Simulación energética de invernadero adosado para viviendas de madera

UNIVERSIDAD DE CONCEPCION

Profesor Patrocinante:

FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO INGENIERIA MECANICA

Adelqui Fissore S.

Simulación energética de prótesis energéticas para viviendas de madera

Sebastián Uribe S.

PROYECTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Julio-2015

i RESUMEN En nuestro contexto nacional existen muchas viviendas, sobre todo las construidas antes del año 2000, que no cumplen con los mínimos requisitos de confort térmico para las personas que habitan en ellas, lo que se traduce finalmente en tener que climatizar estos espacios mediante equipos que consumen energía que a su vez generan un elevado costo económico para las familias. Para ilustrar un poco esto, en nuestro país el 25% del consumo energético se va en el sector de viviendas. Además cabe mencionar que junto con el gasto económico que se genera, el climatizar una vivienda produce un gran impacto ambiental, sobre todo en la región del Bío-Bío, donde el principal método de calefacción es la biomasa. Para poder revertir o minimizar este consumo energético, se plantea rehabilitar las viviendas usando prótesis bioclimáticas, es decir, la integración de elementos pasivos donde las viviendas aprovechen al máximo la energía natural que entrega el clima del lugar, como captación solar, acumulación de energía mediante la incorporación de propiedades como masa térmica y diferentes elementos de acondicionamiento pasivo que permiten una mejor adaptación al entorno. El objetivo de este proyecto es poder analizar el efecto de la implementación de una Prótesis bioclimática de fácil construcción y montaje como un invernadero adosado al muro de una vivienda de madera ubicada en diferentes microclimas de la región del Bío-Bío. Realizar una simulación energética para la vivienda, para ver los flujos de calor a través de las paredes, temperaturas y mejoras en el confort de las viviendas después de la implementación de las medidas de acondicionamiento pasivo. La simulación energética se hará para 1 prototipo de vivienda ubicada en la región del Bío-Bío, específicamente en el contexto climático de la costa de la región, es decir, el golfo de Arauco específicamente. Para la simulación se utilizará el software TRNSYS 16 el cual definiendo condiciones de confort, características termo-físicas de la envolvente de la vivienda, cargas internas, entregara los resultados finales a analizar temperatura interior, temperatura exterior y flujo de calor en paredes. Los resultados de la simulación energética serán la temperatura interior del prototipo de vivienda antes de implementar la prótesis energética para luego compararla con la temperatura interior de la vivienda luego de montar el invernadero al muro. Además de los flujos instantáneos de calor en cada pared. A partir de la simulación térmica los resultados muestran que la prótesis “Invernadero adosado” genera un alto impacto en la temperatura interior de la vivienda, aumentando en algunos casos hasta 5°C durante las horas más frías del año. Esto generará ahorros en calefacción importantes. Además se ve que el flujo de calor máximo hacia el interior se encuentra en la pared adyacente al invernadero adosado, generando un aporte para la calefacción interior de la vivienda.

ii ÍNDICE DE CONTENIDO

1. 2. 3. 4. 5.

Resumen………………………………………………………………………… Índice de contenido………………………………………………………. ……. Nomenclatura………………………………………………………………….... Capítulo 1: Introducción……………………………………………………….. Capítulo 2: Definición del prototipo de vivienda………………….............…... 2.1: Zona climática a la cual pertenece la vivienda………………..…… 2.2: Características geométricas de la vivienda…………………............ 6. Capítulo 3: Envolvente térmica de la vivienda……………………………….... 3.1: Estructura y aislamiento del piso…………………………………... 3.2: Paredes y envolvente térmica………………………………………. 3.3 Techumbre y envolvente……………………………………………. 7. Capítulo 4: Sistemas de acondicionamiento pasivo……………………………. 4.1: Prótesis bioclimáticas………………………………………….…… 4.2: Invernadero adosado………………………………………………. 4.3: Orientación…………………………………………………............ 8. Capítulo 5: Simulación energética en TRNSYS 16 de la prótesis…………….... 5.1: Construcción modelo de la vivienda con invernadero en TRNSYS.. 5.2: Resultados simulación energética…………………...……………… 5.2.1: Comparación temperatura interior de prototipo de vivienda Con y sin invernadero (Pared adyacente madera)……………………….. 5.2.2: Comparación temperatura interior de prototipo de vivienda Con y sin invernadero (Pared adyacente ladrillo)……………………….. 5.3: Comparación flujos de calor a través de las paredes……………….. 5.3.1 Resultados con pared adyacente de madera………………. 5.3.3 Valor promedio flujo de calor…………...………………… 5.4: Resultados temperatura interior de prótesis bioclimática………..…. 9. Capítulo 6: Conclusiones y Perspectiva…………………………………………. 10. Capítulo 7: Bibliografía………………………………………………………….

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iii NOMENCLATURA

U: Transmitancia térmica (W/m2K) R: Resistencia térmica (m2K/W) R100: Resistencia térmica de aislante térmico multiplicado por 100 e : espesor del material (m) Azimut superficial: Ángulo medido de la dirección sur hasta la normal de la superficie (para el hemisferio sur) Text: Temperatura exterior (°C) Tint: Temperatura interior (°C) λ : Conductividad térmica de un material ( W/m K) Qsup: Flujo de calor superficial por convección y radiación hacia las superficies interiores Nch 1079: Normalización Chilena 1079 - Arquitectura y construcción - Zonificación climático habitacional para Chile y recomendaciones para el diseño arquitectónico

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CAPITULO 1

Introducción 1.1. Marco general

En los últimos años, cerca del 35% de la energía primaria que consume el país proviene del petróleo y 19% corresponde a hidroelectricidad. La restante energía proviene del gas natural (22%), la leña y otros (14%) y el carbón (16%) (MINVU, 2009) Fig 1.1 Respecto de la participación por sectores en el consumo de energía secundaria, se obtiene que el sector Comercial, Público y Residencial presenta un consumo de 27% en el país, mostrando así su importancia en relación al consumo total, tal como también ocurre con el Transporte y el sector Industrial y Minero Fig. 1.2.

Figura 1-1 Consumo Energía primaria en Chile, promedio 2003 al 2007. (Gráfico reconstruido de Guía de diseño para la EE en la vivienda social. Fuente: Cifras propias CNE)

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Figura 1-2: Distribución del consume energético por sectores en Chile

Observando exclusivamente el sector residencial (excluyendo el sector público y comercial), el consumo de energía secundaria (que alcanzó aproximadamente a en el año 2007 (MINVU, 2009)) está altamente concentrado en la leña, con un 60% de participación, sobre todo en la región del Bío-Bío. Es por esto que el desarrollo de la construcción sustentable, y diseño bioclimático inteligente, debe ser un punto muy importante a considerar, sobre todo en las viviendas sociales donde existe un déficit enorme de condiciones de confort térmico sobre todos las construidas antes del año 2000. A partir del año 2000 y luego después del 2007 se crearon normas de mínima aislación para cada zona térmica del país, pero a pesar de esto sigue faltando interés e implementación de arquitectura bioclimática. Específicamente la arquitectura bioclimática usa técnicas de diseño de acondicionamiento pasivo, es decir, sin ningún tipo de equipo que consuma energía. Existen 3 tipos de técnicas que desde el punto de vista termodinámico influyen en el comportamiento de la vivienda, las técnicas conservativas, de conexión y estabilizadoras.

Las técnicas conservativas intentan evitar al máximo las pérdidas o ganancias de energía, dependiendo la estación del año, entre interior y exterior. Las técnicas de conexión es todo lo contrario, aquí se intenta favorecer la penetración o salida del flujo energético. Por ejemplo se tiene la captación de radiación solar mediante amplias superficies de ventanas orientadas al norte para facilitar la transmisión de la energía del sol a la vivienda en invierno o por otro lado la ventilación cruzada orientando los sistemas de ventilación en la dirección del viento para facilitar la disipación de calor en verano. En el tercer caso las técnicas estabilizadoras consisten en mantener constante en el tiempo las condiciones ambientales en el interior, es decir acumular el calor durante el día para después redistribuirlo hacia la vivienda en la noche cuando baja la temperatura, de esta forma los cambios de temperatura dentro del inmueble no son tan drásticos.

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También se puede aprovechar elementos como colectores solares para agua caliente sanitaria y/o paneles fotovoltaicos para aprovechar al máximo la energía proveniente del sol. Es así que la acción combinada de estas 3 técnicas de forma óptima, implementando prótesis bioclimáticas de acondicionamiento pasivo generaran importantes ahorros de energía a partir de un bajo costo de inversión ya que están técnicas solo requieren de un buen diseño y materiales de bajo costo.

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CAPITULO 2 Definición del prototipo de vivienda 2.1. Zona climática de la vivienda

El criterio para las especificaciones técnicas del prototipo será el de cumplir la normativa de los valores de Transmitancia térmica (U) especificados en la Nch 1079 de 2008. Para esto se debe definir la zona climática de la vivienda. Las especificaciones responderán al prototipo situado en la zona de Concepción, la cual se encuentra en la Zona 6 Sur litoral.

Figura 2-3 Mapa zona térmica según Norma Chile 1079 del 2008

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Zona NL

Localización

Características generales

Norte litoral: Se extiende desde el límite con el Perú hasta el río Aconcagua, ocupando la faja costera al lado occidental de la Cordillera de la Costa, hasta donde se deja sentir directamente la influencia del mar. En los valles que rematan los ríos y quebradas se producen penetraciones de esta zona hacia el interior.

Zona desértica con clima dominante marítimo. Poca oscilación diaria de temperatura. Nubosidad y humedad que disipa al medio día. Soleamiento fuerte en las tardes. Lluvias nulas en el norte y débiles en el Sur. Vientos de componente W. Atmósfera y suelo salinos. Vegetación nula o escasa.

Ancho variable llegando hasta 50 km aproximadamente

ND

Norte desértica: ocupa la planicie comprendida entre ambas cordilleras (de la Costa y de los Andes). Desde el límite con el Perú hasta la altura de Potrerillos, Pueblos Hundido y Chañaral excluidos. Como límite oriental puede considerarse la línea de nivel 3 000 m aproximadamente.

Zona desértica, sin lluvias, calurosa. Atmósfera limpia con fuerte radiación solar. Noches frías. Fuerte oscilación diaria de temperaturas. Ambiente seco. Vegetación nula. La cruza el río Loa, formando una angosta subzona de microclima particular. Vientos fuertes.

NVT

Norte valles transversales: ocupa la región de los cordones y valles transversales al oriente de la zona NL excluida la Cordillera de los Andes por sobre 400 m y desde Pueblo Hundido hasta el valle del río Aconcagua, excluido.

Zona semidesértica. Veranos largos y calurosos. Microclimas en los valles. Lluvias escasas aumentando hacia el sur. Fuerte radiación solar y oscilación diaria de temperaturas. Escasas nubosidad. Vegetación en aumento. Vientos irregulares. Atmósfera relativamente seca

CL

Central litoral: cordón costero continuación zona NL desde el Aconcagua hasta el valle del Bío-Bío excluido. Penetra ampliamente en los anchos valles que abren las desembocaduras de los ríos.

CI

Central interior: valle central comprendido entre la zona NL y la precordillera de los Andes por bajo los 1 000 m. Por el N comienza con el valle del Aconcagua o por el S llega hasta el valle del BíoBío excluido.

SL

Sur litoral: Continuación de zona CL desde el Bío-Bío hasta Chiloé y Puerto Montt. Variable en anchura, penetrando por los valles de los numerosos ríos que la cruzan.

SI

Sur interior: continuación de zona CI desde el Bío-Bío incluido, hasta la ensenada de Reloncaví. Hacia el E, hasta la Cordillera de los Andes por debajo de los 600 m aproximadamente.

SE

Sur extremo : La constituye la región de los canales y archipiélagos desde Chiloé hasta Tierra del Fuego. Contiene una parte continental hacia el E.

Zona con clima marítimo. Inviernos cortos de 4 a 6 meses. Temperatura templada. Nubosidad en verano disipa a mediodía. Lluvias importantes. Vientos de componente W. Suelo y ambiente salinos y relativamente húmedos. Vegetación normal. Zona de clima mediterráneo. Temperaturas templadas. Inviernos de 4 a 5 meses. Vegetación normal. Lluvias y heladas en aumento hacia el S. Insolación intensa en verano especialmente hacia el NE. Oscilación diaria de temperatura moderada, aumentando hacia el E. Viento del SW. Zona de clima marítimo, lluvioso. Inviernos largos. Suelo y ambiente salinos y húmedos. Vientos fuertes de componente W. Vegetación robusta. Temperatura templada a fría. Zona lluviosa y fría con heladas frecuentemente. Veranos cortos de 4 a 5 meses con insolación moderada. Lagos y ríos numerosos, con microclimas. Vegetación robusta. Ambiente y suelo húmedo. Vientos S y SW Zona fría y muy lluviosa, disminuyendo de W a E. Clima especialmente marítimo en zonas bajas. Fuertes vientos. Nubosidad casi permanente. Veranos muy cortos. Suelo y ambiente

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AN

Andina: comprende la faja cordillerana y precordillerana superior a los 3 000 m de altitud en el Norte (Zona Altiplánica) que bajando paulatinamente hacia el Sur se pierde al Sur de Puerto Montt. > 900 m de altitud.

muy húmedo. Vegetación muy robusta. Heladas y nieve en zonas altas como asimismo radiación solar moderada en verano. Microclimas importantes en el interior. Zona de atmósfera seca, grandes oscilaciones de temperatura entre día y noche. Tormentas de verano en el altiplano (norte). Ventiscas y nieve en invierno. Vegetación de altura. Gran contenido de ultravioleta en la radiación solar. Dado que presenta grandes diferencias en latitud y altura, presenta características muy particulares a lo largo de ella, siendo en general de condiciones muy severas.

Tabla 2-1: Tabla de zonificación climática Según Nch 1079 de 2008

La envolvente térmica a utilizar será especificada en el capítulo 3, a partir de la zona climática descrita anteriormente

2.2 Características geométricas de la vivienda Para poder definir las dimensiones del prototipo de vivienda a simular se basara en lo que la normativa vigente considera como espacio apropiado y que considera como espacio mínimo. Se debe considerar 1 dormitorio para ingreso y maniobra de persona con silla de ruedas. Para esto se consideraran las siguientes 2 alternativas (Especificaciones tecnicas, Proyecto innova:"Protesis energeticas para viviendas de madera").

Figura 2-2: Alternativa 1 dormitorio principal

Figura 2-3: Alternativa 2 dormitorio principal

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Además de esto se debe considerar un segundo dormitorio en el cual pueda haber dos camas de 1 plaza un área de velador y un área de giro para silla de ruedas. Se consideraron 3 alternativas (Especificaciones tecnicas, Proyecto innova:"Protesis energeticas para viviendas de madera")

Figura 2-3: Alternativa 1 dormitorio secundario

Figura 2-4: Alternativa 2 dormitorio secundario

Figura 2-5: Alternativa 3 dormitorio secundario

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Considerando los requerimientos expuestos anteriormente se establece las dimensiones y volumen interior del prototipo para la simulación térmica del espacio al cual se le implementara la prótesis bioclimática. En la figura 2-6 se muestra el plano del diseño del espacio interior del prototipo.

Figura 2-6: Vista en planta del diseño del prototipo de vivienda

CAPITULO 3

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Envolvente térmica de la vivienda 3.1 Estructura y aislamiento del piso La estructura del piso estará compuesta por madera escuadría de 2 x 8” las cuales irán separadas por 50 cm. Esta estructura formara parte de un armazón prefabricado que será desmontable fácilmente. Para el revestimiento interior del piso se utilizara un entablado de madera de un 1” de espesor colocado en el panel prefabricado descrito anteriormente. Luego para la aislación estos paneles llevaran un aislante que cumpla con la normativa térmica para la zona de sur litoral. Para esto se utilizara poliestireno expandido de densidad 10 kg/m 3 con un espesor de 60 mm el cual cumple con la normativa de la norma chilena 2251 (Nch)de R100 para la zona 4. Ver figura 3.1. La resistencia térmica del aislante según la siguiente ecuación

Con e espesor aislante en metros, 0,06 m de poliestireno expandido y λ conductividad térmica del material 0,03 W/m K. Por lo tanto

El cual resulta menor al máximo (235) para la zona litoral sur.

Figura 3-4: R100 para las diferentes zonas térmicas del país

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Finalmente para proteger el aislamiento de poliestireno expandido se revestirá el panel exteriormente con una plancha de OSB por su buen comportamiento en la intemperie y además por su fácil instalación. 3.2 Paredes y envolvente térmica Las paredes estarán montadas sobre los paneles de madera descritos anteriormente, las cuales irán unidas de forma óptima para minimizar infiltraciones de aire. Para esto se usaran sellos de neopreno de baja densidad. La estructura de las paredes serán paneles prefabricados de pino impregnado al vacio de 2 x 3” con sales CCA a 40 cm de distancia como máximo Para la aislación se usara como material aislante una capa de poliestireno expandido de 50mm con una densidad de 10 kg/m3. Ademas se contempla como barrera de vapor una membrana hidrófuga bajo el revestimiento exterior del tipo homewrap y bajo el revestimiento interior un papel fieltro asfaltico de 15 libras considerando 20 cm de traslapos en uniones. La resistencia térmica para este tipo de pared es: Con lo que la Transmitancia térmica resulta ser:

Esta valor está al límite de la normativa de transmitancia térmica de la zona sur litoral de la Nch 1079 de 2008. Pero aun cumple con los requisitos Zon a NL ND NV T CL CI SL SI SE AN

Valores mínimos transmitancia térmica (U) en elementos opacos verticales 2 0,5 0,8 0,8 0,6 0,6 0,5 0,4 0,3 Tabla3-1: Valores máximos de U para diferentes zonas del pais( Nch 1079 of 2008)

3.3 Techumbre y envolvente La estructura de la techumbre será un envigado de madera escuadria de 2”x 6” a 40 cm cada una. Las uniones entre las paredes exteriores y el envigado serán atornilladas. Luego las costaneras serán de 2”x 2” a 40 cm como máximo cada una. La unión al envigado será mediante torinillos.

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El cielo de la techumbre entre envigado y a la vista se considerará cielo de OSB. Mientras que para la cubierta del techo se utilizaran planchas de Zincalum de 0,35mm. El aislamiento para la techumbre debe cumplir el valor mínimo de Transmitancia térmica para la Zona del sur litoral por lo que se utilizara lana de vidrio de 12 kg/m3 de espesor 100mm Lo que da un resultado de resistencia térmica de Por consiguiente,

Zon a NL ND NV T CL CI SL SI SE AN

Valores mínimos transmitancia térmica (U) en techumbres opacas 0,8 0,4 0,6 0,6 0,5 0,4 0,3 0,25 0,25

Tabla 3-2: Valores máximos de U para diferentes zonas del pais( Nch 1079 of 2008)

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CAPITULO 4 Sistemas de acondicionamiento pasivo Específicamente la arquitectura bioclimática usa técnicas de diseño de acondicionamiento pasivo, es decir, sin ningún tipo de equipo que consuma energía. Existen 3 tipos de técnicas que desde el punto de vista termodinámico influyen en el comportamiento de la vivienda, las técnicas conservativas, de conexión y estabilizadoras.

Las técnicas conservativas intentan evitar al máximo las pérdidas o ganancias de energía, dependiendo la estación del año, entre interior y exterior. Las técnicas de conexión es todo lo contrario, aquí se intenta favorecer la penetración o salida del flujo energético. Por ejemplo se tiene la captación de radiación solar mediante amplias superficies de ventanas orientadas al norte para facilitar la transmisión de la energía del sol a la vivienda en invierno o por otro lado la ventilación cruzada orientando los sistemas de ventilación en la dirección del viento para facilitar la disipación de calor en verano. En el tercer caso las técnicas estabilizadoras consisten en mantener constante en el tiempo las condiciones ambientales en el interior, es decir acumular el calor durante el día para después redistribuirlo hacia la vivienda en la noche cuando baja la temperatura, de esta forma los cambios de temperatura dentro del inmueble no son tan drásticos. También se puede aprovechar elementos como colectores solares para agua caliente sanitaria y/o paneles fotovoltaicos para aprovechar al máximo la energía proveniente del sol. Es así que la acción combinada de estas 3 técnicas de forma óptima, implementando prótesis bioclimáticas de acondicionamiento pasivo generaran importantes ahorros de energía a partir de un bajo costo de inversión ya que están técnicas solo requieren de un buen diseño y materiales de bajo costo.

4.1 Prótesis bioclimáticas Normalmente una prótesis se asocia a un elemento que ayuda a cumplir una función que el cuerpo original naturalmente no posee o en su defecto rehabilitar alguna falencia que este tenga. Por esto se le llaman prótesis bioclimáticas a los elementos que ayudan a resolver problemáticas de las funciones naturales de un edificio o vivienda, en específico para mejor el problema energético que este pueda tener. La idea de estas prótesis es que sean de fácil acceso e implementación para las viviendas de maderas. Las tipologías de elementos a considerar están clasificados en: 1) Prótesis contra el frío: -Elementos de captación solar e integración de dispositivos solares para climatización como invernaderos, muros trombre, chimeneas solares. La captación solar estará construida por un elemento transparente (vidrio), el cual permita la entrada de la radiación solar y detiene la salida

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de la radiación infrarroja al exterior y una superficie opaca (muro ladrillo, concreto, etc) que recibe la radiación solar y la absorbe.

Figura 4-5: Prótesis bioclimáticas de captación solar contra el frio. A)Invernadero adosado B) Muro Trombe C) Chimenea Solar

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Elementos de acumulación de energía: Para la acumulación de energía existen diferentes configuraciones de distribución de masa térmica en las paredes de las viviendas de madera, para esto se pueden usar materiales auxiliares de acumulación térmica como agua, arena, tierra y materiales de cambio de fase (PCMs).

2) Prótesis contra el calor: Estas ayudaran a mantener las condiciones interiores de confortabilidad cuando las condiciones climáticas exteriores tengan un exceso de radiación y/o temperatura del aire. Para esto las técnicas más utilizadas son “ventilación y tratamiento de aire” y las de “protección de radiación”.

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Figura 4-6: Elemento de sombramiento de protección de radiación (Alero)

4.2 Invernadero adosado Para este proyecto la prótesis a simular y posteriormente, en una segunda fase de este, implementar será un invernadero adosado a la pared del prototipo de vivienda como fue definido en capítulos anteriores. Un invernadero adosado consiste en una estructura acristalada (vidrio) conectado adyacentemente a una pared de la vivienda que es la encargada de acumular la radiación directa que atraviesa el cristal. Ademas la superficie vidriada impide que la radiación infrarroja se pierda hacia el exterior por lo que actúa como un amortiguador térmico. Los vanos de conexión entre el invernadero y los espacios habitables pueden tener dispositivos de control como puertas, paneles o cortinas. Estos generalmente se abren durante el día para aprovechar la radiación directa, para permitir la calefacción de los espacios habitables mediante flujos convectivos de aire. Durante la noche se cierran para evitar que los espacios habitables pierdan calor hacia el exterior.

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En la siguiente figura se puede apreciar un esquema de dos diferentes configuraciones de invernaderos, una con ventilación entre el invernadero y la pieza adyacente y la otra sin ventilación.

Figura 4-3: Esquema invernadero adosado a) Con ventilación entre los dos espacios b) sin ventilación

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4.3 Orientación La orientación del invernadero es de suma importancia, este debe recibir la mayor cantidad de radiación posible por lo que la fachada donde este se encuentra debe estar orientada en la dirección norte y cubrir la mayor cantidad de superficie posible. El diseño del prototipo y la orientación del invernadero se muestran en la siguiente figura:

Figura 4-4: Esquema prototipo de vivienda con invernadero adosado

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CAPITULO 5

Simulación energética en TRNSYS 16 de la prótesis En este capítulo se mostrara los pasos para la simulación del prototipo de vivienda con invernadero y sin invernadero para ver su efecto en la temperatura interior de la habitación adyacente. Además se probaran diferentes configuraciones de materialidad para la pared adyacente entre el invernadero y el prototipo de vivienda para así optimizar que el flujo de calor máximo para calefacción esté a través de aquella pared. 5.1 Construcción modelo de la vivienda con invernadero en TRNSYS 16

Figura 5-7 Modelo en TRNSYS para la simulación

El software TRNSYS 16 funciona con módulos que van interconectados entre ellos que procesan la información, calculan los resultados que el usuario requiera, a continuación se describirán los módulos fundamentales utilizados en la simulación energética del prototipo de vivienda y de la prótesis “ Invernadero adosado”. Type9a: Contiene la información de datos meteorológicos, en un archivo .txt, como radiación horizontal difusa y directa, temperatura exterior, entre otras. Type16i: El type 16i procesa la información recibida del Type9a como la radiación horizontal. El usuario como input ingresa las distintas superficies, su inclinación y su ángulo de azimut superficial. Type16i entrega como output la radiación y ángulo de incidencia de cada superficie definida.

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Type56a: Este módulo recibe la información entregada por el Type16i y el Type9a, radiación incidente en cada superficie temperatura exterior entre otras a definir. En este módulo se definirá la materialidad de cada superficie, las zonas térmicas a simular, en este caso, interior del prototipo de vivienda e invernadero. Para esto el type56a utiliza TRNBUILD, un software interactivo que contiene variada información de diferentes materiales de construcción y aislamiento. Junto con esto TRNBUILD permite ingresar otros parámetros a considerar como infiltraciones, ganancias de energía, calefacción, refrigeración, etc.

Para este caso en particular se definirán 2 zonas térmicas: Zona interior : Interior del prototipo de vivienda Zona Z2 : Interior del invernadero adosado

Figura 5-8: TrnBuild con 2 Zonas térmicas, Z2 invernadero e Interior Zona interior del prototipo de vivienda

Luego en TRNBUILD se definirá la materialidad y dimensiones del prototipo de vivienda y del invernadero que fueron descritos en los capítulos anteriores

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Figura 5-9: Construcción de modelo en TRNBUILD zona invernadero

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Figura 5-10: Construcción modelo TRNBUILD de Zona interior de vivienda

En las imágenes anteriores se muestra como fue definida cada zona térmica para la simulación de la vivienda incluyendo el invernadero.

Se estudiaran dos configuraciones de pared adyacente entre invernadero y prototipo de vivienda. Para el primer caso será una pared de madera con 50mm de aislapol y una ventana de 1m 2, en tanto para el segundo caso será una pared de ladrillo de 150mm para ver el efecto de la masa térmica.

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Para ilustrar de mejor forma la siguiente tabla muestra las dimensiones de cada superficie y materialidad: Orientación Este

Dimensiones paredes prototipo incluidas ventanas 8,58 m2

Oeste

8,58 m2

Sur

9,88 m2

Norte

9,88 m2

Horizontal

12,54 m2

Piso

12,54 m2

Materialidad aislante Pared prototipo Fieltro(0,001m)Madera(0,025m)Aislapol(0,05m)Madera(0,025m) Fieltro(0,001m)Madera(0,025m)Aislapol(0,05m)Madera(0,025m) Fieltro(0,001m)Madera(0,025m)Aislapol(0,05m)Madera(0,025m) Adyacente a prototipo OSB(0,025m)Lana de vidrio(0,1m)Madera(0,025)Zincalum(0,35m) Madera(0,025m)Aislapol(0,06m)OSB(0,025m)

Ventanas pared prototipo Vidrio simple(1m2) Vidrio simple(1m2) Vidrio simple(1m2) Vidrio simple(1m2) -----------------

-----------------

Tabla 5-1: Materialidad y Dimensiones Zona interior

Orientación Este Oeste Sur

Dimension de paredes invernadero 5,2 m2 5,2 m2 9,88 m2

Norte Horizontal Piso

9,88 m2 7,60 m2 7,60m2

Material paredes invernadero Vidrio simple Vidrio simple Adyacente a prototipo Vidrio simple Vidrio simple Madera(0,025m)Aislapol(0,06m)OSB(0,025m)

Tabla 5-2: Materialidad y Dimensiones Zona Z2

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Pared Adyacente1(9,88m2) Madera(0,025m)-Aislapol(0,05m)Madera(0,025m)

Pared adyacente2(9,88m2) Estuco(0,03m)-Ladrillo(0,15m)-Estuco(0,03m)

Tabla 5-3: Definición de 2 tipos de paredes adyacentes

5.2 Resultados simulación energética 5.2.1 Comparación Temperatura interior de prototipo vivienda con y sin Invernadero (pared adyacente madera)

Figura 5-6: Grafico temperatura interior prototipo de vivienda pared adyacente de madera

Se ve claramente el efecto del invernadero adosado en la línea verde, donde la temperatura interior de la vivienda aumenta considerablemente, cuando la temperatura exterior es la más alta del día, con el invernadero adosado. Se aprecia además que la pared adyacente no acumula mucha energía térmica ya que aumenta y disminuye al mismo ritmo de la variación de la temperatura exterior.

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5.2.2 Comparación Temperatura interior de prototipo vivienda con y sin Invernadero (pared adyacente ladrillo)

Figura 5-7: Grafico temperatura interior prototipo de vivienda pared adyacente de ladrillo

Para este caso es todo lo contario, la pared de ladrillo acumula toda la energía del invernadero durante el día (transfiere muy poco durante el día), luego en la noche cuando las temperaturas exteriores descienden el efecto acumulador del invernadero y la pared de la ladrillo hacen que la energía térmica fluya hacia el interior de la vivienda actuando un amortiguador térmico. 5.3 Comparación flujos de calor a través de las paredes En este análisis se busca ver si el flujo de calor a través de la pared adyacente a la prótesis “invernadero adosado” aporta de manera considerable a la calefacción de la vivienda.

5.3.1 Resultados con pared de madera adyacente

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Figura 5-8: Gráfico comparación flujo de calor hacia el interior pared adyacente y pared este

Figura 5-9: Gráfico comparación flujo de calor hacia el interior pared adyacente y pared oeste

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Figura 5-10: Gráfico comparación flujo de calor hacia el interior pared adyacente y pared sur

Los gráficos mostrados anteriormente muestran que el flujo de calor instantáneo de la pared adyacente es mucho mayor que el flujo de calor del resto de las paredes externas (este, oeste, sur). Llegando a valores máximos de 120 W. 5.3.2 Valor promedio flujo de calor cada pared Pared adyacente

Promedio Qsup Pared adyacente [W]

Promedio Qsup Pared este [W]

Promedio Qsup Pared oeste [W]

Promedio Qsup Pared sur [W]

Promedio Qsup techo [W]

Promedio Qsup piso [W]

Madera

22,31

1,37

0,01

-2,39

11,39

32,18

Ladrillo

28,93

0,77

-0,58

-3,08

10,85

31,68

Tabla 5-4: Tabla valores promedio flujo de calor hacia el interior paredes

Los valores de la tabla muestran un promedio de flujo de calor mayor en la pared adyacente que en las paredes externas restantes, lo que es esperado por el efecto del invernadero. El piso es el que tiene un mayor valor promedio debido a que es donde hay menor cantidad de pérdidas. Además se muestra que es preferible usar un muro que aumente la masa térmica debido a que disminuye las perdidas en la noche lo que en el promedio se ve reflejado como un mayor flujo de calor

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5.4 Resultados temperatura interior de prótesis bioclimática Otra ventaja de la prótesis bioclimática “invernadero adosado” es que no solo sirve para acumular energía y cederla al interior de la vivienda para aumentar su confort térmico. Además de esto se le puede dar un uso a su espacio interior como espacio para plantas, secadora de ropa o habitable en algunos momentos del día. Para este proyecto solo se mostrarán los resultados de las temperaturas interiores del invernadero para más adelante analizar con mayor detalle los diferentes usos que se le podría dar a este espacio.

Figura 5-111: Gráfico comparación temperatura invernadero y temperatura exterior

Figura 5-112: Gráfico temperatura Interior invernadero pared adyacente de ladrillo

Se aprecia que la temperatura de la temperatura al interior de prótesis, en meses de invierno para el caso del invernadero con pared adyacente de madera, supera los 30 grados lo que lo hace útil para un tendedero de ropa en esas condiciones.

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CAPITULO 6 Conclusiones El problema del confort térmico en las viviendas sociales de madera de la región del Bío-Bío debe ser un tema muy importante a la hora de hablar de eficiencia energética, la rehabilitación de estas mismas significaría ahorros energéticos a nivel país y a nivel familia. Si se encuentran soluciones energéticas de bajo costo para las familias, su gasto en calefacción podría disminuir considerablemente. Además se podrían reducir las emisiones de gases contaminantes, sobre todo en la región del Bio-Bío, donde el combustible más utilizado es la leña y es un problema que requiere solucionarse urgentemente. A partir de la simulación térmica los resultados muestran que la prótesis “Invernadero adosado” genera un alto impacto en la temperatura interior de la vivienda, aumentando en algunos casos hasta 5°C durante las horas más frías del año. Esto generará ahorros en calefacción importantes. También luego de la simulación se puede ver que el flujo de calor máximo hacia el interior se encuentra en la pared adyacente al invernadero adosado, generando un aporte para la calefacción interior de la vivienda.

Además se aprecia que la temperatura al interior de la prótesis, en meses de invierno para el caso del invernadero con pared adyacente de madera, supera los 30°C cuando en el exterior la temperatura es de 15°C lo que podría funcionar como secador natural de ropas.

Perspectiva Este trabajo está enmarcado en el contexto del proyecto INNOVA BIO BIO “Prótesis bioclimáticas para la arquitectura en madera. Desarrollo de un sistema de componentes arquitectónicos adaptables para el acondicionamiento pasivo y la rehabilitación energética de viviendas existentes en diferentes contestos microclimáticos de la región del Bio-bío.” Por lo que queda abierto para un análisis más detallado de la implementación de la prótesis en diferentes ciudades del país, como optimizar el diseño, diferentes configuraciones de masa térmica, análisis detallado con infiltraciones, entre otras características que ayudaran a la rehabilitación de las viviendas actuales de madera existentes en el país.

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Bibliografía (2008). Norma chilena 1079 de 2008 - Arquitectura y construcción - Zonificación climático habitacional para Chile y recomendaciones para el diseño arquitectonico. (2014). Revista Energy Forum "Low cost, low tech: experimental bioclimatic prosthesis for social architecture in the south of Chile. New strategies for incremental refurbishment for social housing in different contexts from Bio Bio Region- Chile" (2015). Especificaciones tecnicas, Proyecto innova:"Prótesis energeticas para viviendas de madera". Minvu. (1999). Manual reglamentacion termica, Ordenanza general de urbanismo y construcciones. MINVU. (2009). Guia de diseño para la eficiencia energetica en la vivienda social. (1994). Norma chile 2251- Aislación térmica- Resistencia térmica de materiales y elementos de construccion.