Evaluacin experimental decambios constructivos paralograr confort trmico en unavivienda altoandina del PerAutor: Fredy Alonso Huaylla Roque2010DEDICO ESTE TRABAJO A MIFAMILIA Y EN ESPECIAL AMIS PADRES QUE PESE ATODO NO SE RINDENCONMIGOEste trabajo es el resultado de la colaboracin de muchaspersonas, sin las cuales no hubiese aprendido ni crecido tanto enestos casi 2 aos.- Agradezco a todos mis compaeros de trabajo: Gonzalo,Rafael, Abel, Juan, Raquel, Luis, Sonia, Vernica, a todos.- Agradezco sinceramente la amistad brindada por DavidMorilln y Helder Gonalves, de los cuales no slo aprendexperiencias sino tambin humildad.- Agradezco a la familia y a los amigos, por su sinceridad ypor su paciencia.- Finalmente, mi agradecimiento ms profundo a toda lacomunidadde SanFranciscode Raymina: a Nancy,Mariluz, Orlando, la pequea Hayde, a todos. De ellosaprend que la pobreza no implica infelicidad sino implicatrabajar ms, con la esperanza de que algn da las cosasrealmente cambien.ndice GeneralRESUMEN...11. INTRODUCCIN.11.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.31.2. OBJETIVOS.41.2.1. Objetivos generales.41.2.2. Objetivos especficos..41.3. PREGUNTAS FUNDAMENTALES..41.4. HIPTESIS..41.5. JUSTIFICACIN.51.6. ANTECEDENTES...51.6.1. Antecedentes en el Per.51.6.1.1. Casa solar ubicada en Juli en la provincia deChucuito - Puno.51.6.1.2. Casa solar ubicada en la provincia de EspinarCusco...71.6.1.3. Trabajo del Grupo de apoyo al sector rural de laPUCP en el distrito de Langui, provincia deCanas Cusco..81.6.1.4.- Casa solar en el distrito de Santo Toms,provincia de Chumbivilcas Cusco..91.6.2. Antecedentes en el extranjero.111.6.2.1. Trabajo realizado por Groupe Energies Renouvelables,Environnement et Solidarits (GERES) en elHimalaya India..111.6.2.2. Red Iberoamericana para el uso de energas renovablesy diseo bioclimtico en viviendas y edificios deinters social 2005-2008..131.6.2.2.1. Proyectos de bajo impacto y alta eficienciaenergtica..141.6.2.2.2. Edificios bioclimticos de construo sociale edificios sociais em Portugal..152. MARCO TERICO...182.1. TRANSFERENCIA DE CALOR EN VIVIENDAS.182.1.1. Transferencia de calor por conduccin..182.1.2. Transferencia de calor por conveccin202.1.3. Transferencia de calor por radiacin242.1.4. Balance de energa para el aire dentro de una habitacin.242. 2. ARQUITECTURA BIOCLIMTICA: NOCIONES YCONCEPTOS..............262.2.1. Estrategias de diseo.272.2.1.1. Ganancias.272.2.1.2. Prdidas272.2.1.3. Demanda de energa272.2.1.4. Estado de la tecnologa282.2.2. Factores medioambientales y climticos.282.2.3. Aspectos arquitectnicos de diseo292.2.3.1. Ubicacin y orientacin.292.2.3.2. Distribucin.302.2.3.3. Geometra312.2.3.4. Materiales y almacenamiento de energa..332.2.3.5. Normativas..332.2.4. Elementos constructivos..342.2.4.1. Techos y suelos..342.2.4.2. Perforaciones y aberturas...342.2.4.3. Paredes y aislamientos372.2.4.4. Elementos de proteccin y control solar382.2.4.5. Influencia del entorno392.2.4.5.1. Influencia de la vegetacin..392.2.4.5.2- Influencia del agua412.2.4.6. Tcnicas de iluminacin.422.2.4.7. Sistemas convencionales de refrigeracin, calefaccin yventilacin..432.2.5. Calefaccin y refrigeracin solar pasiva.442.2.5.1. Calefaccin solar pasiva442.2.5.2. Sistemas de refrigeracin solar pasiva492.3. TCNICAS COMPUTACIONALES..542.3.1. Programa de simulacin EnergyPlus......................................542.3.1.1. Balance de energa de una zona trmica552.3.1.2. Balance de energa en superficies exteriores582.3.1.3. Balance de energa en superficies interiores.592.3.1.4. Conduccin a travs de paredes602.3.1.4.1. Funciones de transferencia por conduccin..603. MARCO METODOLGICO623.1. INICIO DE ACTIVIDADES Y SELECCIN DE COMUNIDAD..623.2. DIAGNSTICO TRMICO..623.3. VALIDACIN DE MODELOS DE SIMULACIN633.4. MODELACIN Y SELECCIN DE MODIFICACIONESCONSTRUCTIVAS..633.5. MEDICIONES TRMICAS POSTERIORES A LAMODIFICACIN...634. RESULTADOS...644.1. INICIO DE ACTIVIDADES Y SELECCIN DE COMUNIDAD..644.1.1. Observaciones y discusiones..664.2. DIAGNSTICO TRMICO.674.2.1. Condiciones iniciales de la vivienda..674.2.2. Mediciones experimentales.704.2.2.1. Condiciones climticas exteriores.714.2.2.1.1. Observaciones y discusiones734.2.2.2. Condiciones trmicas interiores744.2.2.2.1. Observaciones y discusiones..794.2.2.3. Flujos convectivos..804.2.2.3.1. Observaciones y discusiones..844.3. VALIDACIN DE MODELOS DE SIMULACIN864.3.1. Observaciones y discusiones..884.4. MODELACIN Y SELECCIN DE MODIFICACIONESCONSTRUCTIVAS.894.4.1. Opciones de modificacin constructiva.894.4.2. Perfil de la modelacin y diversos casos....934.4.2.1. Observaciones y discusiones.954.4.3. Modelo final.964.4.3.1.- Observaciones y discusiones.1004.5. MEDICIONES TRMICAS POSTERIORES A LAMODIFICACIN.1014.5.1. Observaciones y discusiones1165. CONCLUSIONES...1186. BIBLIOGRAFA.119ANEXOS..122A 1. MARCO TERICO..122A1.1. Confort trmico.122A1.1.1. Generacin de calor del cuerpo humano y nivel metablico(MET)123A1.1.2. Autorregulacin del cuerpo humano126A1.1.3. Condiciones para lograr confort trmico127A1.1.4. Estimacin del nivel de ropa (CLO)128A1.1.5. Balance trmico entre la persona y el medio...131A1.1.6. Temperatura radiante media.133A1.1.7. ndices de confort y cartas bioclimticas.134A1.1.7.1. Auliciems136A1.1.7.2. Carta bioclimtica de Olgyay136A1.1.7.3. Carta bioclimtica de Givoni138A1.1.7.4. Mtodo de Fanger, la escala PMV Y PPD140A 1.2. Tcnicas computacionales144A 1.2.1. EnergyPlus ..144A 1.2.2. Interfase grfica: Google SketchUp y Open Studio..146A 1.2.3. Panorama general de modelamiento en EnergyPlus.147A 1.2.4. Manejo integrado de la solucin...148A 1.2.5. Detalle de la modelacin de transferencia de calor porconduccin..149A 1.2.5.1. Clculo de las funciones de transferencia porconduccin149A 1.2.5.2. Clculos FTC en EnergyPlus.152A 2. PLANOS DE LA VIVIENDAA 2.1. Planos de la vivienda en su estado inicial (Junio 2008)156A 2.2. Planos de la vivienda despus de la modificacin (Septiembre2009).....157A 3.- COSTOS DE LAS MODIFICACIONES CONSTRUCTIVAS158ndice de TablasTabla 1.1: Casos de neumona y defunciones en menores de 5 aos y adultosmayores de 60 aos, desde la semana 01 hasta la semana 40 para losaos 2006 a 2009. Fuente: MINSA 20092Tabla 1.2:Caracterizacin trmica:paredes,coberturas y ventanas para losedificios analizados en Lisboa Portugal. Se observa la variacin en eldiseo conforme pasaron las dcadas. (Gonalves, 2005)..17Tabla 2.1: Las ocho regiones naturales o pisos ecolgicosdel Per. (Brack, 2000).29Tabla 2.2 Relacin entre la anchura del parasol, L, y la altura de la abertura H.39Tabla 2.3 Velocidades orientativas del aire recomendadas segn la temperatura.(Ibaez, 2005)49Tabla 4.1: Condiciones climticas exteriores promedio mensuales en el 2008,registradas en la comunidad de San Francisco de Raymina73Tabla 4.2: Condiciones termo-higromtricas interiores promedio mensuales en el2008, registradas en la vivienda seleccionada de la comunidad de SanFrancisco de Raymina..78Tabla 4.3: Energa total diaria promedio por conveccin natural que recibe el airede la Sala, asociado a cada elemento constructivo que define el espacio.Valores para el mes de Julio.84Tabla 4.4: Comparacin entre el aislamiento trmico de cada elemento de lavivienda original con el aislamiento trmico propuesto en laconfiguracin de modificacin final.99Tabla 4.5: Valores promedio mensuales. Comparacin entre las temperaturas deaire registradas en los ambientes de la vivienda en el 2008 (antes de lamodificacin) y el 2009 (posterior a la modificacin)..114Tabla 4.6: Valores promedio mensuales. Comparacin entre las temperaturas deaire registradas en los ambientes de la vivienda en el 2008 (antes de lamodificacin) y el 2009 (posterior a la modificacin).115Tabla A1. Calor cedido al ambiente (W) segn la actividad desarrollada por elindividuo. (Barros, 2001)124Tabla A2. Niveles metablicos para distintas actividades. (Kvisgaard, 1997)125Tabla A3. Aislamiento trmico de prendas de vestir. (Kvisgaard, 1997)..129Tabla A4. Aislamiento trmico de prendas de vestir. (Kvisgaard, 1997).130Tabla A5.Gastos asociados a la modificacin constructiva de la viviendaseleccionada..1581RESUMENEn las zonas altoandinas del Per, cada ao se estima que al menos 500 personas (entre nios yancianos) fallecen a consecuencia de la neumona en temporadas de fro intenso (mayo aoctubre). Una de las razones de esto es que dentro de sus viviendas (tpicamente de adobe) latemperatura del aire puede bajar hasta mnimos de 2C. El objetivo del presente trabajo, queform parte de un proyecto de investigacin, fue obtener una propuesta tcnica que logre que lastemperaturas al interior de la vivienda sean ms confortables. Se seleccion una vivienda ruraltpica en la comunidad de San Francisco de Raymina, Ayacucho (3 700 m.s.n.m.). Se realiz undiagnstico trmico de la vivienda; para ello, desde junio del 2 008 hasta abril del 2 009, seregistraron las condiciones meteorolgicas de la zona (temperatura, humedad relativa H.R.,velocidad y direccin del viento y radiacin solar); as tambin se registraron las temperaturas yH.R.delaire en los ambientes interiores de la vivienda y se registraron temperaturassuperficiales en: paredes, techos, ventanas y suelos. Posteriormente, utilizando el software desimulacin trmica para edificios EnergyPlus 3,0, se propusieron modificaciones constructivasque permitan el aprovechamiento de la energa solar para elevar la temperatura de los ambientes.Desde mayo hasta agosto del 2009 se realizaron las modificaciones constructivas y se volvierona registrar las condiciones trmicas en la vivienda. Como resultado final se observ unincremento de al menos 6C respecto a los mnimos de temperatura de aire registrados en losmismos meses en el 2 008.Palabras clave: Confort trmico, arquitectura bioclimtica, energa solar, infiltracin de aire,software de simulacin trmica.1. INTRODUCCINEn el Per, un total de 6 millones 511 mil habitantes (segn INDECI, 2 008), son sometidos acondiciones climticas fras extremas en la zona sur, centro y oriente del pas; especficamenteen losdepartamentosde Arequipa,Ayacucho,Cajamarca,Ancash y Apurimac,Cusco,Huancavelica, Hunuco, Junn, La Libertad, Moquegua, Pasco, Puno y Tacna (todos sobre los3 000 m.s.n.m.). As pues, desde enero a junio del ao 2 009 fallecieron cerca de 300 personas,entre nios y ancianos, a consecuencia de infecciones respiratorias agudas (neumona).Las causas asociadas a estas terribles estadsticas son bsicamente tres. La primera, una malaalimentacin de las personas (principalmente nios), las cuales debido a su carencia econmica ydesconocimiento usualmente consumen alimentos poco nutritivos (fideos, etc.) por ser msbaratos. La segunda, debido al tipo de ropa usada; siendo para las personas ms barato y msmoderno usar ropa sinttica, la cual es inadecuada para las condiciones de fro extremo en queviven. La tercera es que, con el correr de los aos las tcnicas constructivas de las viviendas handevenido a menos, siendo estas menos aisladas trmicamente debido al uso de elementos comotechos y puertas de calamina metlica; as como tambin una mala orientacin y diseo de lasviviendas.2Tabla 1.1. Casos de neumona y defunciones en menores de 5 aos y adultos mayores de 60aos, desde la semana 01 hasta la semana 40 para los aos 2006 a 2009. Fuente: MINSA 2 009.Pese a ser un problema recurrente, el tema de confort trmico en el contexto bioclimtico actual(rural principalmente) no ha sido una preocupacin que haya marcado una ruta de accin en elPer en los 10 20 ltimos aos.Tal vez sea porque tanto la ciudad capital Lima, como otras ciudades costeras que le siguen enimportancia no sufren de climas muy extremos. No obstante, el Per tiene otras ciudades quecon el correr de los aos han cobrado mayor importancia y en su poblacin se han hecho msvisibles los efectos de los cambios econmicos, culturales y cambios en el clima mundial, estoltimo ha acentuado realidades climticas de fro extremo que han llamado la atencin y hanmerecido enfoques tcnicos de importancia (Barrionuevo y Espinoza, 2 005).As tambin, en el Per no se ha tocado con profundidad el tema de eficiencia energtica enedificaciones, as como tampoco el tema de bioclimatizacin de viviendas en zonas ruralesandinas. As pues, bajo el marco de desarrollo de la Red Iberoamericana para el uso de lasEnergas Renovables y diseo bioclimtico en viviendas y edificios de inters social delCYTED, coordinada por el Dr. Helder Goncalvez del INETI de Portugal, vigente entre 2 005 y2 008, se comprob que en el Per no se ha tratado sistemticamente la problemtica del climaextremadamente adverso en altitudes mayores a 3000 m.s.n.m. (Barrionuevo y Espinoza,2 005).As pues, se hace notoria la gran carencia de estudios adecuados y de informacin real de lascondiciones climticas en las que las poblaciones rurales andinas viven; esto implica, incluso,informacin acerca de las condiciones de confort trmico asociadas al poblador andino, el cual3est sujeto a condiciones de clima fro durante casi toda su vida. Algunas de las consecuenciasque genera viviren ambientes extremadamente fros son:mortandad porenfermedadesrespiratorias, restriccin de actividades nocturnas, depresin, etc.El Centro de Energas Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniera (CER-UNI)desarroll desde marzo del 2 008 hasta noviembre del 2 009 el proyecto Propuesta tcnica deconforttrmico para viviendas ubicadas en comunidades entre los 3 000 y 5 000 m.s.n.m., endos comunidades rurales altoandinas, una en el departamento de Ayacucho (a 3 700 m.s.n.m.) yla otra en el departamento de Puno (a 4 500 m.s.n.m.). Este proyecto busc llenar los vacosexistentes en el rea de bioclimatizacin de viviendas rurales as como presentar soluciones ylineamientos tcnicos para aplicarse a viviendas en el mbito altoandino, con la finalidad deobtener temperaturas confortables en el interior de ellas. Este trabajo de tesis est basado endicho proyecto de investigacin.1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMADe lo mencionado anteriormente, es claro que las consecuencias de las condiciones climticas defro intenso sobre el poblador altoandino son muy perjudiciales y en el peor de los casos puedenllegar a ser mortales. Tambin es evidente que la razn de la vulnerabilidad a dichas condicionesclimticas abarca bsicamente 3 puntos:la alimentacin,la vestimenta y las deficientescondiciones de las viviendas.El presente trabajo enfrenta uno de dichos puntos, el cual viene a ser las deficientes condicionesde las viviendas; sin embargo la definicin del problema asociado a este punto requiere elplanteamiento de las siguientes preguntas:- Por qu las viviendas tpicas de las zonas altoandinas no logran tener ambientesinteriores clidos?- Si las viviendas rurales altoandinas que se construyen actualmente generan ambientesinteriores fros. Por qu se siguen construyendo viviendas de ese tipo?- Existe alguna normativa o informacin que oriente a la construccin de viviendasrurales ms clidas y cuyo costo (de la vivienda) sea viable?- Se podrn construir viviendas adecuadas para las condiciones de clima fro del ande?Se podrn rehabilitar viviendas rurales altoandinas tpicas ya existentes y hacer que losambientes interiores sean ms clidos?Todas estas preguntas llevaron a la definicin del problema de la siguiente forma:Actualmente, en el Per y principalmente en las zonas altoandinas rurales, las tcnicasconstructivas y bioclimticas utilizadas en la construccin de las viviendas son inadecuadase ineficientes; generndose, a consecuencia, ambientes interiores fros y no aptos para laactividad humana.41.2. OBJETIVOS1.2.1. Objetivos generales- Establecer una propuesta tcnica para la modificacin constructiva de viviendas encomunidades altoandinas ubicadas sobre los 3 000 m.s.n.m, a fin de lograr condiciones deconfort trmico en sus interiores.- Poner de manifiesto la importancia de la arquitectura bioclimtica en el campo de laconstruccin de edificaciones y principalmente en el campo de la construccin rural.1.2.2. Objetivos especficos- Analizar las condiciones climatolgicas de una comunidad rural altoandina seleccionada(sobre los 3 000 m.s.n.m.).- Analizar las condiciones trmicas de una vivienda rural de la comunidad altoandinaseleccionada.- Realizar un diagnstico trmico cualitativo y cuantitativo de la vivienda ruralseleccionada.- Elaborar un diseo de modificacin constructiva de la vivienda seleccionada con el fin dehacerla trmicamente confortable, usando materiales de la zona y energas renovables,principalmente la energa solar.- Implementar constructivamente el diseo de rehabilitacin.- Analizar y comparar los efectos trmicos de la rehabilitacin constructiva de la viviendarespecto a las condiciones trmicas de la vivienda original.1.3. PREGUNTAS FUNDAMENTALESLas preguntas fundamentales que enmarcan el presente tema de investigacin son:Por qu las viviendas ubicadas en zonas altoandinas son tan vulnerables a las condicionesde fro intenso?Es posible incrementar las temperaturas de los ambientes interiores de una vivienda ruralaltoandina tpica, a partir de rehabilitaciones constructivas que impliquen el uso demateriales de la zona y el uso de las energas renovables, principalmente la energa solar?1.4. HIPTESISLas hiptesis planteadas son las siguientes:- En las viviendas rurales altoandinas tpicas la falta de aislamiento trmico en partescomo: pisos, techos, muros y ventanas; junto a problemas de infiltracin de aire y5costumbres de ventilacin no controlada, generan que los ambientes interiores en lavivienda sean fros.- La modificacin constructiva de una vivienda a travs de: aislamiento trmico de pisos,techos, muros y ventanas, del sellado de grietas por donde se filtra el aire, de costumbresde ventilacin adecuados y de instalacin de elementos tales como: invernaderos, murosTrombe, fogones mejorados y claraboyas traslcidas; permiten incrementar latemperatura de los ambientes de la vivienda a niveles trmicamente confortables.1.5. JUSTIFICACINLas condiciones climticas tan fras de las zonas altoandinas generan que las viviendas tenganambientes fros; esto trae cada ao consecuencias mortales a causa de infecciones respiratoriasagudas principalmente en nios y ancianos. Adicionndose a esto el poco estudio de solucionesbioclimticas para este problema (sobre todo en estas zonas altoandinas peruanas), hacen que elpresente trabajo tenga las siguientes justificaciones:- De relevancia social; ya que es un problema que afecta a miles de peruanos cada ao.- De relevancia acadmica; ya que no hay estudios preliminares en el Per que hayanabordado este problema de la forma y con el marco metodolgico con que se le abord enesta investigacin.- De relevancia tecnolgica;ya que permitir aportes tcnicos a la industria de laconstruccin.1.6. ANTECEDENTES1.6.1. Antecedentes en el Per1.6.1.1. Casa solar ubicada en Juli en la provincia de Chucuito - PunoEsta casa solar, ubicada en Juli, capital de la provincia de Chucuito perteneciente a la reginPuno, fue concluida en mayo del 2 005. Esta vivienda fue iniciativa de la ONG suiza MissioneBetlemme Immensee. El rea de la vivienda es aproximadamente 88 m (13.6m x 6.5maproximadamente) y los espacios identificados son: un dormitorio, una sala-comedor, una salitade trabajo (estos ambientes estn uno a continuacin de otro a lo largo de un rea rectangular),un bao, un invernadero (adosado a un ambiente) y un invernadero pequeo (el cual se atraviesapara ingresar a la vivienda por la puerta principal). Dentro de las caractersticas de esta viviendase pueden identificar: paredes aisladas trmicamente (adobe espacio de aire adobe), techo decalamina metlica (fierro galvanizado) a una sola agua orientado hacia el norte, cielo raso o falsotecho de triplay (que juega el rol de aislar trmicamente el techo), pisos aislados trmicamente(piedra espacio de aire y una configuracin de estera,barro,tijerales y tablasmachihembradas), claraboyas traslcidas en el techo y el cielo raso (para permitir el ingreso deradiacin solar directa); estas ltimas se cierran de noche mediante un sistema de cubierta con6canales deslizantes. Los invernaderos adosados a ambientes de la vivienda funcionan comofuente de calor y prevencin del ingreso de corrientes fras de aire, adicionndose ductos deintercambio de aire entre invernadero y ambientes de la vivienda. Adems, se instal una termasolar del tipo bolsa, para obtener agua caliente.Figura 1.1. Arriba: vista panormica de la vivienda. Centro: a la izquierda se observa la cadadel techo y el invernadero en la entrada, a la derecha las claraboyas. Abajo: a la izquierda elinvernadero adosado a la vivienda, a la derecha detalle del aislamiento de las paredes.71.6.1.2. Casa solar ubicada en la provincia de EspinarCuscoEsta vivienda solar activa adecuada para el medio rural de la sierra peruana tambin fueconstruida por la misin Betlemme Immensee (ONG suiza) y Taller Inti en el 2 006, en laprovincia de Espinar, regin Cusco. Es una vivienda de un rea de 8.40 m x 6.05m, la cual sedistribuye en 4 espacios.Algunas de las caractersticas de la vivienda es que posee pisos aislados trmicamente (usandouna cama de piedras y tablas de madera machihembrada), el techo es de calamina metlica a unasola agua orientado hacia el norte, adems tiene un falso techo para procurar el aislamientotrmico. Adicionalmente se habilitaron claraboyas traslcidas en el techo para permitir el ingresodirecto de la radiacin solar. En la parte central de la vivienda se tiene un fogn mejorado queadems de ser ms eficiente, es una fuente directa para el calentamiento del aire. Tambin poseeuna terma solar del tipo bolsa y un sistema fotovoltaico.A diferencia de otros casos, en este estudio se muestran temperaturas medidas del aire al interiorde la vivienda (mostrndose un incremento considerable, mnimos de 14C), tambin muestranlos efectos cuando el fogn aporta energa y cuando no lo hace. No obstante, no se especifica aqu ambiente corresponden lastemperaturasmostradasquedando la duda de sidichastemperaturas son parecidas en los ambientes alejados al fogn.Figura 1.2. A la izquierda, fachada de la casa solar de Espinar; a la derecha, se muestra eldetalle de las claraboyas instaladas en el falso techo y sus respectivas cubiertas.8Figura 1.3. A la izquierda: cocina mejorada; a la derecha: detalle del aislamiento del suelo yvista panormica del interior de la vivienda.1.6.1.3. Trabajo del Grupo de apoyo al sector rural de la PUCP en el distrito deLangui, provincia de Canas CuscoEn el ao 2 008 el Grupo de apoyo al sector rural de la Universidad Catlica del Per realiz enla comunidad de Langui, ubicada en el distrito del mismo nombre, y en otras comunidadescercanas, una serie de modificaciones constructivas a las viviendas de las comunidades; esto conla finalidad de lograr ambientes ms clidos en el interior de las casas. Dichas modificacionesconsistieron principalmente en tres acciones: aislamiento del techo (colocndose un cielo raso detela), sellado de marcos de puertas y ventanas y renovacin de estos, instalacin de murosTrombe en las paredes orientadas al norte. Adicionalmente se instal cocinas mejoradas paraevitar problemas de salud generados por los humos emitidos por las cocinas tpicas (de trespiedras).9Figura 1.4. Arriba: muros Trombe instalados en las viviendas. Abajo: a la izquierda se observael sellado del marco y la renovacin de la puerta, a la derecha el cielo raso y el fogn mejorado,(Grupo PUCP, 2 009).1.6.1.4. Casa solar en el distrito de Santo Toms, provincia de Chumbivilcas CuscoRecientemente, en este ao 2 009, se construy una casa solar en el distrito de Santo Tomsubicado en la provincia de Chumbivilcas, regin Cusco. Dentro del marco del proyecto deEnerga Solar Programa de Empleo y Juventud de la prelatura de Sicuani. Los ambientes queconforman la vivienda son: dos habitaciones, una sala-comedor, una cocina y un bao. Algunade las caractersticas de esta vivienda son: dobles muros aislantes trmicos (adobe espacio de10aire de 5 cm adobe), techo de calamina metlica a una sola agua, cielo raso de estera, barro ypaja (que funciona como aislamiento trmico), tambin se habilitaron claraboyas traslcidas enel techo y en el cielo raso para permitir el ingreso directo de la radiacin solar; posee uninvernadero adosado a un muro de la vivienda y un fogn mejorado ubicado en el centro de lacasa, el cual se convierte en una fuente de calor directa. Adicionalmente se instal una termasolar del tipo bolsa y un sistema fotovoltaico.Figura 1.5. Arriba: a la izquierda la casa solar, a la derecha detalle de la claraboya en el techoy en el cielo raso. Abajo: a la izquierda el invernadero adosado a la vivienda, a la derechadetalle del doble muro aislante trmico.111.6.2. Antecedentes en el extranjeroA nivel mundial la arquitectura bioclimtica se ha desarrollado mucho, siendo mayor su avanceen el continente Europeo. Estos avances siempre han estado orientados a lograr eficienciaenergtica y condiciones de confort en viviendas y edificios (usualmente en zonas urbanas);siendo esto ms notorio en los ltimos 10 aos, en un contexto climtico en el cual la reduccinde emisin de gases de invernadero es cada vez ms importante.Por otro lado, en el presente trabajo se aborda el problema generado por condiciones climticasmuy fras dentro de viviendas rurales altoandinas ubicadas sobre los 3 000 m.s.n.m., siendo elproblema bsicamente de subsistencia; es por ello que localizar estudios internacionales enambientes similares al altoandino es, probablemente, restringirse a zonas particulares en elmundo.A continuacin se mencionan algunos casos de inters desarrollados a nivel internacional que, encierta forma, guardan alguna similitud con el caso altoandino abordado en este estudio.1.6.2.1. Trabajo realizado por Groupe Energies Renouvelables, Environnement etSolidarits (GERES) en el Himalaya IndiaGERES es una ONG francesa creada en 1 976 dedicada a proyectos de desarrollo innovadores ysustentables; los pases en los que acta son: Francia y 8 pases en frica y Asia. Se menciona elcaso de GERES debido a que uno de los lugares en los que acta es el este de la India, en villasremotas de los estados de Jammu-Kashmin y Himachal Pradesh, en la cordillera del Himalaya.Siendo el Himalaya la cordillera ms alta del mundo (con nueve de las catorce cimas de ms de8 000 metros de altura), las condiciones climticas fras y la altura son muy similares a las delande peruano; es por ello que trabajos en arquitectura bioclimtica en estas regiones son departicular inters para nuestro caso. A continuacin se menciona un texto introductorio publicadoen la pgina Web de GERES respecto al proyecto que ellos realizan en estas comunidades delHimalaya.En los altos valles del Himalaya, las personas viven aisladas en condiciones de desierto agran altitud. Ellos experimentan condiciones de vida extrema incluyendo temperaturas glacialesen invierno (usualmente debajo de -25 C) y prolongados aislamientos (los caminos se hallancerrados 6 meses al ao). Existe poca vegetacin y la biomasa es escaza.La carencia de lea y los altos precios de los combustibles importados han sumergido a laregin dentro de un estado de vulnerabilidad energtica. Mujeres y nios dedicanaproximadamente 2 meses cada verano recolectando residuos de biomasa y estircol paracocinar y calentar. Las temperaturas dentro de los hogares, que estn muy por debajo de losestndares en invierno, provocan condiciones insalubres de vida y limitan el desarrollo de12actividades econmicas. El ingreso diario del grupo seleccionado para el proyecto es desolamente 0,7 euros por persona.Por otro lado, la regin posee un excelente brillo de sol (sobre los 300 das anuales) que vale lapena desarrollar. Muchos proyectos pilotos han sido ejecutados por GERES desde el 2 000.Todos ellos han mostrado que se puede lograr un ahorro del 60% en el consumo de energaequipando viviendas con bsicas y confiables tecnologas solares pasivas combinadas conaislamiento trmico. El calor atrapado es gradualmente liberado, mejorando el confort eincrementando el periodo de trabajo.En cooperacin con asociaciones locales, GERES extender su proyecto de construccin deviviendas solares pasivas por otros 4 aos. (GERES, 2 009).En la pgina web de GERES se mencionan algunas de las consideraciones bioclimticas tomadasen cuenta en su proyecto, entre ellas se tiene:- Orientacin de las viviendas, considerando diseos asimtricos en los cuales las paredessur sean las ms largas y procurando ventanas grandes en estas paredes; por el contrario,la menor cantidad de aberturas en las paredes orientadas al norte.- Aislamiento trmico de la vivienda, usando materiales locales como: paja, maleza,estircol, turba, aserrn o virutas de madera, siendo el techo de madera local.- Fuentes de calor a travs de muros Trombe o invernaderos adosados a ambientes, estoselementos usualmente colocados en las paredes orientadas al sur.Figura 1.6. A la izquierda: vista panormica de las cordilleras del Himalaya, se observa ladistribucin de las viviendas en estas zonas. A la derecha: un nio realizando recoleccin delea, la cual se usa para cocinar y calentar las viviendas, (GERES, 2 009).13Figura 1.7. Arriba: a la izquierda se observa una vivienda propuesta por GERES, la pared surposee grandes ventanas y muros Trombe; a la derecha se observa un invernadero adosado a losambientes de la vivienda. Abajo: un invernadero el cual provee de alimentos durante el invierno,(GERES, 2009).Este proyecto de GERES inici en 2 008 y tiene una duracin de 4 aos. Uno de sus objetivos esla construccin de 1 000 edificios domsticos y comunales. Esta ONG tambin ha tenidoactividad en el Tibet, China; modificando escuelas y considerando tcnicas bioclimticas.Cabe mencionar que GERES organiz el seminario Energy and Climate Change in ColdRegions en abril del 2 009, el cual estuvo orientado a las regiones de Asia occidental.1.6.2.2.Red Iberoamericana para eluso de energasrenovablesy diseobioclimtico en viviendas y edificios de inters social 2 005-2 008Esta red temtica fue patrocinada por el Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnologa parael Desarrollo (CYTED) desde el 2 005 (inicio) hasta el 2 008 (finalizacin); esta red fuecoordinada por el Dr. Helder Gonalves, miembro del Instituto Nacional De Engenharia,Tecnologa E Inovaao (INETI) de Portugal, y tuvo como objetivo general promover el uso delas energas renovables y de las tcnicas de diseo bioclimtico en viviendas y edificios deinters social con el fin de asegurar mejores condiciones de vida de sus usuarios. Dentro de los14pases que participaron en esta red se tiene: Argentina, Brasil, Chile, Ecuador, El Salvador,Espaa, Mxico, Paraguay, Per y Portugal.A continuacin se mencionan dos casos uno de Argentina y uno de Portugal que fueron motivode estudio de esta red en el seminario Los Edificios Bioclimticos en los Pases de IberoAmrica, realizado en Argentina en el 2 005.1.6.2.2.1. Proyectos de bajo impacto y alta eficiencia energticaEn este estudio se menciona un caso de diseo y construccin de una vivienda solar familiar parauna pareja de esposos con cuatro hijos. Esta vivienda, de la familia Fuentes-Lpez, se ubica a 18km al norte de la ciudad de Bariloche en la provincia de Ro Negro, Argentina; la zona est a unalatitud de 41S, a 950 m.s.n.m. y se encuentra en la zona bioambiental VI, caracterizada comomuy fra segn normativa argentina. Algunas de las caractersticas climticas de Bariloche sonlas siguientes: temperatura mnima de diseo de -5,8C en invierno, con una mnima absoluta de-21C. Nieve frecuente en el terreno y las horas anuales de sol corresponden a 40% del total, losdas son nublados y lluviosos distribuidos durante todo el ao. La radiacin solar en verano esintensa, combinada con temperaturas estivales mximas de 24C.El comitente estableci como objetivo un proyecto energticamente eficiente con energa solarpara calefaccin, agua caliente y electricidad, y de bajo impacto ambiental. Para resolver estosrequisitos se incorpor gran inercia trmica en paredes que permitiese almacenar el calor de lossistemas solares pasivos y activos en invierno y atenuar las temperaturas interiores en verano.Se logr adems excelente nivel de aislacin trmica en techos, paredes y ventanas, superandoel nivel A de la Norma IRAM 11.605. Se incorporaron tres sistemas solares pasivos diferentes:ganancia directa, muro acumulador e invernadero, as como un sistema activo para almacenarel calor del invernadero en un lecho de piedras y dos sistemas activos utilizando panelesfotovoltaicos para la generacin auxiliar de electricidad y colectores solares planos paracalentamiento de agua. (De Schiller, et al., 2 005).La vivienda es de dos plantas; la planta baja consta de un espacio central para estar-comedor-sala, estudio, oficina y 3 dormitorios, la planta alta consta de dormitorios y estudios. Losmateriales de construccin seleccionados fueron de bajo impacto, siendo los materiales localespreferentes la madera y la piedra. En la fachada norte se incorporaron tres tipos de sistemassolares pasivos: un invernadero de gran volumen y superficie nominal de 48m adosado a losambientes orientados al norte, incorporndose adems un sistema de conveccin forzada al lechode piedras debajo de las reas del estar; claraboyas transparentes en el techo, para tener unaganancia directa de radiacin en invierno, siendo beneficiados ambientes de la planta baja y altae instalndose una superficie nominal de 7,5 m; muros acumuladores compuestos de dos panelesde mampostera densa con vidrio fijo exterior sobre la fachada N, con un alero que proporcionasombra en verano y una superficie nominal expuesta de 16m.15Figura 1.8. Arriba izquierda: bosquejo de la vivienda solar, se observa los ambientes orientadosal norte, invernadero y muros acumuladores. Arriba derecha: fachada norte de la casa en obra,antes de construir el invernadero. Abajo izquierda, ambientes de la planta baja, 1 hall, 2 cocina,3 dormitorios, 4 invernadero, 5 garage. Abajo derecha: en sentido de izquierda a derecha, sur anorte, (De Schiller, 2005).1.6.2.2.2. Edificios bioclimticos de construo social e edificios sociais emPortugalSi bien en Portugal (y en general en Europa) las condiciones de vida son mucho mejores que enSudamrica y las condiciones climticas no son tan parecidas a las de las zonas altoandinas;considero importante mencionar el caso de las edificaciones sociales en Lisboa debido a que, enel largo plazo, los problemas que afrontan estas edificaciones europeas las afrontarn (y enmuchos casos ya afrontan) las edificaciones peruanas. A continuacin se muestra un texto delestudio.16La ciudad de Lisboa es un ejemplo vivo de las asimetras existentes en Portugal, entre ellitoral y el interior y el medio urbano y el medio rural. La inexistencia de condiciones de trabajoen el interior del pas, desde la dcada de los sesenta ha dado origen a un flujo de migracionesinternas en direccin a las ciudades de litoral, en busca de mejores condiciones de vida.Los barrios sociales procuran por un lado garantizar condiciones de habitabilidad y por otrolado promover la integracin de estas poblaciones. No obstante, la fisonoma de los barriossociales comienza desde luego por obedecer a algunas particularidades, que se manifiestan anivel de la localizacin, de las condiciones de salubridad, de la infraestructura involucrada y dela calidad de la arquitectura y materiales de construccin, aspectos que determinan a la partidaun estigma discriminatorio a estos barrios y a las personas que en ellas habitan.(Gonalves,2 005).Portugal es uno de los pases europeos ms clidos. La primavera y el verano son soleados y lastemperaturas ms altas durante julio y agosto son de entre 28C a 35C, a veces llegando a los40C en el interior del sur. El otoo e invierno son tpicamente lluviosos y ventosos, aunque dassoleados no son extraos. No son comunes las temperaturas menores a los 2C en la zonacostera, generalmente estando en un promedio de 8C a 11C.Como se menciona en eltexto,la fuerte migracin a las ciudades costeras implic laconstruccin de edificios sociales (en los cuales cada departamento usualmente fue de 3 4habitaciones), observndose que en cada dcada se presentaba un cambio en el diseo de losnuevos edificios sociales; sin embargo, no se daba mucha importancia al aislamiento trmico o alas consideraciones bioclimticas.Debido a las condiciones climticas calurosas y fras y a las caractersticas trmicas de losmateriales, el gasto energtico en la aclimatacin de este tipo de edificios ha sido y esconsiderable. Recin desde la dcada de los 90s empieza a verse algunas consideracionesbioclimticas en la concepcin de los edificios sociales, todo esto logrado a travs de la entradaen vigor del Reglamento de las Caractersticas de Comportamiento Trmico de los Edificios.En la actualidad existe un reglamento que exige que las nuevas edificaciones sean bioclimticas,esto con la finalidad de lograr edificios eficientes y, a largo plazo, lograr edificios de consumocero; es decir, que los mismos edificios generen la misma energa que consumen. Para todo estose ha implementado un sistema de certificacin de edificios, siendo estos calificados desdeniveles que van desde el A hasta el G.17Tabla 1.2. Caracterizacin trmica: paredes, coberturas y ventanas para los edificios analizadosen Lisboa Portugal. Se observa la variacin en el diseo conforme pasaron las dcadas. DondeU es transmisividad trmica equivalente, (Gonalves, 2 005).Dcada ParedesU(W/m.C)CoberturaU(W/m.C)Vanos envidriadosU(W/m.C)60Ladrillo22cm1,6 Inclinada 2,9Vidrio simple de 4mm 5,8Marco de vidrio con persianasexteriores de madera3,770Ladrillo22cm1,6 Horizontal 3,9Vidrio simple de 4mm 5,8Marco de vidrio con cortinasinteriores de madera4,280Dobleladrillo 11y 7 cm1,5 Inclinada 3,3Vidrio simple de 3mm 5,8Marco de vidrio con persianasexteriores de madera3,7Marco de vidrio con cortinasinteriores de madera4,290Dobleladrillo 11y 7 cm1,5Inclinada 5 cmaislamientotrmico0,7Vidrio simple de 4mm 5,8Marco de vidrio con persianasexteriores de madera4,2Marco de vidrio con cortinasinteriores de madera4,82000Dobleladrillo 11y 15 cm1,2Inclinada 6 cmaislamientotrmico0,6Vidrio simple de 6mm 5,7Marco de vidrio con persianasexteriores de madera4,218Figura 1.9. Edificio solar demostrativo construido por el INETI. A la izquierda, se observa lapared sur en la cual hay grandes ventanas y paneles fotovoltaicos. A la derecha, la pared norteen la cual las ventanas son mucho ms pequeas, (Gonalves, 2 005).2. MARCO TERICO2.1. TRANSFERENCIA DE CALOR EN VIVIENDASA continuacin se da una descripcin muy breve de las formas de transferencia de calor que sedan en la naturaleza y en particular al interior de cualquier edificio.2.1.1. Transferencia de calor por conduccinLa conduccin se considera como la transferencia de energa de las partculas ms energticas alas menos energticas de una sustancia debido a las interacciones entre las mismas. En gases ylquidos debido a choques intermoleculares; y en slidos debido a vibraciones moleculares omovimiento de electrones.El calor transferido por conduccin en un slido se puede de cuantificar a partir del uso de laLey de Fourier. Por ej.: el calor por conduccin a travs de una varilla cilndrica muy larga sepuede aproximar segn lo mostrado en la figura 2.1.Figura 2.1. Esquema del flujo de calor por conduccin a travs de una varillalarga.Segn la ley de Fourier, el flujo de calor por conduccin a travs de esta varilla cilndrica sepuede cuantificar a travs de la siguiente ecuacin.dondePlanteando la ecuacin 2.1 en forma diferencial se tiene:Al realizarse el balance de energa para un volumen diferencial de un slido, la ecuacin (2.2) esutilizada para deducir la denominada ecuacin defigura 2.2.19lujo de calor por conduccin a travs de una varillaSegn la ley de Fourier, el flujo de calor por conduccin a travs de esta varilla cilndrica sepuede cuantificar a travs de la siguiente ecuacin.Planteando la ecuacin 2.1 en forma diferencial se tiene:Al realizarse el balance de energa para un volumen diferencial de un slido, la ecuacin (2.2) esutilizada para deducir la denominada ecuacin de calor en un slido, segn se muestra en la.cc = ixTkAqqXX' 'xTkA x qAA=lujo de calor por conduccin a travs de una varilla cilndrica muySegn la ley de Fourier, el flujo de calor por conduccin a travs de esta varilla cilndrica se(2.1)(2.2)Al realizarse el balance de energa para un volumen diferencial de un slido, la ecuacin (2.2) escalor en un slido, segn se muestra en laFigura 2.2. Esquema del flujo de calor por conduccin a travs de unEn este caso se asume que la energa generadaenerga es:2.1.2. Transferencia de calor por conveccinLa transferencia de calor por conveccin se da entre unse compone de dos mecanismos. Uno asociado alasociado al movimiento global o macroscpico del fluido. Este ltimo indica que en cualquierinstante grandes nmeros de molculgradiente de temperatura entre fluido y superficieAl darse el movimiento de un fluido sobre una superficie,la que la velocidad vara desde ceroEsta regin se denomina capa lmite hidrodinmica.Figura 2.3. Esquema del flujo de calor pormovimiento, la lnea punteada delimita la capa lmite hidrodinmica.20lujo de calor por conduccin a travs de un volumen de controlEn este caso se asume que la energa generada es nula. La ecuacin obtenida del balance deTransferencia de calor por conveccinLa transferencia de calor por conveccin se da entre un fluido en movimiento y una superficie, ydos mecanismos. Uno asociado al movimiento molecular aleatorio yasociado al movimiento global o macroscpico del fluido. Este ltimo indica que en cualquierinstante grandes nmeros de molculas se mueven de forma colectiva y, en presencia de unentre fluido y superficie, contribuyen a la transferencia de calor.Al darse el movimiento de un fluido sobre una superficie, se desarrolla una regin en el fluido encero (en la superficie) a un valor finito u (asociadose denomina capa lmite hidrodinmica.lujo de calor por conveccin entre una superficie y un fluido enlnea punteada delimita la capa lmite hidrodinmica.tTkcxTPcc =cc 22volumen de control.La ecuacin obtenida del balance de(2.2)fluido en movimiento y una superficie, ymovimiento molecular aleatorio y el otroasociado al movimiento global o macroscpico del fluido. Este ltimo indica que en cualquieras se mueven de forma colectiva y, en presencia de un, contribuyen a la transferencia de calor.se desarrolla una regin en el fluido enasociado al fluido).ficie y un fluido enSin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por conveccin, elmodelo apropiado est dado por la ley dedondeSegn sea el origen del movimiento, ly un fluido puede darse de dos formasy 2.5 ilustran esto.Figura 2.4.Transferencia de calor por conveccin forzada.En estemovimiento del fluido es por un mecanismo exterior21Sin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por conveccin, elmodelo apropiado est dado por la ley de enfriamiento de Newton.Segn sea el origen del movimiento, la transferencia de calor por conveccin entre una superficiepuede darse de dos formas: conveccin forzada y conveccin natural.Transferencia de calor por conveccin forzada.En este caso el origen delmovimiento del fluido es por un mecanismo exterior (en este ej. es un ventilador).) ( = T T A h qSSin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por conveccin, el(2.3)a transferencia de calor por conveccin entre una superficie: conveccin forzada y conveccin natural. Las figuras 2.4caso el origen del(en este ej. es un ventilador).Figura 2.5.Transferencia de calor por conveccin natural.En este caso elorigen delmovimiento es por una diferencia dEn la siguiente figura se muestran algunas formas del movimiento del aire al darse unatransferencia de calor por conveccin natural, generada por una diferencia de densidades en elmismo fluido.Figura 2.6. Transferencia de calor por conveccin natural. Movimientos de un fluido sobre unaplaca plana.22Transferencia de calor por conveccin natural.En este caso elorigen delmovimiento es por una diferencia de densidades en el mismo fluido.En la siguiente figura se muestran algunas formas del movimiento del aire al darse unatransferencia de calor por conveccin natural, generada por una diferencia de densidades en elTransferencia de calor por conveccin natural. Movimientos de un fluido sobre unaTransferencia de calor por conveccin natural.En este caso elorigen delEn la siguiente figura se muestran algunas formas del movimiento del aire al darse unatransferencia de calor por conveccin natural, generada por una diferencia de densidades en elTransferencia de calor por conveccin natural. Movimientos de un fluido sobre una23((

2sm| |1 K((

3mKg|| m((

2m s N((

sm2((

K mW2| | KUna de las relaciones empricas usadas para determinar el coeficiente pelicular para conveccinnatural en superficies planas verticales, dado por Churchill y Chu es: (Churchill, 1975)(2.4)Siendo todas las propiedades evaluadas a la temperatura de pelcula dada por:(2.5)y adems:(2.6)(2.7)donde LNu = es el nmero de NusseltLRa= es el nmero de Rayleighg = constante gravitacionalh = es el coeficiente pelicularTs = es la temperatura de la superficieFLUIDOT = es la temperatura del fluido| = coeficiente volumtrico de expansin trmica del fluido = densidad del fluidoL = longitud caracterstica de la superficie = viscosidad del fluidoo = difusividad trmica del fluido227 / 8 16 / 96 / 1] Pr) / 492 . 0 ( 1 [387 . 0825 . 0)`++ = LLRaNuo|3) ( L T Ts gRaFLUIDOL=2FLUIDOfT TsT+=k L hNuL= 24tTaire Volumen CeT T Ce m qAIREAIRE AIREAIRE EXT AMB AIREN INFLITRACIS SUPERFICIE LAS TODAS DEcc = + - -) (| | WEXT AMBT | | K((

K KgJ2.1.3. Transferencia de calor por radiacinLa radiacin trmica es la energa emitida en forma de ondas elecromagnticas por la materiaque se encuentra a una temperatura finita. Este modo de transferencia de energa no requiere lapresencia de un medio material. El flujo de calor emitido por una superficie real es menor que elde un cuerpo negro a la misma temperatura y est dado por:(2.8)Donde (0 1) es una propiedad radiativa de la superficie denominada emisividad,depende marcadamente del material de la superficie y del acabado2.1.4. Balance de energa para el aire dentro de una habitacinPuesto que las superficies interiores de una habitacin se caracterizan por ser: paredes planasverticales, superficies planas horizontales, superficies planas con cierta inclinacin; y puesto quela transferencia de calor entre dichas superficies interiores y el aire ambiente interior es porconveccin natural (se considera que el intercambio de energa por radiacin es slo entresuperficies y dicho efecto se ve en las mismas temperaturas superficiales de paredes, techos,etc.); se pueden utilizar relaciones empricas (asociadas a las geometras de las superficies) paradeterminar coeficientes de conveccin peliculares, (Churchill, 1975).Este planteamiento deja verque elaire dentro de una habitacin se calienta o enfraexclusivamente por flujos de calor convectivos entre superficies y aire. Se considera un flujo decalor por conveccin natural ya que dentro de las habitaciones usualmente la velocidad delviento es pequea y el movimiento del aire se da por diferencia de densidades.Tomando en cuenta las consideraciones mencionadas, la ecuacin de balance de energa para unvolumen de control del aire dentro de una habitacin en cada instante ser,(2.8)donde = suma de flujos de calor convectivos naturales desde cada superficiehacia el aire de la habitacin= Temperatura del aire exterior que ingresa a la zona trmicaAIRECe= Calor especfico del aire de la habitacin4ST E = o c25((

sKg| |3m| | J dttTaire Volumen Cedt T T Ce m QDAAIREAIRE AIREDAAIRE EXT AMB AIREN INFLITRACIS SUPERFICIE LAS TODAS DE TOTAL((

cc = +}}-) (| | J Q QONES INFILTRACI A DEBIDO TOTAL S SUPERFICIE LAS TODAS DE TOTAL0 ~ +N INFLITRACI m-= masa por unidad de tiempo con que el aire de la habitacin es renovadoaire Volumen= volumen del aire de la habitaciny a lo largo de todo el da ser:(2.9)En esta ecuacin se considera queAIRETes una funcin armnica (seno o coseno con periodo T= 24 horas), por lo tanto((

cctTAIREtambin lo es, y la integral de esta derivada a lo largo del daes nula. Por lo tanto la ecuacin (2.9) se reduce a,(2.10)Esta ecuacin pone en evidencia que si se eliminaran completamente las infiltraciones en lahabitacin, la energa neta transmitida desde las superficies interiores al aire debera ser nula.De las ecuaciones (2.9) y (2.10) se deduce que las infiltraciones influyen directamente sobre latemperatura del aire de la habitacin a lo largo del da.262. 2. ARQUITECTURA BIOCLIMTICA: NOCIONES Y CONCEPTOSExisten muchas definiciones para el concepto de Arquitectura Bioclimtica, pasamos amencionar algunas.La arquitectura bioclimtica es un tipo de arquitectura que persigue controlar y optimizar elcomportamiento energtico de las edificaciones, y reducir, con ello, su impacto ambiental, apartir de unos criterios de diseo basados en la obtencin del mximo partido de los elementosconstructivos y funcionales propios del edificio, teniendo en consideracin y aprovechando almximo las caractersticas climticas del emplazamiento donde se ubica. (Ibaez, 2 005).La arquitectura bioclimtica puede definirse como la arquitectura diseada sabiamente paralograr un mximo confort dentro del edificio con el mnimo gasto energtico. Para elloaprovecha las condiciones climticas de su entorno, transformando los elementos climticosexternos en confort interno gracias a un diseo inteligente. Si en algunas pocas del ao fuesenecesario un aporte energtico extra, se recurrira si fuese posible a las fuentes de energarenovables. (Garca, 2 009).Si bien existen muchas definiciones y muchos trminos equivalentes al de ArquitecturaBioclimtica (arquitectura solar pasiva, arquitectura ecolgica, arquitectura sostenible, etc.), laidea central es la misma: CERO de fuentes de energas contaminantes.Una de las razones por la cual los conceptos y enfoques asociados a la arquitectura bioclimticason cada vez ms tomados en cuenta es la utilizacin cada vez ms intensa de energa en losedificios, lo que conduce a un deterioro del medio ambiente y a una dependencia cada vez mayorhacia los pases suministradores de las fuentes de energa de combustibles fsiles. Esto sucededebido a que buena parte de las edificaciones actuales confieren a sus ocupantes unos, cada vezms exigentes, niveles de confort a costa del consumo de grandes cantidades de energa, pues lascondiciones de confort se obtienen casi exclusivamente a partir de instalaciones (mecnicas,elctricas, trmicas..) cada vez ms complejas, que consumen cantidades elevadas de energa yhacen que la habitabilidad de los edificios dependan de la disponibilidad y continuidad delsuministro de fuentes de energa (comodidad = mayor gasto de energa).Por otro lado, la arquitectura bioclimtica tiene una estrecha relacin con la eficiencia energtica,siendo los cuatro parmetros que definen el comportamiento trmico del edificio: el control deganancias, el control de prdidas, el control de la demanda y el estado de la tecnologa; factorestomados en cuenta en las estrategias de diseo.A continuacin se hace una descripcin breve de los criterios tomados en cuenta cuando unorealiza un diseo de un edificio bioclimtico. Se asumir, en este caso, una localizacin en elhemisferio sur (para el caso del hemisferio norte las consideraciones cambiarn: norte por sur).272.2.1. Estrategias de diseoAl momento de realizar el diseo de una edificacin, se tiene que tomar en cuenta los siguientespuntos asociados a la performance energtica del edificio.2.2.1.1. GananciasDentro de las formas en las que una edificacin puede ganar energa se tienen:- Accidentales; asociadas a lmparas, fuentes de energa y personas, esto genera un gastono deseado y si se quisiera evitar una de las opciones es adquirir equipos ms eficientes.- Energa solar pasiva; puede ser directa (a travs de acristalamientos), indirecta (masastrmicas) y aisladas (sistemas adosados a las viviendas o ubicados a cierta distancia). Eneste caso se da relevancia a las formas y a las propiedades de los materiales.- Energa solar activa, anlogo al anterior pero con uso de energa convencional.2.2.1.2. PrdidasDentro de las formas en las que una edificacin puede perder energa se tienen:- Por transferencia de calor y bajo aislamiento trmico; asociado a prdidas por laenvolvente, se puede evitar hasta cierto punto haciendo previsiones en la seleccin dellugar de la edificacin;y trabajando con indicadores tales como: Permetro/rea;rea/Volumen, hacindolos mnimos.- Infiltraciones y ventilacin.- Eficiencia de equipos y sistemas; el uso de equipos ineficientes implica una prdidavirtual de energa (desde el punto de vista econmico).2.2.1.3. Demanda de energaBsicamente se deben considerar tres aspectos:- Satisfaccin de necesidades; logrado a travs del uso de fuentes convencionales o del usode recursos naturales (ej. luz natural o artificiales).- Satisfaccin eficiente de necesidades; orientado a que, cualquiera sea la opcin queelijamos (natural o artificial), se logre la mayor eficiencia en el rendimiento.- Flexibilidad del uso; con la finalidad de lograr confort en espacios ms reducidos deacuerdo a las necesidades de los usuarios y lograr mayor eficiencia energtica (ya quepermite el uso de energa slo en espacios que estn siendo ocupados).282.2.1.4. Estado de la tecnologaEs importante conocer todas las opciones tecnolgicas disponibles para una buena eleccin en lasolucin del problema, orientado tanto al estado de la tecnologa como a la tecnologaadecuada a un uso y fuente de energa determinados; notar tambin que no siempre lo msreciente es lo ms adecuado.2.2.2. Factores medioambientales y climticosLas condiciones climticas influyen crticamente en el comportamiento trmico de los edificios,es por ello que un conocimiento preciso del comportamiento de estos parmetros es requeridocuando se realice un diseo. El clima se puede diferenciar a distintos niveles. As, se tienenclimas latitudinales (asociados a la latitud del lugar en el planeta: tropicales, fros, etc.), climasregionales, climas locales y microclimas; estos ltimos afectados por factores del lugar, loscuales se mencionan a continuacin.- Altitud; por ej. es conocido que a mayor altura disminuye la temperatura del aire y elenfriamiento del suelo suele ser ms rpido y mayor por las noches; sin embargo laradiacin solar aumenta.- Vientos; segn la rapidez promedio con que corran los vientos y la existencia dedirecciones preferenciales se pueden ver favorecidas las prdidas de calor porconveccin.- Orografa; muy importante asociado al tema de vientos, los cuales pueden tener unainfluencia importante por la orografa localhaciendo que se generen direccionespreferencial o que el terreno sea aislado y genere aire estanco.- Masas trmicas grandes; tales como mares, lagos y ros, los cuales debido a su graninercia trmica estn ms fros que el terreno en el da y ms templados durante la noche,pudiendo generar vientos refrescantes. Otro efecto es la humedad, siendo apreciable suefecto en un radio de 10 km aproximadamente, (Ibaez, 2 005).- Vegetacin; propiciando proteccin de vientos, apantallamiento de ruido, favorecimientoestacional de radiacin incidente, etc.- Disposicin de edificaciones en zonas urbanas; cuanto ms densa sea una zona urbanamenos energa solar estar disponible por edificacin, esto bsicamente por generacin desombras; adems, la direccin preferente de vientos es variable de lugar en lugar, siendoel anlisis ms complicado. Por lo tanto, un buen diseo, orientacin y distribucin deedificios generara una satisfaccin de necesidades de calentamiento y generacin desombras.29Figura 2.7. Direcciones de viento preferenciales asociado a disposicin de edificaciones enzonas urbanas, (Garca, 2009).Tabla 2.1. Las ocho regiones naturales o pisos ecolgicos del Per, (Brack, 2 000).Regin Altitud ClimaCosta o ChalaHasta 500 m.s.n.m.(occidente)Desrtico subtropical y semitropical detipo sabana tropicalYunga (martima) 500 2 300 m.s.n.m.Clido subtropical y rido ysemitropical y hmedo (al norte)Quechua 2 300 3 500 m.s.n.m. TempladoSuni o Jalca 3 500 4 100 m.s.n.m. Fro y secoPuna 4 100 4 800 m.s.n.m. Muy fro (-9C ~ -25C)Janca o Cordillera Desde 4 800 m.s.n.m. GlidoSelva alta o Rupa - Rupa400 1 000 m.s.n.m.(oriente)Clido y hmedo (4000 mm de lluvia alao)Selva baja u OmaguaHasta 400 m.s.n.m.(oriente)Tropical2.2.3. Aspectos arquitectnicos de diseoDentro de los criterios a tener en cuenta al momento de realizar un diseo de una edificacin setienen los siguientes.2.2.3.1. Ubicacin y orientacinLa ubicacin se refiere ms a la orografa del lugar, los alrededores y las condiciones climticasen general y cmo estos afectaran a la edificacin. La orientacin se refiere ms a la posicin de30SNNORTESURla vivienda respecto al eje Norte-Sur, haciendo hincapi en que en el hemisferio sur lassuperficies orientadas hacia el norte son las ms favorecidas con la incidencia de radiacin solar.Figura 2.8. La ubicacin seleccionada para una vivienda tiene una gran influencia. En la figurase observa que la vivienda de la izquierda ser irradiada por el sol todo el da, mientras lavivienda de la derecha estar en la sombra y con vientos frecuentes, (Garca, 2 009).Figura 2.9. En general, una vivienda debe favorecer la mayor superficie posible orientada alnorte, (www.casasconfortables.net, 2 009)2.2.3.2. DistribucinEn busca del uso adecuado de las condiciones climticas disponibles y de lograr la eficienciaenergtica en la edificacin, la distribucin e interconexin de los espacios es un tema vital, yaque ello permitir distribuir la energa adecuadamente en los ambientes y as, procurar mayorconfort y menor uso de energa convencional, todo esto tomando en cuenta los patrones de usode los ambientes.31Por ejemplo; se recomienda ubicar ambientes como la sala, comedor, cocina (ambientes msusados en el da) en el lado norte de la edificacin, ya que estos ambientes sern favorecidos porla radiacin solar a lo largo del ao; en la zona este es recomendable ubicar los dormitorios (loscuales sern iluminados y calentados por el sol en las maanas) y en la zona oeste los talleres ylugares de trabajo, dejndose ambientes de paso como escaleras, pasillos o almacenes en la zonasur (por tener condiciones de confort menos estrictas).Es recomendable ubicar los ambientes donde hay generacin de calor (como cocinas o ambientescon maquinarias) en las plantas bajas, ya que al calentarse el aire de estos ambientes por el calorgenerado, este se elevar, pudiendo ser aprovechado para calentar ambientes ubicados en lasplantas altas.Algunas veces los ambientes de trabajo orientados en la zona norte del edificio pueden necesitarde un espacio tapn el cual se ubicar entre la radiacin solar incidente y el ambiente detrabajo, evitando sobrecalentamientos. Estos espacios tapn pueden ser almacenes, armarios,garajes, etc.Figura 2.10. Espacios tapn. A la izquierda entrada a travs de un invernadero. A la derechaentrada a travs de un espacio de doble puerta, (Garca, 2 009).En general, dependiendo de los requerimientos arquitectnicos, urbansticos, estticos y trmicos(favorecimiento de ciertos ambientes) estos criterios pueden variar.2.2.3.3. GeometraEs conocido que mientras ms rea de contacto con el exterior disponga una edificacin,mayores sern las ganancias o prdidas de energa con el exterior, esto puede ser perjudicial enclimas extremos (muy fros o muy clidos), pero puede ser beneficioso en climas templados; por32S S S SN N N Notro lado, reducir el rea de contacto con el exterior implicara disminuir la superficie norteexpuesta a la ganancia solar, lo cual puede no ser conveniente, una opcin de solucin podra sermanteniendo la pared norte alargada y procurando un buen aislamiento para las demssuperficies. En general, la opcin a seleccionar depende del criterio que uno plantee y lasacciones que uno tome para corregir los defectos asociados a la opcin seleccionada.Uno de los criterios ms usados es el del factor de forma, el cual es la relacin rea/Volumen.Este criterio plantea que para climas muy clidos o muy fros el factor de forma debera sermenor que para climas templados.Una geometra interesante para climas fros es la trapezoidal, en la cual la pared orientada alnorte (la ms larga) recibe la radiacin solar y la pared orientada al sur (la ms corta) seencuentra aislada trmicamente.Figura 2.11. Valores del factor de forma en el caso de distintas geometras teniendo en cuentatanto la forma como la altura y la distancia de las edificaciones, (Ibaez, 2 005).Figura 2.12. Geometras adecuadas para optimizar el comportamiento trmico de los edificiosen funcin del tipo de clima, (Ibaez, 2 005).332.2.3.4. Materiales y almacenamiento de energaDependiendo de las caractersticas fsicas, geomtricas y ambientales de los materiales queconforman muros, techos y suelos de una vivienda; las condiciones climticas exteriores puedeninfluir en mayor o menor grado sobre las temperaturas de los ambientes interiores. As pues, sehabla de la inercia trmica de una pared como la capacidad de retener o almacenar el calor(incidente del sol o proveniente del da), de redistribuirlo en la misma pared y de re-emitirlo denoche a la vivienda.Por ej., si trabajsemos con muros de materiales ligeros, estos se calentaran o enfriaran en fasecon la temperatura exterior o la incidencia del sol; sin embargo, si trabajsemos con materialesdensos y de gran espesor, este material almacenara mucho ms calor, de tal forma que laoscilacin de temperaturas en los muros sera menor (y ms lenta) que en el caso de materialesligeros. En general, la redistribucin del calor almacenado hacia el interior de la vivienda sepuede dar con un desfase de horas (asociado esto a la conductividad trmica del material). Sedice que un muro tiene una gran inercia trmica mientras ms desfase genere a la onda de calor(almacenamiento de da y reemisin de noche).Figura 2.13. Curva A, variacin de temperatura exterior. Curva B variacin de temperaturasuperficial interna correspondiente a un muro de adobe de 25 cm de espesor.Se hace evidente que la capacidad de almacenamiento y reemisin de la energa almacenada porun muro (por ej.) va a depender del juego de tres propiedades fsicas: calor especfico, densidad yconductividad trmica. La combinacin de estos tres parmetros es lo que determina la inerciatrmica del muro y de cualquier otro elemento constructivo.2.2.3.5. NormativasAl momento de hacer un diseo es necesario tomar en cuentas las normativas vigentes del lugar.As por ej., es cada vez ms importante en los pases europeos la bsqueda de eficienciaenergtica, por ello, las construcciones se adecuan a normativas que buscan confort: lumnico,trmico, acstico, etc., usando el mnimo de energa convencional posible. Este aspecto, juntootras normas convencionales (constructivas, elctricas, sanitarias, ambientales, etc.), pueden34influir grandemente en una propuesta de diseo. Otros factores a tomar en cuenta son las normasurbanas (orientacin, disponibilidad de terreno) y los materiales disponibles. Para el casoperuano se debera acelerar la elaboracin de normas tcnicas nacionales, partiendo de laincorporacin de tcnicas constructivas bioclimticas en las edificaciones nacionales (rurales).2.2.4. Elementos constructivosA continuacin se har una breve descripcin de los elementos de la vivienda que influyen en lascondiciones de confort al interior y se comentarn algunas estrategias a adoptar.2.2.4.1. Techos y suelosSin lugar a dudas el techo es el elemento constructivo donde hay una mayor incidencia deradiacin solar a lo largo del da; por ello, en climas muy clidos o muy fros se recomiendaprocurar un techo adecuadamente aislado para evitar ganancias o prdidas excesivas; en climastemplados se puede disponer de techos ligeros. El suelo, igualmente puede constituirse en unsumidero de calor y una fuente importante de prdidas, se recomienda tenerlo aislado.2.2.4.2. Perforaciones y aberturasConformado por ventanas y puertas, jugando, especialmente la primera, un rol fundamental en elcomportamiento energtico de la vivienda. El uso adecuado de ventanas puede procurar conforttrmico y lumnico en los ambientes interiores, ya que a travs de estas, ingresa radiacin solardirecta y difusa.En climas fros, por ejemplo, se recomienda grandes ventanas en las paredes orientadas al norteen pos de ganar energa solar directamente hacia los ambientes interiores; no obstante, durantelas noches las prdidas de energa a travs de los vidrios pueden ser considerables; es por elloque se recomienda usar una cubierta aislante durante las noches. En verano, para evitarsobrecalentamientos, las ventanas debern disponer de elementos de sombreamiento. En lafachada sur debern procurarse aberturas pequeas.Para climas clidos es adecuado procurar ventanas con el fin de generar confort lumnico, sinllegar a sobrecalentamientos; para ello se debe disponer de elementos de control ysombreamiento (persianas, cubiertas, voladizos, etc.).En climas templados la situacin es un poco ms compleja ya que debe priorizarse un buensistema de iluminacin natural, ganancias adecuadas en invierno y ventilacin y sombreamientoen verano.35Figura 2.14. Ingreso de radiacin solar a travs de las ventanas. Sistemas de regulacin deradiacin segn la poca del ao. Arriba por medio de voladizos y pantallas. Abajo por mediode lamas direccionables, (Garca, 2 009).Figura 2.15. Edificio con sistema de captacin de radiacin solar a travs de ventanas. Espaa.36Debido a la importancia de estos elementos se han desarrollado (y se vienen desarrollando)tecnologas interesantes, alguna de las cuales pasamos a mencionar.- Ventanas de doble o triple acristalamiento; en las cuales entre vidrio y vidrio hay aireu algn otro gas como Argn o Kriptn (que funcionan como aislantes trmicos); estosacristalamientos reducen la energa solar que ingresa pero evitan prdidas de energa enlas noches.- Vidrios de baja emisividad; en los cuales el vidrio emite baja radiacin infrarroja y porlo tanto se enfra menos; esto se logra con un recubrimiento superficial que se le hace alvidrio, logrando adems reflejar al interior de la vivienda la radiacin infrarroja incidentey permitiendo el paso de la radiacin solar.- Vidrios absorbentes de calor; los cuales contienen tintes especiales que permiten laabsorcin de hasta un 45% de la energa solar incidente.- Vidrios reflectantes; se obtienen tras su recubrimiento con una pelcula reflectiva.- Materiales plsticos transparentes; muy interesantes debido a su ligereza, flexibilidad,robusticidad y facilidad de manejo; entre estos materiales se tienen: policarbonato,acrlico, polister, fluoruro de polivinilo, polietileno; no obstante su tiempo de vida esmenor al vidrio.- Otras tecnologas; este tipo de materiales se han desarrollado en los ltimos aos y sucomercializacin en el mercado es cada vez mayor, nos referimos a los cristalescromognicos (ventanas inteligentes); estos sistemas trabajan en dos modos: en un modopermiten el paso de la luz y en el otro modo se hacen opacos y reducen su conductividadtrmica. Adems, pueden controlarse de manera autnoma (dependiendo del nivel deluminosidad y de las condiciones del clima) o de manera manual.Si bien en la actualidad se dispone de multitud de sistemas, la seleccin de una u otra opcinsiempre depender de un criterio de satisfaccin de necesidades, practicidad y economa.Figura 2.16. Ventanas inteligentes. A la izquierda estado claro. A la derecha estado oscuro.372.2.4.3. Paredes y aislamientosLas paredes cumplen una funcin de acumulacin de energa, notndose adems que lasganancias o prdidas de calor entre la vivienda y el exterior se dan, en un gran porcentaje, atravs de las paredes de la envolvente. Por otro lado, las paredes cumplen la funcin de delimitarespacios, permitiendo, segnla distribucinylas propiedades fsicas del material, latransferencia de calor desde ambientes ms clidos a ms fros.En climas fros es adecuado contar con aislamientos trmicos en los muros de la envolvente(sobre todo en los orientados al sur), este aislamiento puede realizarse en la superficie interior oexterior de la pared; permitiendo, en el primer caso, una retencin del calor en el aire de losambientes; y en el segundo caso, una acumulacin de calor tambin en las paredes, lo cualgenera una disminucin en la amplitud de temperaturas del aire. Es importante tomar en cuentalas propiedades fsicas de los materiales y el color de las superficies, ya que un color oscuropermite una mayor absorcin de la radiacin solar.Figura 2.17. Aislamiento de paredes. Se muestra la tcnica del doble muro, en el espacio entremuro y muro se coloca un aislante trmico, en este caso paneles de corcho, (Garca, 2 009).Figura 2.18. Evolucin temporal de forma de la temperatura ambiente interior (t.a.i.), enedificios con distintos tipos de cerramientos.1: t.a.e temperatura exterior.; 2: t.a.i.encerramiento ligero; 3: t.a.i. en cerramiento pesado; 4: t.a.i. en edificio semienterrado, (Ibaez,2005).382.2.4.4. Elementos de proteccin y control solarComo se mencion, las ventanas conforman una de las mayores fuentes de ganancia de energa;sin embargo, en algunos casos (sobre todo en verano y en zonas clidas) un inadecuado controlpuede generar sobrecalentamientos y condiciones de disconfort, por ello es muy comn el uso dedispositivos de proteccin solar asociados a las ventanas.Estos elementos de proteccin se pueden clasificar en tres grupos: interiores, intermedios yexteriores.Los exteriores, conformados principalmente por parasoles, tienen la caracterstica que bloquean(absorben o reflejan) la radiacin solar evitando que incida en el vidrio.Los intermedios se ubican en el espacio entre las ventanas de doble o triple vidrio (por ej. losrecubrimientos absortivos). Las protecciones interiores, por ej. persianas, cubiertas, etc.,permiten un control ms preciso de las necesidades de iluminacin y ganancia de calor.La funcin ideal de estos elementos se puede resumir en: permitir el ingreso de energa solardurante el invierno junto con una buena iluminacin y bloquear (hasta cierto punto) la radiacinsolar en verano, para lo cual se pueden contar con parasoles exteriores. Para el caso de parasolesexteriores se recomienda tener en cuenta la siguiente relacin (Ibaez, 2005).= (2.11)Figura2.19. Elementos de sombreamiento, alaizquierdase muestralos parmetrosmencionados en la ecuacin anterior, (Ibaez, 2 005)39Tabla 2.2. Relacin entre la anchura del parasol, L, y la altura de la abertura H, (Ibaez, 2005).2.2.4.5. Influencia del entornoLa influencia de jardines o fuentes de agua cercanos a la edificacin resulta agradable a la vistay, por otro lado, puede generar ciertas condiciones de confort en el ambiente, estas se mencionana continuacin.2.2.4.5.1. Influencia de la vegetacinAlguno de los efectos ms importantes de contar con vegetacin cercana a la edificacin son:generacin de sombras para proteger la edificacin de sobrecalentamientos, proteccin natural avientos fros, generacin de humedad y fuente radiante de calor nocturna (debido al efectopantalla que posee).La generacin de sombras puede ser usado convenientemente, por ej.: en climas clidos, unaplantacin de rboles de hoja perenne, cercanos a la fachada norte, permitir el bloqueo de laradiacin solar en un buen porcentaje, logrndose evitar sobrecalentamientos. Por otro lado, silos rboles son de hoja caduca, durante el invierno permitirn el paso de la radiacin solar ydurante el verano la bloquearn, esto es recomendable para climas templados; no obstante, enclimas fros no se recomienda usar esta tcnica si en la fachada norte se han instaladodispositivos de captacin de radiacin solar (ventanas, muros acumuladores, etc.), ya que ladisminucin de radiacin incidente por efecto de las ramas es considerable.Latitud Sur F28 5.6 - 11.132 4.0 - 6.336 3.0 - 4.540 2.5 - 3.444 2.0 - 2.748 1.7 - 2.252 1.5 - 1.856 1.3 - 1.540Figura 2.20. Generacin de sombras segn la estacin, a travs de uso de rboles, (Garca,2 009).La proteccin contra vientos fros es adecuada en la fachada sur, ya que en esta, gran parte delao no incide radiacin solar; una cortina de rboles (tambin conocido como cortavientos)ubicados a una distancia de 30 veces la altura del rbol permitir una proteccin adecuada de laedificacin contra los vientos fros (la mxima proteccin se logra ubicndolos a una distanciaentre dos y cinco veces la altura del cortavientos). Por otro lado, una disposicin adecuada derboles puede generar una direccin preferente de vientos, (Ibaez, 2 005).Figura 2.21. Barreras de proteccin contra vientos fros usando cortinas de rboles, (Garca,2 009).41Figura 2.22. Arriba, canalizacin de brisas en verano y barrera cortavientos en invierno. Abajo,combinacin de rboles de hoja caduca y perenne para canalizar brisas y frenar los vientosinvernales, (Garca, 2 009).Otras opciones existentes son la de las superficies arboladas, en las cuales las plantas, al ubicarseen las superficies, protegen de la radiacin solar, oxigenan y refrescan el ambiente cercano a laedificacin. En climas calurosos se puede recurrir al csped como reemplazante de pavimento,ya que este ltimo genera una sensacin de calor, debido a que refleja parte de la radiacin solarincidente y la parte almacenada genera sobrecalentamientos nocturnos. Como siempre, laposibilidad de aplicacin de estas tcnicas depender de las condiciones del lugar.2.2.4.5.2. INFLUENCIA DEL AGUAGrandes masas de agua (ros, mares, lagos,ocanos, etc.) o dispositivos acoplados a laarquitectura (piletas, fuentes, canales de riego, etc.) pueden lograr enfriamiento en zonas clidas;esto debido a que durante el da, el agua absorbe calor del aire caliente (por conveccin) y alevaporarse (en la superficie) tambin absorbe calor del mismo agua, esto genera que disminuyala temperatura del aire y del agua haciendo ms fresco los alrededores (en parte por la sensacinde humedad). Por otro lado, demasiada humedad no es recomendable, siendo el lmite de menortemperatura al que puede llegar el aire, igual a la temperatura de punto de roco (que tambindepende de la humedad relativa).42Una tcnica muy usada es la ubicacin de masas de agua en jardines o plazetas dentro de lavivienda, lo cual genera enfriamiento del aire en este espacio abierto y en los alrededores.Figura2.23. Unapiscinacercanaaunambiente permite enfriamientoevaporativoyhumidificacin, (Garca, 2 009).2.2.4.6. Tcnicas de iluminacinUna edificacin energticamente eficiente tiene que favorecer la iluminacin natural. Existentcnicas que permiten obtener ambientes lumnicamente confortables a partir del uso adecuadode la radiacin solar disponible durante el da. Algunas de las ventajas de este tipo de tcnicasson que la iluminacin natural de un ambiente evita el uso de sistemas de iluminacin, los cuales,dependiendo de su eficiencia, generan calor convirtindose en una fuente indeseable en climasclidos e innecesario y evitable en climas templados y fros. De otro lado, hay normativas queestablecen rangos de iluminacin con que debe contar un ambiente a fin de ser lumnicamenteconfortable.Otra ventaja de la iluminacin natural es que la luz ms adecuada para lasensibilidad del ojo humano es la luz del sol.Por ello, una edificacin bien diseada debe optimizar el uso de iluminacin natural durante elda, adicionando elementos de control para evitar sobrecalentamientos y sobreiluminaciones, yas evitar un uso innecesario de luminarias y generacin de calor a travs de estos. Por otro lado,se debe procurar el uso de lmparas eficientes y de sistemas que permitan un control sobre estoselementos, segn el nivel de luminosidad, la ocupacin o algn horario de uso. Resumiendo, unbuen diseo de iluminacin natural buscar satisfacer adecuadamente las necesidades y reducir,en la medida de lo posible, el empleo de iluminacin artificial en la situacin ms desfavorable,es decir, en das nublados.Existen distintas tcnicas para propiciar iluminacin natural, en la figura siguiente se muestranlos procedimientos ms comunes y sus perfiles de iluminancia correspondiente.43Figura 2.24. Procedimientos ms comunes para el aprovechamiento de la iluminacin natural apartir de aberturas en paredes y techos. Se muestran, asimismo y de forma aproximada, losperfiles de las distribuciones de iluminancias resultantes, (Ibaez, 2 005).2.2.4.7. Sistemas convencionales de refrigeracin, calefaccin y ventilacinSi nos referimos a sistemas convencionales podemos mencionar bsicamente dos tipos: aquellosque no generan un consumo energtico y aquellos que s. En el primer caso, los sistemas msusados son en ventilacin a travs de aberturas y ventanas, esto permite el ingreso de aire msfresco del exterior debido a una diferencia de temperaturas y presiones; no obstante, lasdificultades se presentan en el control de esta ventilacin y adems, el lmite del enfriamiento esigual a la temperatura del aire exterior.En el caso de sistemas que generan consumo energtico se tienen dos finalidades. Paracalentamiento existen: estufas, calderas, bombas de calor, motores elctricos, etc., siendo laenerga proveniente de la quema de combustible fsiles, de electricidad u otro. En el caso derefrigeracin, los equipos bsicamente funcionan con electricidad.Un buen diseo debe procurar un acondicionamiento de los ambientes, hasta donde sea posible,con el uso de recursos naturales, recurriendo al uso de equipos convencionales en caso seanecesario y debiendo ser estos eficientes en su consumo y en su control.Cabe resaltar que la aplicacin de estos sistemas para el medio rural altoandino es complicado,debido a los limitados recursos econmicos que dispone la gente de estas zonas, y es innecesariodebido a la existencia de opciones de aprovechamiento de los recursos naturales a travs del usode tcnicas bioclimticas.442.2.5. Calefaccin y refrigeracin solar pasivaLa arquitectura solar pasiva busca lograr condiciones de confort al interior de los ambientes atravs del calentamiento o enfriamiento, usando para ello la energa solar y las condicionesclimticas; todo esto de la mano con acciones y diseos que orienten siempre a una eficienciaenergtica.2.2.5.1. Calefaccin solar pasivaBsicamente el calentamiento se logra de la siguiente forma: la radiacin solar incidente escaptada por una superficie colectora, esta energa es almacenada en una masa trmica, la energaalmacenada es liberada posteriormente por conveccin o radiacin en horas en que no hay luzsolar, generando un calentamiento de los ambientes. Tambin es posible calentar los ambientesen el mismo momento en que incide la radiacin solar. Existen diferentes tipos de sistemas decalefaccin solar pasiva, estos puede dividirse en tres grupos: sistemas de ganancia directa,sistemas de ganancia indirecta y sistemas de ganancia aislada.Los sistemas de ganancia directa permiten el ingreso de la radiacin solar directamente a losambientes interiores, siendo la energa almacenada en las mismas paredes y suelos, esto generacalentamiento durante el da (debido a la radiacin solar incidente) y tambin calentamiento denoche (debido al calor almacenado y emitido por las paredes). Este tipo de sistemas loconforman ventanas, claraboyas, luminarias, etc. Se estima que estos sistemas permiten unaprovechamiento de entre 60 y 75% de la energa solar que incide sobre los acristalamientos. Elcontrol de radiacin solar incidente puede realizarse a travs de sistemas manuales o automticos(como ya se ha descrito).Figura 2.25. Sistemas de ganancia solar directa. A la izquierda, la energa se almacena en elmuro y piso. A la derecha, la energa se almacena, adems, en masas trmicas. (Garca, 2 009).En los sistemas de ganancia indirectalograr ingresar a los ambientes interiores; dentro de estos sistemas se tienen: muros dealmacenamiento, lechos de almacenamiento, cubiertas de agua, etc.; al no incidir la radiacinsolar directamente sobre las dependencias, permiten una mayor regulacin ytrmicos, si bien su rendimiento es menorentre un 30 y 45% de la energa solar quecuenta es la iluminacin, ya que estos sistemas la dificultanmixtos (directos e indirectos). Dentro de los sistemas de ganancia indirecta ms conocidos setienen los muros de inercia y lo muros Trombe.Un muro de inercia consiste en un muro macizoladrillo macizo, adobe, etc., de un espesor entre 25 y 40 cm, con la superficie exterior oscura yprotegida con un vidrio (para aprovechar las ventajas del efecto invernadero15 cm de esta. Durante el da la radiacin solar incidente produce el calentamiento del muro,acumula el calor y lo cede por radiacin(por la noche). Para evitar sobrecalentamientos en veranoradiacin solar y disponer de aberturas para poder ventilar el muro.Figura 2.26. Muro de inercia instalado en el CERT de la Universidad Jorge Basadre de TacnaUna variante del muro de inercia son los muros de aguaalmacenada en bidones) se usa como material de almacenamiento de calor; esto debido a quepresenta una mayor capacidad calorfica (por ej. cinco veces mayor que la del hormign) y unaconductividad trmica mucho mayor, esto genera una ms rpida transferencia de calor hacia elinterior. Usualmente se recomienda aislar el muro de agua del edificio durante el da (para evitarsobrecalentamientos) y retirar el aislamiento por la noches. Eest en torno a los 15 cm aproximadamente.materiales de cambio de fase, los cuales aprovechan el almacenamiento de energa que se da alcambiar de fase (de slido a lquido) a unC); algunos materiales utilizados son las parafinas y grasas naturales (mantecas, etc.).45En los sistemas de ganancia indirecta la radiacin solar incide sobre una masa trmica sinlograr ingresar a los ambientes interiores; dentro de estos sistemas se tienen: muros dealmacenamiento, lechos de almacenamiento, cubiertas de agua, etc.; al no incidir la radiacinsobre las dependencias, permiten una mayor regulacin y control de los flujos, si bien su rendimiento es menor, de hecho, se estima que estos sistemas aprovechanentre un 30 y 45% de la energa solar que incide en los acristalamientos. Otro aspectcuenta es la iluminacin, ya que estos sistemas la dificultan, usualmente se opta por sistemasmixtos (directos e indirectos). Dentro de los sistemas de ganancia indirecta ms conocidos setienen los muros de inercia y lo muros Trombe.consiste en un muro macizo, orientado al norte, de piedra, hormign,ladrillo macizo, adobe, etc., de un espesor entre 25 y 40 cm, con la superficie exterior oscura yprotegida con un vidrio (para aprovechar las ventajas del efecto invernadero) situado a unos 10 yDurante el da la radiacin solar incidente produce el calentamiento del muro,acumula el calor y lo cede por radiacin al interior del edificio, con un retardo de unas 12 horassobrecalentamientos en verano resulta conveniente protegerlo de laradiacin solar y disponer de aberturas para poder ventilar el muro.Muro de inercia instalado en el CERT de la Universidad Jorge Basadre de Tacnamuro de inercia son los muros de agua, en los cuales el agua (usualmentealmacenada en bidones) se usa como material de almacenamiento de calor; esto debido a quepresenta una mayor capacidad calorfica (por ej. cinco veces mayor que la del hormign) y unaconductividad trmica mucho mayor, esto genera una ms rpida transferencia de calor hacia elinterior. Usualmente se recomienda aislar el muro de agua del edificio durante el da (para evitarsobrecalentamientos) y retirar el aislamiento por la noches. El espesor ptimo del muro de aguaest en torno a los 15 cm aproximadamente. Otra variante interesante la conforman losmateriales de cambio de fase, los cuales aprovechan el almacenamiento de energa que se da alcambiar de fase (de slido a lquido) a una temperatura cercana a la del ambiente (entre 30 y 40C); algunos materiales utilizados son las parafinas y grasas naturales (mantecas, etc.).la radiacin solar incide sobre una masa trmica sinlograr ingresar a los ambientes interiores; dentro de estos sistemas se tienen: muros dealmacenamiento, lechos de almacenamiento, cubiertas de agua, etc.; al no incidir la radiacincontrol de los flujosse estima que estos sistemas aprovechanincide en los acristalamientos. Otro aspecto a tomar enusualmente se opta por sistemasmixtos (directos e indirectos). Dentro de los sistemas de ganancia indirecta ms conocidos seorientado al norte, de piedra, hormign,ladrillo macizo, adobe, etc., de un espesor entre 25 y 40 cm, con la superficie exterior oscura y) situado a unos 10 yDurante el da la radiacin solar incidente produce el calentamiento del muro, quecon un retardo de unas 12 horasresulta conveniente protegerlo de laMuro de inercia instalado en el CERT de la Universidad Jorge Basadre de Tacna., en los cuales el agua (usualmentealmacenada en bidones) se usa como material de almacenamiento de calor; esto debido a quepresenta una mayor capacidad calorfica (por ej. cinco veces mayor que la del hormign) y unaconductividad trmica mucho mayor, esto genera una ms rpida transferencia de calor hacia elinterior. Usualmente se recomienda aislar el muro de agua del edificio durante el da (para evitarl espesor ptimo del muro de aguaOtra variante interesante la conforman losmateriales de cambio de fase, los cuales aprovechan el almacenamiento de energa que se da ala temperatura cercana a la del ambiente (entre 30 y 40C); algunos materiales utilizados son las parafinas y grasas naturales (mantecas, etc.).46Figura 2.27. Muro de agua, el agua es almacenada en cilindros. (Garca, 2 009).El muro Trombe es una variante del muro de inercia en la que ste dispone de unas rejillas oaberturas regulables situadas en la parte inferior y superior que permiten la circulacin de airedesde la cmara (espacio entre la superficie exterior del muro y el vidrio) hacia el interior deledificio. Este sistema permite lograr un calentamiento del ambiente interior durante todo el da,ya que el aire caliente en la cmara ingresa al edificio en las horas de sol y por las noches, alcerrar las rejillas de circulacin, el muro Trombe acta como un muro de inercia, calentando elambiente interior por conveccin y radiacin. Un muro Trombe bien diseado puede entregar elcalor almacenado con un retardo entre 8 y 10 horas; el valor de la superficie total de las aberturasest entre el 0,5% y el 3% de la superficie total del muro. El muro Trombe tambin se puedeutilizar para refrescar y ventilar los ambientes interiores, usando el efecto chimenea, en el cual sedispone de aberturas regulables en la parte superior del acristalamiento.Figura 2.28. Muro Trombe. A la derecha se muestra el detalle de esta tcnica. El aire fro saledel cuarto por las entradas inferiores y el aire caliente ingresa al cuarto por las entradassuperiores, (Garca, 2 009).47Figura 2.29.Uso delmuro Trombe segn la poca delao.En invierno se usa paracalentamiento y en verano para promover la ventilacin, (Garca, 2 009).Los sistemas de ganancia aislada estn conformados por invernaderos, galeras, lecho de rocas,etc., estos sistemas se encuentran adosados al edificio o separados fsicamente de este; se estimaque la ganancia aislada permite la transferencia al edificio de entre un 15 y 30% de la energasolar incidente sobre las superficies de captacin.En el caso de invernadero, estos espacios se encuentran adyacentes al edificio con cerramientosmayoritariamente acristalados a fin de captar gran parte de la energa solar incidente; lasuperficie perpendicular a las paredes usualmente es mayor a 2 metro y la radiacin solar alincidir en el suelo se almacena principalmente all. Para aprovechar el calor almacenado se sueledisponer de orificios en la pared comn, similar al muro Trombe.Figura 2.30. Sistemas de ganancia aislada. Invernaderos adosados a ambientes, (Garca,2 009).48Las galeras son espacios similares a los invernaderos con la diferencia que la superficieperpendicular a las paredes (anchura) es usualmente inferior a 2 metros. Los lechos de rocas,situados normalmente debajo del edificio, son espacios llenos de rocas y cerrados con unacristalamiento en la parte donde incide la radiacin solar; la energa solar es captada yalmacenada en las rocas para ser cedida posteriormente al edificio ya sea por conduccin,radiacin o por conveccin natural o forzada mediante circulacin de aire desde el lecho de rocashacia el interior del edificio.Figura 2.31. Sistemas de ganancia aislada. Galeras adosadas a ambientes, (Garca, 2 009).Figura 2.32. Lecho de roca, (Garca, 2009).492.2.5.2. Sistemas de refrigeracin solar pasivaEstos sistemas se apoyan bsicamente en cuatro principios: reduccin al mximo de la entrada decalor proveniente del exterior, minimizacin de las aportaciones internas de calor (debido aocupantes o equipos), evacuacin de calor excedente del edificio y refrigeracin de los locales.Reduccin de cargas externas; consiste en evitar sobrecalentamientos por la radiacin solarincidente, para ello se eligen orientaciones y geometras adecuadas as como colores claros yaislamiento trmico en paredes y techos; tambin se opta por cubiertas y sombreamientosprincipalmente en las fachadas este, norte y oeste, para ello se utilizan sistemas ya descritosanteriormente (parasoles, cubiertas fijas, mviles, etc.).Reduccin de cargas internas; logrado a travs del uso de equipos (luminarias, equiposelctricos, etc.) ms eficientes y disminuyendo la densidad de ocupacin de los locales.Evacuacin del calor excedente; logrado a travs de la ventilacin, lo que permite la sustitucindel aire sobrecalentado del interior por aire exterior a menor temperatura. La ventilacinproporciona sensacin de frescor debido a los fenmenos de conveccin y evaporacin queproduce en la piel humana. Por lo general, para mantener un nivel adecuado de confort lavelocidad del aire no debe exceder un determinado valor que depende de la temperaturaambiente, estos valores se muestran en la tabla 2.3. Cabe mencionar que el nivel de confortpuede variar de un individuo a otro y est influenciado por el grado de humedad del aire.Tabla 2.3. Velocidades orientativas del aire recomendadas segn la temperatura, (Ibaez,2 005).Temperatura (C) 20 26 27.8 29.4Velocidad mxima (m/s) 0.15 0.25 0.8 1Para lograr una ventilacin ms controlada es recomendable emplear orificios en la partesuperior de los ambientes, con deflectores y rejillas o bien mediante marcos con aberturasvariables.En verano es aconsejable ventilar durante las noches y nicamente cuando latempera