperaturas mínimas o máximas en invierno, la temperatura del aire al interior del ducto se estabilizó tanto como la temperatura de la tierra a la profundidad de 1.60 m (que se registró en 17.93 ᵒC) (cuadro 26). Cabe señalar que los valores obtenidos en las mediciones experimentales están sujetos a variables que no pueden ser replicadas por modelos numéricos, por lo que el valor medido al interior del ducto fue tomado como el valor Tout o temperatura de salida, ya que el registro tomado de las mediciones experimentales para el aire de salida fue afectado por la mezcla térmica entre aire de salida y aire al interior del espacio (figura 101).

Por otra parte, los modelos numéricos obtenidos por el cálculo arrojan resultados similares. Los datos de temperatura exterior (Text) provienen de registros en sitio y presentan mínimas diferencias por ser de sitios distintos cercanos (el utilizado en pruebas experimentales con registros en Cinvestav y los utilizados en validación numérica en el edificio de Ciencias Biológicas). Los resultados por cálculo de la temperatura del aire (cuadro 27), referentes al cálculo de la temperatura a los 12 m (Tin), presentaron una variación promedio de 1.84 °K, donde el cálculo de las temperaturas mostró mayor oscilación entre mínimos y máximos, mientras que en la experimentación la temperatura fue constante. El aire de salida (Tout) muestra mayor diferencia entre ambos resultados, ya que en la experimentación el aire del ducto se mezcló con el del espacio. El análisis del desempeño del sistema intercambiador de calor tierra-aire en invierno y la validación experimental por modelos numéricos permiten apreciar la eficiencia del sistema para el calentamiento del aire. Los resultados muestran la estabilización de la temperatura del aire, por lo que se puede proponer el dimensionamiento de un sistema intercambiador según las características climáticas del sitio; se puede obtener los valores horarios individuales por cada mes, tanto de la temperatura exterior (Text), la temperatura del aire de entrada (Tin) y la temperatura del aire de salida (Tout), cuyo último valor es el resultado final de las condiciones del aire que estaría inyectando al interior de los espacios climatizados naturalmente (figura 102) a través de un procedimiento de diseño y caracterización de un sistema intercambiador de calor tierra-aire como una herramienta más en el proceso de construcción sustentable en el análisis de temperaturas extremas —cuyo primer caso se evaluó en invierno—.

La segunda etapa de pruebas, en la que se evaluó este sistema intercambiador de calor tierra-aire, se realizó durante el verano, del 17 al 26 de mayo de 2014. En este periodo de sobrecalentamiento, se esperaba un mejor desempeño del sistema para estabilizar y reducir las altas temperaturas del aire exterior, donde las lecturas en sitio muestran una alta oscilación térmica que va de 3.64 ᵒC a 42.71 ᵒC. Dentro de estos mínimos y máximos, la temperatura del aire se estabilizó —en promedio— a 19.97 ᵒC (cuadro 28); esta temperatura al interior del ducto (Tin) fue muy estable y regular, tanto en experimentación como en la simulación.

La validación numérica durante el periodo de sobrecalentamiento arrojó resultados regulares y similitud a las pruebas experimentales, principalmente en Tin. En este caso, la temperatura exterior (Text) presentó una oscilación térmica amplia (cuadro 29).

Sin embargo, el desempeño del sistema intercambiador de calor para estabilizar la temperatura exterior fue muy similar, tanto en las pruebas experimentales como en la validación por modelos numéricos. La temperatura promedio del aire a la mitad del ducto (Tin) durante las pruebas experimentales fue de 19.97 ᵒC, mientras que por modelos numéricos fue de 19.26 ᵒC. En ambos casos, la oscilación térmica del aire en el ducto fue moderada, aunque mayor en la simulación. En cuanto a los resultados de la temperatura de salida (Tout) en pruebas experimentales, en promedio, el aire se estabilizó en 20.80 ᵒC, mientras que el cálculo arrojó resultados cercanos con 19.19 ᵒC, es decir, hubo una diferencia de 1.61 ᵒC entre los resultados experimentales y modelos numéricos debido a la mezcla de aire en pruebas experimentales. La herramienta de cálculo para el diseño y caracterización de un sistema intercambiador de calor demostró resultados diferentes, pero que permiten descifrar el resultado de cómo dicho sistema puede ayudar a estabilizar la oscilante temperatura exterior (Text) hasta finalmente obtener un aire confortable (figura 103).

Se probó la herramienta de cálculo con los datos climáticos para la Ciudad de México para el periodo de más altas temperaturas (mayo). El dimensionamiento del sistema intercambiador de calor fue el mismo, únicamente se propuso distintos diámetros de tubería (con base en las medidas comerciales del pvc) para comparar su desempeño.

Los datos básicos de diseño fueron los siguientes:

- Longitud de tubería: 24 m

- Diámetro de tubería: 0.05 m

- Espesor de tierra con polímero: 0.10 m (diámetro circundante)

- Flujo de aire: 24 m³/hr

- Conductividad de la tierra: 1.2 W/k.m

- Capacidad calorífica de la tierra: 1.9 MJ/k.m³

Los datos horarios de los 30 días de mayo fueron promediados, se localizó su máxima y mínima temperatura para mostrar en una tabla sintética de resultados (cuadro 30) y para apreciar los resultados de este primer predimensionamiento con pvc de diámetro de 5 cm.

En el siguiente proceso de simulación, se analiza el sistema intercambiador de calor con características similares, aunque con variaciones de 10 cm en el diámetro.

Datos básicos de diseño:

- Longitud de tubería: 24 m

- Diámetro de tubería: 0.10 m

- Espesor de tierra con polímero: 0.10 m (circundante a tubo)

- Flujo de aire: 98 m³/hr

- Conductividad de la tierra: 1.2 W/k.m

- Capacidad calorífica de la tierra: 1.9 MJ/k.m³

Los datos por simulación presentan una similitud con el diámetro anterior (cuadro 31), pese a que el diámetro mayor aumentó el flujo de aire que pasó de 24 m³/hr en el tubo con diámetro de 5 cm a 98 m³/hr en el de 10 cm. De manera preliminar, podemos observar que un aumento moderado en el diámetro de la tubería no refleja cambios considerables en cuanto al intercambio de calor se refiere.

Datos básicos de diseño:

- Longitud de tubería: 24 m

- Diámetro de tubería: 0.15 m

- Espesor de tierra con polímero: 0.10 m (circundante a tubo)

- Flujo de aire: 222 m³/hr

- Conductividad de la tierra: 1.2 W/k.m

- Capacidad calorífica de la tierra: 1.9 MJ/k.m³

En esta última propuesta de dimensionamiento de ducto, el diámetro aumentó a 15 cm —lo que produjo un considerable aumento al flujo de aire— y no representó un incremento en el desempeño del intercambiador de calor. Las temperaturas al exterior (Text) en los tres casos fueron las mismas registradas para el mes de mayo, mientras que el aire al interior del ducto (Tin) permaneció sin ninguna variación de temperatura para las tres propuestas, el resultado promedio fue 19.10 ᵒC. Por su parte, la temperatura del aire de salida (Tout) mostró un aumento de oscilación en la temperatura conforme aumentó el diámetro, siendo en el último caso de 2.61 ᵒK (cuadro 32).

Como conclusión preliminar, podemos afirmar que esta herramienta para el predimensionamiento de un sistema intercambiador de calor tierra-aire puede llegar a ser útil para medir el desempeño del intercambiador, según la propuesta de dimensionamiento, para obtener resultados muy semejantes a la realidad —si se suministra a esta herramienta con los datos de temperatura del lugar— y para obtener el desempeño según las características del sistema y datos de conductividad térmica del suelo (figura 104). Los resultados obtenidos por simulación a través de esta herramienta difícilmente pueden replicar con exactitud las temperaturas reales, por la infinidad de variables que afectan un entorno real, pero sí se puede determinar el posible desempeño de un sistema intercambiador de calor tierra-aire para concluir si el dimensionamiento propuesto es el adecuado. En el siguiente capítulo se presenta el análisis y simulación de un sistema intercambiador de calor propuesto en un clima cálido árido con un estudio paramétrico, donde las variables de diseño fueron en la profundidad del ducto, diámetro del ducto y la longitud del ducto.

CAPÍTULO 5. MODELOS MATEMÁTICOS Y EXTRAPOLACIÓN DE RESULTADOS. CASO DE ESTUDIO: CHIHUAHUA

ANÁLISIS DEL SITIO: CHIHUAHUA, CHIHUAHUA

Chihuahua es la capital del estado y la segunda ciudad más grande de esta entidad (figura 105). La ciudad de Chihuahua está asentada en un valle rodeado de sierras poco pronunciadas. Pese a contar con un clima cálido seco con una precipitación anual menor a los 500 mm, presenta varios ríos en las cercanías (río Chuviscar y Sacramento) además de varios arroyos.

Fuente: http://oidetam.blogspot.mx

No obstante que su principal actividad económica es la maquila, que se lleva a cabo en distintos complejos industriales, también cuenta con una gran actividad agrícola, que emplea a alrededor de 80% del agua que se extrae de los ríos, lagos y acuíferos; por este motivo, en Chihuahua el problema de la escasez del agua obedece a los regímenes bajos de precipitación que se presentan donde la densidad de la población es más alta y donde se concentra la mayor parte de las actividades económicas de las que subsisten los habitantes del estado (CNA, 2003). Por lo tanto, en Chihuahua se implementó un Centro de Investigación sobre Sequía (CEISS), el cual permite evaluar de manera permanente las áreas afectadas por la sequía con base en un monitoreo de estimación del índice de precipitación estandarizado.

Al tomar en cuenta todos estos elementos físicos, orográficos, naturales y climáticos (figura 106) como principio para un análisis del sitio, se debe consultar los mapas del INEGI respecto a los distintos atributos naturales para el estudio y levantamiento topográfico, edafológico, geológico, hidrográfico, vegetación y uso de suelo, así como sus características e infraestructura, servicios para valorar sus elementos naturales y artificiales y, de esta manera, determinar la vocación, uso y potencial de desarrollo del terreno.

Topografía

La ciudad de Chihuahua, en específico el sitio de estudio: Residencial San Francisco, ubicado al oeste de dicha ciudad, cuenta con moderadas elevaciones al noroeste por la Sierra Tarahumara, aunque está relativamente alejada como para verse afectada por escurrimientos o por su baja precipitación pluvial (figura 107). Cabe mencionar que el residencial San Francisco se encuentra en un terreno levemente más elevado que sus alrededores y, por tal motivo, no se verá afectado por zonas inundables.

Edafología

Gran parte del territorio en el que se asienta la ciudad de Chihuahua tiene una capa superficial compuesta principalmente de xerosol, comúnmente localizado en zonas áridas y semiáridas. Sin embargo, existe otra vasta región compuesta por regosol (en la que se ubica el sitio), conformado por una capa de material suelto que cubre la roca y sustenta cualquier tipo de vegetación según el clima, pero su uso es principalmente forestal y ganadero (figura 108).

Geología

La planicie donde se encuentra la ciudad de Chihuahua está constituida por un subsuelo de roca sedimentaria del periodo cuaternario. La roca sedimentaria tiene un uso recomendable para la agricultura, zonas de conservación y urbanización de muy baja densidad (figura 109).

Hidrografía

El estado tiene una rica hidrografía con numerosos ríos y arroyos, cuyo principal río en la ciudad de Chihuahua es el río Chuviscar, que proviene del río Conchos y que, a su vez, es vertiente del río Bravo (figura 110). La planicie donde se encuentra el sitio no cuenta con zonas inundables ni algún otro cuerpo de agua y las elevaciones cercanas son moderadas y lo suficientemente alejadas de tal manera que no hay problemas de escurrimientos.

Uso de suelo y vegetación

A los alrededores de la ciudad de Chihuahua se puede encontrar pastizal halófilo o especies graminoides de zonas áridas y diferentes tipos de matorral (inerme y espinoso) que se desarrollan sobre terrenos aluviales de zonas áridas y semiáridas. El sitio se encuentra en una zona con vegetación secundaria en la que se ha eliminado su principal comunidad vegetal, ya sea para agricultura u otros usos. En cuanto a sus características de vegetación, es una zona apta para la urbanización (figura 111).

Asoleamiento

El asoleamiento (figura 112) sobre esta superficie llana es directo, principalmente al medio día, cuando el sol se encuentra en el cenit. Esta exposición franca a la radiación del sol puede ser aprovechada para el diseño de espacios al aire libre y áreas de recreación, siempre y cuando se usen elementos arquitectónicos de protección solar, como volados, aleros y la misma vegetación para producir sombra, humedad. También se recomienda evitar las orientaciones oeste con el sol del poniente, para que los edificios se sobrecalienten al final del día y aprovechar el SE para tener ganancias solares al iniciar el día, principalmente durante el invierno.

CLASIFICACIÓN CLIMÁTICA

Las condiciones atmosféricas que caracterizan una región y sus elementos climáticos definen su clasificación con base en la observación de un largo periodo. La clasificación climática utilizada para definir las condiciones características de la ciudad de Chihuahua es la propuesta por Köpen, en 1918, que relaciona el clima y la vegetación para obtener los diferentes bioclimas (cuadro 33a, b, c, d e, f).

ANÁLISIS CLIMÁTICO DE CHIHUAHUA, CHIHUAHUA

Los datos climáticos normalizados de la ciudad de Chihuahua corresponden a la zona en que se realizarán las evaluaciones y pruebas con cifras normalizadas de la Estación Meteorológica núm. 00008109, Palacio de Gobierno. Estos datos fueron obtenidos del Servicio Meteorológico Nacional, dependencia de la Comisión Nacional del Agua, así como de datos observados de las Normales Climatológicas del periodo 1951-2010.

En principio, se debe ordenar y tabular los datos climáticos para realizar un posterior análisis, con el fin de realizar las propuestas y recomendaciones de diseño bioclimático para climas cálido secos según las temperaturas de cada región (figura 113).

Fuente: http://cuentame.inegi.org.mx

Temperatura

La temperatura media anual es de 18 °C. El mes de junio es el más cálido, con 25.9 °C, y enero el más frío, con 9.2 °C. Este tipo de climas cálido seco extremosos presentan una oscilación térmica elevada mayor a los 14 °C durante todo el año. Estas diferencias de temperatura son más notables en sus valores máximos y mínimos, los cuales pueden ir de los 40 °C en su mes más cálido a los -10 °C en el mes más frío (figura 114). En la ciudad de Chihuahua, los meses de frío sobresalen para el diseño puesto que, de octubre hasta abril, sus temperaturas promedio están por debajo del confort, mientras que las temperaturas máximas promedio presentes durante las tardes se encuentran por encima del confort de abril a septiembre.

Las horas de sobrecalentamiento comienzan desde las 12 horas, en el mes de junio, y estas temperaturas elevadas se mantienen por encima del confort hasta alrededor de las 20 horas. Un periodo de temperaturas similarmente altas comprende desde abril a septiembre. Las temperaturas mínimas se presentan durante los meses más fríos (diciembre, enero y febrero), en los que prácticamente en todo el día se mantiene una temperatura por debajo del confort (figura 115).

Como ya se mencionó, la temperatura media del mes más cálido (junio) es de 25.9 °C, prácticamente 26°, característica de un clima cálido seco. Estos tipos de clima presentan una clara diferencia entre el invierno y el verano, con altas oscilaciones horarias que rebasan los 14 °C, esto lo convierte en un clima extremoso, donde la masa del edificio, el calentamiento en invierno y el enfriamiento en verano son fundamentales.

Humedad

El estado de Chihuahua tiene una variación amplia de temperatura y humedad según la región. Se pueden localizar zonas altas de la sierra con clima semifrío subhúmedo con lluvias en verano y una contraparte totalmente opuesta con clima semiseco muy cálido en la zona sureste del estado. Por otra parte, la ciudad de Chihuahua se ubica en una zona seca y templada (figura 116).

Fuente: http://mapserver.inegi.org.mx

La ciudad de Chihuahua presenta un clima cálido seco; no obstante, mantiene niveles regulares de humedad relativa durante todo el año que se localizan dentro de los parámetros del confort, tanto la humedad relativa mínima (HR min) como la humedad relativa media (HR med), esta última durante la mayor parte del año, con excepción de julio, agosto y septiembre, cuando se rebasan por muy poco dichos parámetros. Sólo la humedad relativa máxima (HR máx.) sobrepasa el porcentaje de humedad por encima de 70% durante todo el año (figura 117). Cabe resaltar que el ser humano tiene mayor adaptabilidad a la variación de humedad, desde 30% hasta 70%, que corresponden a un ambiente seco y húmedo, respectivamente.

La humedad relativa horaria indica que, en general, durante la noche y parte de la mañana, la humedad se eleva por encima de parámetros del confort y que durante todo el día estos niveles de humedad permanecen dentro de los parámetros del confort. Durante todo el año, la humedad relativa es alta entre las 23 y 10 horas (figura 118), por lo que para espacios de uso nocturno con altos requerimientos de confort será necesario implementar climatización artificial o una alternativa pasiva que reduzca de manera eficiente el exceso de humedad.

Durante el día la humedad, en cambio, se mantiene en parámetros del confort, incluso durante el mes de junio, el más caluroso, puesto que comienzan las lluvias. La humedad horaria de todo el año indica que los requerimientos de humidificación serían mínimos e incluso nulos, no así durante la madrugada y primeras horas de la mañana que requieren deshumidificar; sin embargo, al igual que la temperatura, la masividad puede controlar la humedad.

Precipitación pluvial

El estado de Chihuahua también presenta distintos regímenes de precipitación a lo largo de toda su superficie. En general, son escasas las lluvias en más de la mitad del estado, con 200 a 300 mm, clasificando a esta zona como seca. Sin embargo, también cuenta con zonas húmedas con una precipitación mayor a 1 000 mm, aunque estas son zonas muy pequeñas (figura 119).

Fuente: http://mapserver.inegi.org.mx

La precipitación media anual en la ciudad de Chihuahua es de 448.4 mm, que se considera una precipitación baja propia de un clima seco. La precipitación pluvial durante todo el año es muy baja, menor a los 40 mm, aunque aumenta únicamente en los meses de julio a octubre; agosto es el mes con más lluvia, con tan solo 104.8 mm.

Las altas temperaturas de esta región cálida aumentan la tasa de evaporación que rebasa los 2 505.6 mm anuales, lo que crea un ambiente aun más seco (figura 120) y con problemas de escasez de agua, como los que ocurren en la ciudad de Chihuahua, donde la densidad de la población es mayor, lo que complica aún más el abastecimiento.

Índice ombrotérmico

El índice ombrotérmico (figura 121) demuestra la baja precipitación que presenta la ciudad de Chihuahua. En comparación con las elevadas temperaturas a lo largo del año, presenta un corto periodo húmedo —de julio a septiembre— en el que se puede aprovechar el rico suelo agrícola de la región con riego de temporal.

El índice ombrotérmico indica que prácticamente todo el año es seco, de octubre a junio; a excepción de julio, agosto y septiembre, pertenecientes al periodo lluvioso.

Radiación solar

La radiación máxima total presenta los más altos niveles en el periodo comprendido de abril a junio, por arriba de los 800 W/m², alcanzando los 988 W/m² en mayo; sin embargo, disminuye gradualmente hasta su nivel más bajo en diciembre y enero (menor a los 593 W/m²). Estos altos niveles de radiación solar durante todo el año nos hablan del potencial de aprovechamiento de la energía solar para el calentamiento pasivo y obtención de energía (figura 122).

En este clima, será fundamental el calentamiento solar pasivo durante invierno y, posiblemente como complemento, algún sistema convencional de calentamiento activo.

Viento

La velocidad media anual del viento es de 3.7 m/s, proveniente del NE la mayor parte del año (figura 123). Los vientos más fuertes provienen del SO durante un periodo de tres meses (marzo, abril y mayo) alcanzando los 10 m/s. Estos fuertes vientos coinciden con el inicio de la época cálida y pueden aprovecharse para el enfriamiento por aire en movimiento y ventilación nocturna a través de los vientos de SO (figura 124).

En esta investigación, se ha remarcado la importancia del viento en la arquitectura, por lo que el aprovechamiento de la ventilación natural y de los sistemas pasivos auxiliares en los proyectos de análisis es fundamental. En primera instancia, debido a las condiciones extremas y a las altas temperaturas presentes en la ciudad de Chihuahua, se restringió la ventilación natural sin tratamiento para precalentar o preenfriar el aire. Para medir la eficiencia de un sistema intercambiador de calor tierra-aire en un clima cálido seco como sistema de ventilación forzada, se propuso una envolvente masiva y lo más hermética posible en los espacios por intervenir (figura 125). El interior de este espacio se consideró sin cargas térmicas para replicar las condiciones del MP2 que se utiliza en pruebas experimentales.

Es fundamental tener conocimiento de la dirección del viento en las distintas épocas del año (figura 126) para, de esta manera, aprovechar la ventilación en verano y protegerse del viento frío de invierno.

DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN DE EAHX POR MODELOS MATEMÁTICOS EN CLIMA CÁLIDO SECO

El análisis climático para la ciudad de Chihuahua no indicó que esta región cuente con un clima extremoso, por lo que la evaluación del EAHX se realizó tanto en condiciones de bajocalentamiento como de sobrecalentamiento. En el gráfico anual de temperaturas (figura 127) se aprecia que las temperaturas mínimas de los meses más fríos se encuentran bajo cero (TextMin), mientras que las temperaturas máximas (TextMax) superan los 30ᵒC en los meses más cálidos. En este mismo gráfico, se representa el desempeño del EAHX para estabilizar las temperaturas del aire exterior, donde la temperatura de este al interior del ducto (TinMin y TinMax) disminuye su oscilación térmica considerablemente en comparación con el exterior. Por otra parte, la temperatura del aire de salida es muy estable y con un mínimo de oscilación, siendo esta durante todo el año dentro de los 15 ᵒC a 20 ᵒC, por lo que se puede considerar confortable para ventilar los espacios.

Enero es el mes con temperaturas más bajas, por lo que se midió el desempeño del sistema para calentamiento. Se consideró un EAHX con las mismas características estudiadas posteriormente, donde de nueva cuenta se propuso utilizar un diámetro de tubo de 5, 10 y 15 cm.

- Longitud de tubería: 24 m

- Diámetro de tubería: 0.05 m

- Espesor de tierra con polímero: 0.10 m (diámetro circundante)

- Flujo de aire: 24 m³/hr

- Conductividad de la tierra: 1.2 W/k.m

- Capacidad calorífica de la tierra: 1.9 MJ/k.m³

Los datos horarios de los 30 días (720 datos) del mes de enero fueron promediados y tabulados en su máxima y mínima temperatura para mostrar los resultados de forma sintética (cuadro 34) y así poder apreciar el desempeño del EAHX. La temperatura en enero es mayormente fría, de hasta -9 ᵒC (siendo esta la cifra más crítica para modo de calentamiento del sistema), y se logró una temperatura de salida (Tout) de hasta 15.66 ᵒC y, pese a la oscilación exterior, el aire se estabiliza en promedio en los 15.78 ᵒC.

En el siguiente proceso de simulación, se analizó el sistema intercambiador de calor con características similares, donde se varió el diámetro; en esta ocasión, 10 cm.

Datos básicos de diseño:

- Longitud de tubería: 24 m

- Diámetro de tubería: 0.10 m

- Espesor de tierra con polímero: 0.10 m (circundante a tubo)

- Flujo de aire: 98 m³/hr

- Conductividad de la tierra: 1.2 W/k.m

- Capacidad calorífica de la tierra: 1.9 MJ/k.m³

Al comparar el desempeño del intercambiador de calor tierra-aire con la primera propuesta de 5 cm y la segunda de 10 cm, los cambios fueron mínimos: tan solo aumentó la oscilación de temperatura del aire de salida en 1.14 °K, mientras que en el primer caso tan solo fue de 0.33 °K. De manera preliminar, podemos establecer que incrementar el diámetro y aumentar el flujo de aire contribuyeron a una mayor oscilación de temperaturas del aire de salida (Tout) (cuadro 35).

Datos básicos de diseño:

- Longitud de tubería: 24 m

- Diámetro de tubería: 0.15 m

- Espesor de tierra con polímero: 0.10 m (circundante a tubo)

- Flujo de aire: 222 m³/hr

- Conductividad de la tierra: 1.2 W/k.m

- Capacidad calorífica de la tierra: 1.9 MJ/k.m³

El desempeño del intercambiador de calor en modo de calentamiento no presenta mucha eficiencia y aumentar el diámetro tampoco ofreció mejores resultados, sino lo contrario. Las tres propuestas tuvieron resultados muy similares bajo características de temperatura exterior (Text) iguales: todos los casos alcanzaron una temperatura al interior del ducto de 15.81 ᵒC en promedio. Por otra parte, la temperatura del aire de salida (Tout) incrementó la oscilación térmica conforme aumentó el diámetro del tubo. La primera propuesta con diámetro de 5 cm obtuvo una oscilación de 0.33 °K; el diámetro de 10 cm, una de 1.14 °K y el diámetro de 15 cm obtuvo una de 2.23 °K (cuadro 36).

Junio es el periodo con temperaturas más altas y cuando el sistema intercambiador de calor tierra-aire en su modo de enfriamiento mostró mayor eficiencia para estabilizar las altas temperaturas del aire exterior. Se probó con tubos de diferentes diámetros: 5 cm, 10 cm y 15 cm para evaluar su desempeño por cálculo.

- Longitud de tubería: 24 m

- Diámetro de tubería: 0.05 m

- Espesor de tierra con polímero: 0.10 m (diámetro circundante)

- Flujo de aire: 24m³/hr

- Conductividad de la tierra: 1.2 W/k.m

- Capacidad calorífica de la tierra: 1.9 MJ/k.m³

En la tabla sintética (cuadro 37) se apreció el desempeño del EAHX para enfriar el aire cálido del exterior (Text) en el mes de junio, cuando se alcanzaron temperaturas máximas de hasta 32 ᵒC y mínimas de 13.60 ᵒC. Esta amplia oscilación de temperatura de 18.40 ᵒk se redujo a tan solo 6.99 ᵒK al interior del ducto (Tin), donde la temperatura promedio fue de 19.60 ᵒC. Este aire a la salida del ducto permaneció en promedio a 19.57 ᵒC, con una mínima oscilación de 0.3 ᵒK.

En el siguiente proceso de simulación, se analizó el sistema intercambiador de calor con características similares, pero con un diámetro de 10 cm.

Datos básicos de diseño:

- Longitud de tubería: 24 m

- Diámetro de tubería: 0.10 m

- Espesor de tierra con polímero: 0.10 m (circundante a tubo)

- Flujo de aire: 98m³/hr

- Conductividad de la tierra: 1.2 W/k.m

- Capacidad calorífica de la tierra: 1.9M J/k.m³

Los resultados de las simulaciones para el EAHX con diámetro en ducto de 10 cm en modo de enfriamiento para estabilizar las altas temperaturas del aire exterior (Text) del mes de junio arrojaron que la temperatura al interior del ducto (Tin), en promedio, fue de 19.60 ᵒC, mínimas de 16.06 ᵒC y máximas de 23.05 ᵒC, con oscilación de 6.99 ᵒK. Los resultados de la temperatura de salida (Tout), en promedio, permanecieron en 19.59 ᵒC, en cuyo caso aumentó ligeramente la amplitud de la oscilación en 1.05 ᵒk (cuadro 38).

Datos básicos de diseño:

- Longitud de tubería: 24 m

- Diámetro de tubería: 0.15 metros

- Espesor de tierra con polímero: 0.10 m (circundante a tubo)

- Flujo de aire: 222m³/hr

- Conductividad de la tierra: 1.2 W/k.m

- Capacidad calorífica de la tierra: 1.9 MJ/k.m³

Al igual que en el empleo de modelos numéricos para la primera simulación del desempeño del EAHX en modo de calentamiento, la eficiencia para enfriar disminuyó al aumentar el diámetro del tubo. Cabe destacar que para las simulaciones de los tres casos se emplearon los mismos datos registrados por SMN para los meses de enero y junio para Ciudad Cuauhtémoc, Chihuahua. Las temperaturas al exterior (Text) y las temperaturas al interior del ducto permanecieron iguales en todos los casos. La temperatura del aire de salida (Tout) en la última evaluación para enfriamiento con diámetro de 15 cm en ducto arrojó mayor oscilación térmica que en casos anteriores con 2.12 ᵒK (cuadro 39).

CONCLUSIONES

En la actualidad, las opciones de climatización y ventilación para el confort están limitadas a equipos activos que representan un gasto desmedido de energía a alto costo. Este es un gran problema ecológico, económico y de salud en las grandes ciudades, principalmente en aquellas con un clima extremoso predominantemente árido, como el presente al norte de la república mexicana.

El empleo de un sistema intercambiador de calor para mantener espacios bien ventilados, con temperatura y humedad a niveles estables y dentro del confort es una opción que reduce el impacto por consumo. Además de los beneficios del ahorro de energía, ayuda a reducir el impacto ambiental, ya que es un sistema que requiere un mínimo consumo y muy poco mantenimiento.

Cabe resaltar que la mayor eficiencia y desempeño de este sistema se refleja en zonas con temperaturas elevadas, como las que caracterizan el clima del norte de México, que es precisamente la región donde se genera una mayor cantidad de emisiones de CO_2 por el consumo eléctrico y, al mismo tiempo, un alto porcentaje pertenece a la operación de sistemas activos de climatización artificial, como aires acondicionados.

El bajo costo que representa la implementación de un sistema intercambiador de calor tierra-aire lo hace ideal para las comunidades más desfavorecidas, que además son las que más padecen por las inclemencias climáticas.

Por otra parte, contar con una opción de climatización natural reduciría los riesgos de enfermedades respiratorias causadas por condiciones como el estrés térmico y la proliferación de agentes nocivos que se desarrollan en sistemas de aire acondicionado.

Es posible incrementar la eficiencia térmica de un sistema intercambiador de calor con la ayuda de un buen diseño arquitectónico que armonice con su medio ambiente y que aproveche los recursos naturales con el mínimo impacto ecológico.

El sistema intercambiador de calor reúne el ahorro económico y el cuidado del medio ambiente, siempre con un beneficio social, por lo que se le puede considerar un equipo sustentable para la vivienda a través del aprovechamiento de la ventilación y la climatización natural.

Desde épocas remotas, ha sido de vital importancia el aprovechamiento de recursos naturales, desde el material regional apto para la construcción hasta el viento. Por ello, en esta investigación se promueve el manejo de técnicas tradicionales de construcción, como los diferentes sistemas a base de tierra. La arquitectura vernácula es un ejemplo de adaptación al medio físico y yace en ella la importancia de retomar técnicas de construcción del pasado de nuestro país.

En las ciudades del norte de México, las técnicas de construcción con tierra eran más comunes debido a la respuesta y desempeño térmico que ofrece dicho material ante las condiciones climáticas extremas y en cómo ofrecen un refugio confortable.

En el proceso experimental de este trabajo, se optó por analizar las propiedades térmicas y la respuesta de las construcciones de tierra para proporcionar espacios confortables dentro de la Ciudad de México.

El sistema intercambiador de calor tierra-aire que se instaló en el MP2 presentó un bajo desempeño para calentar y enfriar pese a que, para esto último, el EAHX es más eficiente. Dichos sistemas de ventilación forzada por ductos enterrados, en su mayoría son empleados como mecanismo de apoyo para aires acondicionados, precalentando o preenfriando del aire del exterior, con el fin de reducir el consumo de energía que se emplearía en AC al estabilizar las temperaturas, ya sean muy bajas o muy altas del ambiente. Aunque el EAHX es insuficiente para climatizar por sí solo un espacio, demostró ser un buen sistema estabilizador de la temperatura del aire.

A través del proceso experimental y de validación numérica, así como la extrapolación de datos, observamos que la elección de un tubo de menor diámetro fue mejor. La regularidad del flujo laminar, la cercanía entre tierra y volumen de aire optimizó el intercambio de calor entre ambos elementos, lo que permitió tener una temperatura del aire de salida regular, estable y con muy poca oscilación.

Durante las evaluaciones por modelos numéricos, en modo de calentamiento, con diámetro de 5 cm, el EAHX incrementó la temperatura mínima de -9.00 ᵒC hasta 15.66 ᵒC en invierno, mientras que en modo de enfriamiento regularizó las altas temperaturas que, como máximo, alcanzaron los 32.00 ᵒC al exterior y 19.68 ᵒC ya en la salida de tubo para la temporada de verano. Las cifras demuestran que el sistema intercambiador mejora la estabilidad de bajas o altas temperaturas del aire que trasporta en el ducto, mas no así para climatizar un espacio cuyas lecturas fueron muy similares en MC y MP2. En cuanto a las diferencias obtenidas, al probar distintos diámetros en ducto, los resultados más favorables corresponden al diámetro más reducido (5 cm), tanto para el mes de enero con bajas temperaturas como en junio con altas temperaturas. En general, el trabajo del EAHX para estabilizar la temperatura exterior (Text) y la temperatura del aire al interior del ducto (Tin) fue muy similar en las dos temporadas para los distintos diámetros de tubo propuestas. Las diferencias registradas se observaron en la temperatura del aire de salida (Tout) y en la oscilación de temperatura que se fue acentuando conforme el diámetro del tubo aumentaba. En el cuadro 40 se observa el incremento en la oscilación del aire de salida entre mayor fue el diámetro para la época de bajocalentamiento y en el cuadro 41 para sobrecalentamiento.

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LEGALES

Esta investigación fue dictaminada por pares académicos

Fernández Melchor, Francisco

Intercambiador de calor para el confort y ahorro de energía en edificios.

[recurso electrónico] / Francisco Fernández Melchor. -- Mexicali, Baja

California: Universidad Autónoma de Baja California, 2021

1 recurso en línea, p.165; il. col. -- (Selección anual para el libro universitario)

ISBN: 9786076076866

1. Edificios - - Conservación de energía.

I. Universidad Autónoma de Baja California. II. t. III. s.

TJ163.5.B84 F48 2021

©D.R. 2021 Francisco Fernández Melchor

Las características de esta publicación son propiedad de la

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Correo electrónico: editorial@uabc.edu.mx

www.uabc.mx

ISBN 978-607-607-686-6

Coordinación editorial: Laura Figueroa Lizárraga.

Diseño de portada: César Alonso Cervantes Vargas.

Formación electrónica: Lilian Guadalupe Beckham Lara.

Edición: Juan Carlos Rosas Ramírez.

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

Table of Contents

Agradecimientos

Resumen

Introducción

Antecedentes

Capítulo 1. Climatización artificial en edificios y efectos nocivos

Capítulo 2. Clima del lugar y arquitectura tradicional

Capítulo 3. Experimentación de un sistema intercambiador de calor tierra-aire

Capítulo 4. Análisis y validación experimental por modelos numéricos

Capítulo 5. Modelos matemáticos y extrapolación de resultados. Caso de estudio: Chihuahua

Conclusiones

Referencias

Páginas electrónicas consultadas

Legales