INENCO-InstitutodeInvestigaciones ... · probabilísticos de MonteCarlo y Markov. Herkel et al....

INENCO - Instituto de Investigacionesen Energías No Convencionales

CONICET

Universidad Nacional de Salta

Argentina

LA INCIDENCIA DE LOS USUARIOS

EN EL COMPORTAMIENTO TÉRMICO

DE VERANO DE UNA VIVIENDA EN

EL NOROESTE ARGENTINO

Primera edición digital

Julio, 2011

Lima - Perú

© Silvana Flores Larsen

Celina Filippin

Graciela Lesino

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0233

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• El pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

IV Conferencia Latino Am ericana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010

LA INCIDENCIA DE LOS USUARIOS EN EL COMPORTAMIENTO TERMICO DE VERANO DE UNA VIVIENDA EN EL NOROESTE

ARGENTINO

Silvana Flores Larsen - [email protected] INENCO – Instituto de Investigaciones en Energías No Convencionales – Universidad Nacional de Salta – CONICET –

Avda. Bolivia 5150, (4400) Salta, Argentina Celina Filippín - [email protected]

CONICET – CC302, Santa Rosa, 6300 (La Pampa) Argentina Graciela Lesino – [email protected]

INENCO – Instituto de Investigaciones en Energías No Convencionales – Universidad Nacional de Salta – CONICET - Avda. Bolivia 5150, (4400) Salta, Argentina

Tema 5. Energía solar y ambiente construido Resumen. En este trabajo se analiza el efecto del comportamiento de los usuarios en la temperatura interior de una vivienda en la ciudad de Salta, en el noroeste de Argentina, mediante monitoreo experimental y simulación computacional, realizada mediante el software Energy Plus. En primer lugar se valida el modelo térmico de la vivienda con datos experimentales para luego analizar el comportamiento térmico de la misma bajo condiciones de uso y compararlo con el comportamiento térmico que hubiera presentado en caso de estar desocupada. Se encontraron diferencias significativas, de alrededor de 2.5ºC en las temperaturas interiores de la vivienda, debidas principalmente al efecto de la ventilación nocturna. Palabras-clave: Simulación térmica, Energy Plus, Eficiencia Energética. 1. INTRODUCCIÓN

Es conocido que el comportamiento de los usuarios influye fuertemente en las condiciones térmicas interiores de los edificios y en el consumo de energía para acondicionamiento de los ambientes. En algunos casos esta influencia es positiva, como cuando se modifican las condiciones térmicas interiores para alcanzar el confort y al mismo tiempo se consigue disminuir el consumo energético, lo cual se logra a través de la utilización de técnicas pasivas de calefacción y enfriamiento. En otros casos, el patrón de uso y costumbres de los usuarios involucra un uso intensivo de dispositivos convencionales de calefacción y enfriamiento, con el consiguiente incremento de consumo de energía.

Los patrones de ocupación y consumo y el nivel de adaptabilidad de los usuarios al clima dependen de la localización geográfica, de patrones culturales, de posibilidad de acceso a los recursos energéticos, costo de la energía, y nivel de conciencia ambiental, entre otros muchos factores. Debido a que estos factores influencian fuertemente el consumo energético de una vivienda, en los últimos años se ha puesto mucho esfuerzo en determinar los patrones de consumo y ocupación “típicos” en varios países desarrollados (Nicol, 2001) y en vías de desarrollo (Bae y Chun, 2009; Filippín et al., 2005). Papakostas y Sotiropoulos (1997) estudiaron los patrones de ocupación y consumos energéticos de viviendas en Grecia, obteniendo un comportamiento “promedio” para familias griegas que pueden ser utilizados en modelos de consumo energético de edificios; Al-Mumin et al. (2003) estudiaron los patrones de ocupación y operación de equipos de aire acondicionado en Kuwait, encontrando que los ocupantes mantienen encendidos los equipos eléctricos (aire acondicionado, luces y ventiladores) la mayor parte del día, aunque los locales estén desocupados. Por otra parte, estudios similares realizados en viviendas tradicionales de Japón (Iwashita y Akasaka, 1997) encontraron que los ocupantes de estas viviendas consideran en su mayoría que el uso de aire acondicionado es perjudicial para la salud, por lo que prefieren la ventilación natural y restringen el uso de equipos mecánicos a momentos determinados del día. Schweiker y Shukuya (2009) desarrollaron tres modelos estadísticos basados en encuestas y mediciones, que permiten predecir el uso de aire acondicionado durante la noche para Japón. Kubota et al. (2009) estudiaron los patrones diurnos de ventilación utilizados en Malasia, sugiriendo que patrones nocturnos o en su defecto, diarios, serían más eficientes en el clima cálido húmedo de este país.

Es sabido que en los edificios sin acondicionamiento mecánico las condiciones ambientales interiores pueden variar más ampliamente sin afectar el confort térmico que en los edificios que utilizan acondicionamiento de aire (Baker y Standeven, 1996), debido a que sus ocupantes presentan comportamientos adaptativos importantes. En verano de climas calurosos, el uso de aire acondicionado parra refrigeración es una de las causas de mayor incidencia en el consumo energético. La elección de la temperatura del termostato puede incidir notablemente en la disminución de dicho consumo. En el trabajo de Al-Mumin et al. (2003) sobre los patrones de ocupación y operación de equipos de aire


acondicionado en Kuwait, se concluye que pueden obtenerse disminuciones de hasta un 39% en el consumo eléctrico anual si los usuarios utilizaran simplemente aumentando la temperatura del termostato de 22 a 24°C.

La apertura de ventanas es uno de los medios de mayor uso para el control del ambiente interior de las viviendas en países en vías de desarrollo. Indraganti (2010) estudió el uso adaptativo de la ventilación natural para alcanzar el confort térmico en departamentos en India. Rijal et al. (2007) desarrollaron un método para simular, en edificios de oficinas, el efecto de la apertura de ventanas en el confort y uso de energía. Estudiaron un algoritmo adaptativo dependiente de las temperaturas exterior e interior para predecir cuándo es más probable que un usuario abra las ventanas. Sin embargo, Haldi y Robinson (2008) argumentan que este modelo puede causar más errores que beneficios debido a la estrecha relación entre las temperaturas interiores y exteriores especialmente en edificios con ventilación natural. Young et al. (2009) estudiaron el rol del comportamiento en relación a la ventilación natural y sus efectos en la performance térmica de edificios ventilados naturalmente, utilizando un algoritmo de comportamiento y los métodos probabilísticos de MonteCarlo y Markov. Herkel et al. (2008) estudiaron un modelo para predecir el comportamiento respecto de la apertura manual de ventanas en edificios de oficinas en Alemania.

La influencia del comportamiento de los ocupantes en la ventilación de verano ha sido estudiada también por Iwashita y Akasaka (1997) mediante el método de trazas de gas en 8 viviendas, encontrando que existen grandes diferencias, de hasta un 87%, en la ventilación de una vivienda, causadas por el comportamiento de sus ocupantes.

En este trabajo se analiza el efecto del comportamiento de los usuarios en la temperatura interior de verano de una vivienda ubicada en la ciudad de Salta, en la región noroeste de Argentina, en un clima cálido-seco. En esta vivienda, sus ocupantes utilizaron ventilación cruzada y, en menor medida, acondicionamiento mediante equipos de refrigeración convencionales. En el estudio se realizaron tanto mediciones experimentales como simulación computacional, para un mes de verano de 2010. En primer lugar se analizan los resultados del monitoreo de la vivienda en un periodo desocupado, a fin de comprender su comportamiento térmico. A continuación se realiza un ajuste de los datos monitoreados mediante simulación computacional. Una vez validado el modelo térmico de la vivienda, se simula el comportamiento de la misma para un nuevo periodo, suponiendo que la misma sigue desocupada, a fin de compararla con los datos reales bajo condiciones de uso y obtener conclusiones acerca del efecto de los ocupantes en la temperatura interior del edificio durante los meses más calurosos del verano. Para la simulación computacional en estrado transitorio se utilizó el software Energy Plus (apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/). Dicho software es gratuito ha sido desarrollado en el LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) y es actualmente el programa oficial utilizado por el Departamento de Energía de USA para simulación de edificios. 2. DESCRIPCIÓN DE LA VIVIENDA, EMPLAZAMIENTO Y CLIMA

La ciudad de Salta está localizada a 24.8º latitud Sur, 65.5º longitud Oeste y 1182m snm, en la zona noroeste de Argentina. El clima es subtropical con estación seca, correspondiente a la zona bioambiental IIIa (Norma IRAM 11603), con temperaturas máxima media, media y mínima media en verano de 17ºC, 21ºC y 28ºC e irradiación solar sobre superficie horizontal de 22MJ/m2. Las temperaturas máximas en verano suelen superar los 30ºC, con máximas absolutas de 37ºC. La residencia a estudiar está ubicada en un barrio elevado aproximadamente 100m respecto de la ciudad de Salta, en una zona residencial. Es una vivienda para cuatro personas de clase media, construida con materiales standard de buena calidad. Cuenta con una superficie cubierta de 180m2 distribuida en dos plantas: en planta baja una cocina-comedor, living, playroom, sanitario y galería. En la planta alta cuenta con dos dormitorios (este y oeste), escritorio, dos baños y un vestidor. El dormitorio Este y el escritorio están ubicados hacia la calle, mientras que el dormitorio oeste está ubicado hacia el jardín trasero. Ambos laterales de la vivienda están sombreados por casas linderas, también de dos plantas. Las Figuras 1 y 2 muestran planta y corte de la vivienda y vistas de la fachada y contrafachada. En la Tabla 1 se volcaron algunos datos dimensionales de la vivienda.

La envolvente de la residencia es de ladrillo visto macizo de 30cm de espesor, con revoque interior. El living es un espacio a doble altura, con techo de madera, 2.5cm de aislación y teja francesa. Los dormitorios poseen techos de madera con 5cm de aislación y teja francesa. El techo del resto de los locales es una losa plana con carpeta de hormigón y membrana aluminizada, sin aislación térmica. La carpintería es de madera de doble contacto, con burletes autoadhesivos, excepto las aberturas de la galería que son de aluminio. Las ventanas y aberturas tienen vidrio simple de 3mm de espesor, excepto las ventanas del escritorio y del dormitorio oeste que tienen doble vidriado hermético (4mm + 6mm + 4mm). Los dormitorios Este y Oeste cuentan con puertas -ventanas con vidrio simple y postigón de madera. Todas las ventanas cuentan con cortinas interiores de tela para oscurecimiento. La vivienda cuenta con un garage semicubierto que proporciona sombra y abrigo del viento a los muros Norte y Este del living.

En cuanto a equipos mecánicos de acondicionamiento, la vivienda cuenta con tres aires acondicionados frío/calor tipo splits, todos ubicados en la planta alta (dormitorio Este: 3300 frigorías; dormitorio Oeste: 2250 frigorías; escritorio: 3500 frigorías). Para verano se utilizan los termostatos en 24ºC. El uso de los equipos es intermitente, normalmente una a dos horas de acuerdo a la ocupación (de 14 a 16 en el dormitorio Oeste, de 16 a 18 en el escritorio y prácticamente nulo en el dormitorio Este en donde duermen niños pequeños). Durante el periodo estudiado se realizaron relevamientos detallados del horario de encendido y apagado de los equipos.


Figura 2 - Fachada y contrafachada de la vivienda.

Tabla 1. Área de piso, envolvente y volumen de las zonas térmicas de la vivienda.

Zona Área de piso (m2) Volumen (m3 ) Área de envolvente (m2)

Área de ganancia solar directa (m2)

Cocina-comedor 18 45 33 1.3 Living 37 155 94 2.6 Playroom 20 49 16 0 Sanitario 6 14 10 0 Galería 47 132 100 21.7 PLANTA BAJA 122 382 242 25.6 Dormitorio Oeste 20 67 73 2.6 Vestidor 18 43 33 0 Dormitorio Este 10 34 41 0.8 Escritorio 8 20 22 0.8 PLANTA ALTA 56 164 170 4.2

3. COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE VERANO EN PERIODO DESOCUPADO 3.1. Monitoreo experimental

La vivienda se monitoreó durante el verano, en el periodo comprendido entre el 7 de enero y el 16 de febrero de 2010. Se utilizaron dataloggers HOBO U8 y U12 (001 y 011) de temperatura y humedad relativa que se ubicaron en cada una de las habitaciones de la vivienda y en el exterior. En el living se colocaron dos sensores a distinta altura (a 1.50m y a 2.65m sobre el suelo) y luego se promediaron para obtener la temperatura representativa de este ambiente. El monitoreo se realizó a intervalos de 15 minutos. Además se realizó un relevamiento de las horas de encendido y

Figura 1 - Planta y cortes AA’ y BB’ de la vivienda.

Corte BB’

Corte AA’

Escritorio

Living Cocina Galería

Dormitorio Oeste Vestidor

Playroom Comedor

Dormitorio Este

Galería


apagado de los equipos de aire acondicionado durante el periodo de monitoreo, como así también el horario de apertura de puertas y ventanas para ventilación.

La residencia se cerró durante dos semanas, del 16 al 29 de enero de 2010, debido a que los ocupantes viajaron por las vacaciones de verano. Todas las puertas , ventanas , postigones y cortinas estuvieron cerrados y los equipos de aire acondicionado apagados. El único local con ganancia solar directa sin protección fue la galería, que no cuenta con elementos de somb reado. Para el análisis se seleccionó el periodo comprendido entre el 20 y el 26 de enero, de forma que existen cinco días previos para asegurar que las temperaturas interiores en la vivienda evolucionan debido exclusivamente a las condiciones climáticas y que se eliminó cualquier variación de temperatura interior producida por el accionar de los habitantes.

Los resultados del monitoreo se pueden analizar en las Figuras 3 y 4. El periodo de monitoreo presenta temperaturas ambiente exteriores entre 18 y 35ºC, con una media de 25.2ºC. Es un periodo de cielos claros con alguna nubosidad durante las horas de la tarde. La irradiación solar sobre superficie horizontal al mediodía solar es del orden de 1000 W/m2. La velocidad media de viento en el periodo fue de 2.7m/s con dirección predominante N-NE. Durante la noche los vientos fueron calmos, con una media de 1.1m/s, excepto la noche del 24 de enero y madrugada del 25, en que la velocidad media alcanzó los 5.4m/s. Durante las horas diurnas la velocidad media de viento fue del orden de 3.5m/s.

Planta Baja - Desocupado

17

1921

23252729

3133

35

20/0100:00

20/0112:00

21/0100:00

21/0112:00

22/0100:00

22/0112:00

23/0100:00

23/0112:00

24/0100:00

24/0112:00

25/0100:00

25/0112:00

26/0100:00

Hora oficial

Tem

per

atu

ra (C

)

Exterior Cocina-comedor Living Galería Playroom

Figura 3 - Temperatura ambiente exterior y temperaturas interiores de la planta baja, monitoreadas entre el 20 y 26 de enero de 2010 con la vivienda desocupada.

Planta Alta - Desocupado

1719

2123

2527

293133

35

20/0100:00

20/0112:00

21/0100:00

21/0112:00

22/0100:00

22/0112:00

23/0100:00

23/0112:00

24/0100:00

24/0112:00

25/0100:00

25/0112:00

26/0100:00

Tem

pera

tura

(C

)

0300

600900

12001500

180021002400

2700

Irra

dia

ció

n s

ola

r (W

/m2)

Exterior Dormitorio Oeste Vestidor Dormitorio_Este Escritorio I (W/m2)

Figura 4 - Temperatura ambiente exterior, irradiación solar sobre superficie horizontal y temperaturas interiores de la planta alta, monitoreadas entre el 20 y 26 de enero de 2010 con la vivienda desocupada.


En el interior de la vivienda, las temperaturas interiores y las amplitudes térmicas fueron más altas en la galería y

el living. La galería oscila entre 25ºC y 31ºC, mientras que el living oscila entre 25ºC y 29ºC. En la galería, las altas temperaturas se deben principalmente a la ganancia solar directa proveniente de la gran área vidriada hacia el oeste (sin protección solar) y a que el techo de losa no tiene aislación térmica. En el living, se debe a la gran área de envolvente del living expuesta hacia el exterior con un coeficiente de absorción medio-alto (0.65 del ladrillo visto) y a la transferencia de calor por conducción desde la galería hacia el living a través del vidrio simple de las aberturas. La galería alcanza su temperatura máxima alrededor de las 19:00, que coincide con la hora a la que la temperatura exterior es similar a la de la galería. Esto significa que la galería debiera ventilarse recién a partir de las 19:00 y a lo sumo hasta las 10:00 de la mañana siguiente. El local con menor temperatura es el playroom, sin ganancia directa y sin área expuesta al exterior, debido a que linda con la residencia vecina. El resto de los locales de planta baja presentan muy bajas amplitudes térmicas y temperaturas entre 25 y 27ºC, mientras que los locales de planta alta se ubican 2ºC por encima, oscilando entre 27 y 29ºC en los días de mayor temperatura ext erior. La temperatura interior promedio de la vivienda fue de 27ºC y nunca descendió de 25ºC en ninguno de los locales monitoreados. 3.2. Simulación computacional mediante Energy Plus

Se utilizó este periodo para simular la vivienda, ajustando los datos medidos con los resultados de la simulación a fin de obtener un modelo térmico validado del edificio que sirviera para simu laciones posteriores bajo diferentes condiciones climáticas y de uso. La simulación térmica se realizó mediante el software EnergyPlus (versión 5.0 de abril de 2010), con las siguientes consideraciones:

- la vivienda se dividió en 9 zonas térmicas: Cocina (que incluye la cocina y el comedor), Living, Playroom, Sanitario y Galería; en la planta alta: Escritorio, Dormitorio Este, Vestidor (que incluye ambos baños y el pasillo central) y Dormitorio Oeste (ver Figura 1)

- se utilizaron datos meteorológicos monitoreados: temperatura exterior, velocidad y dirección de viento, humedad relativa, radiación global sobre superficie horizontal.

- la radiación normal al haz y la radiación difusa horaria sobre superficie horizontal (datos de ingreso obligatorio en Energy Plus) se calcularon separadamente, a partir de la radiación global horaria mediante el método de Liu Jordan y el modelo de Pérez (Duffie y Beckman, 1991).

- se consideró el sombreado de viviendas circundantes, árboles y aleros, los cuales fueron modelizados mediante la inclusión en EnergyPlus de superficies de sombreado.

- todos los locales se simularon mediante un nodo aire que representa la temperatura del volumen.

Ajustes con Energy Plus

15

20

25

30

35

Gal

ería

(C)

Medido Simulado

15

20

25

30

35

Liv

ing (C

)

Medido Simulado

15

20

25

30

35

20/01 21/01 22/01 23/01 24/01 25/01 26/01

Dorm

itorio

Est

e (C

)

Medido Simulado


Figura 5 - Datos medidos y simulados para tres zonas de la vivienda, para el periodo comprendido entre el 20 y el 26 de enero de 2010.

- se supuso una tasa de infiltración constante de 1 renovación de aire por hora para todas las zonas en contacto con

el exterior. - los coeficientes convectivos se fijaron en 6W/m2K para muros interiores. Los coeficientes convectivos restantes

se autocalculan mediante un modelo detallado incorporado en el software, que tiene en cuenta la velocidad y dirección del viento.

- los pisos se ingresaron como elementos con tres capas (cerámico, contrapiso de hormigón y 1m de tierra), por lo que se seleccionó diferencias finitas como algoritmo para el cálculo de balance de calor.

- se consideró la vivienda cerrada y desocupada, sin ganancias internas. - la simulación se realizó para el periodo completo (7 de enero al 16 de febrero de 2010). La Figura 5 muestra el ajuste obtenido para tres zonas representativas de la vivienda (20 al 26 de enero). Las

temperaturas horarias medidas y simuladas para el periodo en que la vivienda estuvo desocupada ajustan, en promedio, en el orden de 1ºC. Se considera que el ajuste es suficiente para tener validado el modelo térmico de la vivienda. 3.3. Estudio de la vivienda en periodo ocupado

A continuación, se seleccionaron los datos comprendidos entre el 2 y el 12 de febrero de 2010 para compararlos con los datos reales del monitoreo. Debido a que en este periodo la vivienda estuvo ocupada, la diferencia entre la simulación y los resultados del monitoreo se deberán exclusivamente al hábito de uso de la vivienda por parte de sus ocupantes. El periodo se seleccionó de forma que el edificio llevara al menos 5 días siendo habitado, a fin de que no contabilizar posibles sobrecalentamientos remanentes de cuando la vivienda estuvo desocupada.

Las estrategias de principales de enfriamiento utilizadas por los usuarios fueron: ventilación cruzada en la galería (durante la noche, todos los días), ventilación de la cocina-comedor y el living (esporádica, de 22:00 a 8:00), ventilación nocturna en el dormitorio este (de 21:00 a 24:00, debido a que es un dormitorio con niños pequeños) y aire acondicionado en intervalos cortos antes de la siesta, aire acondicionado en el escritorio durante las horas de la tarde (esporádico) y aire acondicionado y apertura de ventana en el dormitorio oeste. La Tabla 2 muestra los horarios de encendido y apagado del aire acondicionado y la apertura y cierre de ventanas durante el periodo estudiado.

Tabla 2. Horario de uso de los equipos de aire acondicionado y hora de apertura y cierre de ventanas para

ventilación.

Escritorio Galería Dormitorio Oeste Dormitorio Este Fecha A/C Ventana Puertas A/C Ventana A/C Ventana

02-feb 16:00 a 17:00 20:30 a 00:00 19:00 a 9:00 13:30 a 15:30 -- -- 22:00 a 23:00 03-feb -- 20:00 a 22:00 20:00 a 9:00 -- 20:00 a 04:30 13:50 a 14:20 --

04-feb 15:00 a 19:00 20:00 a 23:00 16:30 a 9:00 13:30 a 15:30; 20:30 a 00:00 -- 14:00 a 15:00 20:00 a 23:30

05-feb -- 20:30 a 22:00 19:00 a 9:00 14:30 a 15:30; 23:30 a 02:30 -- -- 22:00 a 23:30

06-feb -- -- 19:00 a 9:00 -- -- 13:30 a 14:30 22:30 a 00:00 07-feb -- 19:30 a 21:30 22:00 a 9:00 20:00 a 23:00 19:30 a 23:00 -- 19:30 a 23:00 08-feb 13:00 a 18:00 -- 16:00 a 9:00 13:30 a 15:30 21:30 a 06:30 13:50 a 14:20 19:30 a 00:00 09-feb 15:00 a 16:00 20:55 a 23:10 18:00 a 9:00 -- 20:00 a 08:00 -- 22:00 a 00:00 10-feb 17:00 a 18:30 20:25 a 23:10 16:30 a 9:00 14:00 a 15:30 -- 14:00 a 17:30 20:00 a 23:00 11-feb -- -- 19:00 a 9:00 -- -- -- 21:00 a 23:30 12-feb -- -- 20:00 a 9:00 -- -- -- 20:00 a 00:00 Las condiciones meteorológicas del nuevo periodo fueron más extremas, con temperaturas exteriores que

superaron los 36ºC y no bajaron de 20ºC, como se muestra en la Figura 6. La irradiación solar fue alta (ligeramente mayor a 1000W/m2) con cielos despejados, excepto para los días 9 y 10 de febrero en que hubo mayor nubosidad. La velocidad de viento fue, como es usual, mayor durante las horas diurnas, con velocidades medias de 4m/s.

Las Figuras 7 y 8 muestran las temperaturas interiores monitoreadas en planta alta y planta baja y cómo hubiera sido la evolución de la temperatura si la vivienda se hubiera encontrado desocupada. Las temperaturas promedio interiores para la vivienda desocupada y ocupada se volcaron en la Figura 9. Se concluye que la ocupación por parte de los usuarios contribuyó a descender la temperatura interior de la vivienda (2.5ºC en promedio en la planta baja y 2.3ºC en la planta alta). El efecto es más notorio en la galería, en donde se obtuvo un descenso de la temperatura media de 3ºC, seguida por el living, en estrecho contacto con ésta, con 2.6ºC. En la Figura 7 se observa el efecto de la ventilación


en la galería: el único día en que no se abrió la galería (7 de febrero) la temperatura alcanzó los 35ºC y durante la noche no descendió de 27ºC. El mismo efecto se observa en el living debido al fuerte acople existente entre ambas zonas.

Condiciones meteorológicas

20

25

30

35

40

Tem

per

atura

ext

erio

r (C

)

0

2

4

6

8

10

Vel

oc

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to (m

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0

200

400

600

800

1000

1200

1400

02/02 03/02 04/02 05/02 06/02 07/02 08/02 09/02 10/02 11/02 12/02 13/02

Irra

dia

ción S

ola

r (W

/m2)

Figura 6 - Temperatura ambiente exterior, velocidad de viento e irradiación solar sobre superficie horizontal para el periodo de estudio (2 al 12 de febrero de 2010).

Temperatura interior en Planta Baja

15

20

25

30

35

Gal

ería

(C)

Medido Simulado

15

20

25

30

35

02/02 03/02 04/02 05/02 06/02 07/02 08/02 09/02 10/02 11/02 12/02 13/02

Liv

ing

(C

)

Medido Simulado

Figura 7 - Temperaturas interiores de la planta baja, monitoreadas con la vivienda desocupada y simulada con la vivienda desocupada, entre el 2 y 12 de febrero de 2010.


Temperatura interior en Planta Alta

15

20

25

30

35D

orm

itori

o E

ste

(C)

Medido Simulado

15

20

25

30

35

02/02 03/02 04/02 05/02 06/02 07/02 08/02 09/02 10/02 11/02 12/02 13/02

Do

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Figura 8 - Temperaturas interiores de la planta baja, monitoreada (con la vivienda ocupada) y simulada (con la vivienda desocupada), entre el 2 y 12 de febrero de 2010.

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Cocina-comedor

Living Playroom Galería PLANTABAJA

DormitorioOeste

Vestidor DormitorioEste

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DESOCUPADO (simulado) OCUPADO (medido)

Figura 9 - Temperaturas promedio interiores para el periodo comprendido entre el 2 y el 12 de febrero de 2010, sin

ocupación (simulado) y bajo condiciones reales de uso (medido). Temperatura media exterior: 26.9ºC.

En la planta alta (Figura 8), el dormitorio Este acusa disminuciones de temperatura de casi 4ºC debido a la ventilación nocturna, pero debido al corto periodo de tiempo (21:00 a 24:00), no se alcanza a ventilar la masa térmica y al momento de cerrar la puerta-ventana la temperatura sube inmediatamente. Este efecto se observa en el detalle de la Figura 8 para el día 7 de febrero. Los ocupantes cierran la puerta por dos motivos: porque en el dormitorio duermen niños pequeños que se despiertan con los ruidos de la calle y la luminosidad de los artefactos de iluminación, y para prevenir el ingreso de tierra proveniente de la calle sin pavimento. En el caso del dormitorio oeste, ese mismo día, se abrieron las ventanas para estudiar si la corriente de aire que entra por el dormitorio Este y sale por la ventana oeste alcanza para refrescar el dormitorio, encontrándose que la disminución es de apenas 1ºC, subiendo inmediatamente en el momento en que se cierra la puerta. Por esta razón, la única manera de refrescar el dormitorio Oeste es mediante acondicionamiento mecánico.

Finalmente, en la Figura 10 se puede analizar el porcentaje de horas en que la temperatura interior en cada zona supera los 27ºC (límite de confort propuesto por ASHRAE para clima seco). Si la vivienda estuviera desocupada, sin ventilación natural, la temperatura de todos los locales superaría los 27ºC durante más del 80% del día, excepto el playroom. Si se analiza el caso de la vivienda ocupada, nuevamente es notorio el efecto de la ventilación en la planta baja (donde no existe acondicionamiento mecánico), en donde la galería pasa a tener temperaturas altas solamente un 40% del día, el living un 27%, la cocina-comedor un 17% y el playroom pasa a estar en confort térmico todo el periodo. En la planta alta, de prácticamente un 100% de las horas con temperaturas altas se pasó a valores que oscilan entre el 50% y el 70%.


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Figura 10 - Porcentaje de horas en que la temperatura interior supera los 27ºC, para el periodo comprendido entre el 2 y el 12 de febrero de 2010, sin ocupación (simulado) y bajo condiciones reales de uso (medido).

4. CONCLUSIONES

En este trabajo se analiza el efecto del comportamiento de los usuarios en la temperatura interior de una vivienda

en la ciudad de Salta, en el noroeste de Argentina, mediante monitoreo experimental y simulación computacional, realizada mediante el software Energy Plus. El software resultó adecuado para estudiar el comportamiento térmico de la vivienda en estado transitorio, cuando ésta se encuentra desocupada. Del análisis realizado, se concluye que la ocupación por parte de los usuarios contribuyó a descender la temperatura interior de la vivienda en aproximadamente 2.5ºC en la planta baja y 2.3ºC en la planta alta. El efecto es más notorio en la galería, en donde se obtuvo un descenso de la temperatura media de 3ºC, seguida por el living, en estrecho contacto con ésta, con 2.6ºC.

Las bajas velocidades de viento durante la noche dificultaron la ventilación del dormitorio Oeste, pero fueron suficientes para la ventilación del dormitorio Este, el living y la galería. La presencia de los usuarios y el adecuado comportamiento referido a la ventilación natural produjo que, el 86% de horas en disconfort (total de la vivienda sin ocupación) se redujera a un 33%, valor que significa una importante reducción si se tiene en mente que se debe principalmente al correcto uso de la ventilación, puesto que los equipos convencionales de refrigeración no se utilizaron en forma permanente sino discontinua. Es notorio el efecto de la ventilación en la planta baja (donde no existe acondicionamiento mecánico), en donde la galería pasa a tener temperaturas altas solamente un 40% del día, el living un 27%, la cocina-comedor un 17% y el playroom pasa a estar en confort térmico todo el periodo. En la planta alta, de prácticamente un 100% de las horas con temperaturas altas se pasó a valores que oscilan entre el 50% y el 70%.

Debido a la fuerte conexión existente entre la galería y el living, cualquier medida tendiente a reducir la temperatura en la galería repercutirá favorablemente en el living. Por ello se sugirió a los ocupantes la utilización de elementos de sombreado en la galería (parasoles) y la construcción de una pérgola con material vegetal en la terraza ubicada sobre la losa de la galería, la cual beneficiaría no sólo a la galería sino al dormitorio Oeste, al producir sombreado sobre el muro norte de dicho dormitorio. Además, se sugirió la posibilidad de utilizar ventilación cruzada en este dormitorio, mediante la apertura de un ventiluz en la parte superior de la pared contraria al aventanamiento del dormitorio. En el caso del dormitorio Este, se sugirió a los ocupantes buscar la manera de ventila r durante toda la noche, lo cual favorecería en gran medida el confort térmico de esta habitación.

Si bien los resultados no son extrapolables a todas las viviendas del mismo tipo, las conclusiones obtenidas constituyen una buena aproximación para comprender la importancia del comportamiento de los ocupantes respecto del manejo del ambiente interior de una vivienda y su incidencia en el consumo energético. Agradecimientos

Los autores desean agradecer al Sr. Ricardo Echazú y al Dr. Germán Salazar por los datos meteorológicos. Este trabajo fue parcialmente financiado por CIUNSA Nº1699 y ANPCYT PICTO 2005 Nº32140.

REFERENCIAS Al-Mumin A., Khattab O., Sridhar G. 2003. Occupants’ behavior and activity patterns influencing the energy

consumption ini the Kuwaiti residences. Energy and Buildings, vol. 35, n. 6, pp. 549-559. Bae C., Chun C. 2009. Research on seasonal indoor thermal environment and residents’ control behavior of cooling and

heating systems in Korea. Building and Environment, vol. 44, n. 11., pp. 2300-2307. Baker N., Standeven M. 1996. Thermal comfort for free-running buildings. Energy and Buildings, vol. 23, pp.175-182.


Filippín C., Flores Larsen S., Beascochea A., Lesino G. 2005. Response of convencional and energy-saving buildings to design and human dependent factors. Solar Energy, vol. 78, n. 3, pp. 455-470.

Geun Young Yun, Tuohy P., Steemers K. 2009. Thermal performance of a naturally ventilated buildins using a combined algorithm of probabilistic occupant behaviour and deterministic heat and mass balance models. Energy and Buildings vol. 41, n. 5, pp. 489-499.

Go Iwashita, Hiroshi Akasaka. 1997. The effects of human behaviour on natural ventilation rate and Indro air environment in summer – a field study in southern Japan. Energy and Buildings, vol. 25, pp. 195-205.

Haldi F., Robinson D. 2008. On the behaviour and adaptation of office occupants. Building and Environment, vol. 43, pp. 2163-2177.

Herkel S., Knapp U., Pfafferot J. 2008. Towards a model of user behaviour regarding the manual control of windows in office buildings. Buildings and Environment, vol. 43, pp. 588-600.

Indraganti, M. 2010. Adaptive use of natural ventilation for thermal comfort in Indian apartments. Building and environment, vol. 45, n. 6, pp. 1490-1507.

Kubota T., Chyee D.T.H., Ahmad S. 2009. The effects of night ventilation technique on indoor thermal environment for residential buildings in hot-humid climate of Malaysia. Energy and Buildings, vol. 41, pp. 829-839.

Nicol J.F. 2001. Characterising occupant behavior in buildings: towards a stochastic model of occupant use of windows, lights, blinds, heaters and fans. En: Proceedings of the Seventh International IBPSA Conference 2001, Río de Janeiro, Brasil, pp. 1073-1078.

Norma IRAM 11603, 1993. Acondicionamiento térmico de edificios. Clasificación bioambiental de la República Argentina.

Papakostas K.T., Sotiropoulos B.A. 1997. Occupational and energy behaviour patterns in Greek residences. Energy and Buildings, vol. 26, pp. 207-213.

Rijal H.B., Tuohy P., Humphreys M.A., Nicol J.F., Samuel A., Clarke J. 2007. Using results from field surveys to predict the effect of open windows on thermal comfort and energy use in buildings. Energy and Buildings vol. 39, n. 7, pp. 823-836.

Schweiker M. y Shukuya M. 2009. Comparison of theoretical and statistical models of air-conditioning-unit usage behaviour in a residential setting under Japanese climatic conditions. Building and Environment, vol. 44, n. 10, pp. 2137-2149.

OCCUPANTS INCIDENCE IN THE SUMMER THERMAL BEHAVIOUR OF A RESIDENTIAL BUILDING

IN THE ARGENTINEAN NORTHWEST

Abstract. This paper analyses the influence of the occupants’ behaviour in the indoor temperature of a family house placed in Salta city, at the Argentinean Northwest. Experimental monitoring and computer simulation through Energy Plus software were used. Firstly the thermal model of the building is validated with experimental data, then the thermal behaviour of the house under occupancy is analysed and compared with the thermal response the house should have if it was unoccupied. Significative differences around 2.5ºC in indoor temperatures were found. Key words: Thermal Simulation, Energy Plus, Energy Efficiency

LA INCIDENCIA DE LOS USUARIOS EN ELCOMPORTAMIENTO TÉRMICO DEVERANO DE UNA VIVIENDA EN EL

NOROESTE ARGENTINO

Sil Fl L C li Fili í G i l L iSilvana Flores Larsen, Celina Filippín y Graciela Lesino

E-Mail: [email protected]

INENCO - Universidad Nacional deSalta - CONICET

METODOLOGIAVivienda desocupada:

1. Monitoreo de la vivienda en periodo desocupado.

OBJETIVOSAnalizar el efecto del comportamiento de los usuarios en la temperaturainterior de verano de una vivienda en la ciudad de Salta, en el noroeste deArgentina, mediante monitoreo experimental y simulación computacional(software EnergyPlus).

2. Simulación computacional mediante Energy Plus.

3. Ajuste de datos medidos y simulados.

Vivienda ocupada:

4. Monitoreo de la vivienda en condiciones de ocupación.

5. Simulación de la vivienda en condiciones de no-ocupación.

6. Comparación de resultados. Las diferencias corresponden alcomportamiento de los usuarios.

Localización geográfica

Salta

Fachada

Contrafachada

Planta y cortes de la vivienda

Descripción del edificioSuperficie cubierta de 180m2distribuida en dos plantas

Muros de ladrillo macizo de 30cm de espesor

Techos a doble agua de madera con 5cm deaislación.

Carpintería de madera de doble contacto.

Ventanas con vidrios dobles en la plantaalta

Equipos de refrigeración tipo Split:

Dormitorio Este: 3300 frigorías

Dormitorio Oeste: 2250 frigorías

Escritorio: 3500 frigorías

1. Monitoreo Periodo: 7 de enero al 16 de febrero de 2010.

La vivienda estuvo desocupada entre el 16 y el 29 de enero.

Cada 15 minutos se midió:

- Condiciones climáticas (temperatura y radiación solar).

- Temperatura en los ambientes interiores

Periodo desocupadoPlanta Baja - Desocupado

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Exterior Cocina-comedor Living Galería Playroom

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Exterior Cocina comedor Living Galería Playroom

-Planta baja: temperaturas entre 25 y 27ºC (local con mayor temperatura: galería).-Planta alta: 2ºC por encima de los anteriores.-Temperatura interior promedio: 27ºC.

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Exterior Dormitorio Oeste Vestidor Dormitorio_Este Escritorio I (W/m2)

2. Simulación con Energy Plus-9 zonas térmicas: 5 en planta baja y 4 en planta alta.

-Se utilizaron datos meteorológicos monitoreados, excepto radiación normalal haz y radiación difusa, que se calcularon a partir de la radiación globalhoraria medida, utilizando el método de Liu Jordan.

-Se consideró el sombreado de viviendas circundantes, árboles y aleros.y

-Se supuso una tasa de infiltración constante de 1 renovación de aire por horapara todas las zonas en contacto con el exterior.

- Los coeficientes convectivos se fijaron en 6W/m2K para muros interiores.Los coeficientes convectivos restantes se autocalculan en el soft.-Los pisos se ingresaron como elementos con tres capas (cerámico, contrapisode hormigón y 1m de tierra).

- Se consideró la vivienda desocupada, sin ganancias internas.

Ajustes con Energy Plus

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3. Ajuste de la simulación

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4. Periodo ocupadoTemperatura interior en Planta Baja

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Medido Simulado

Temperaturas interiores de la planta baja, monitoreadas con la vivienda desocupada ysimulada con la vivienda desocupada, entre el 2 y 12 de febrero de 2010.

4. Periodo ocupadoTemperatura interior en Planta Alta

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Temperaturas interiores de la planta alta, monitoreadas con la vivienda desocupada ysimulada con la vivienda desocupada, entre el 2 y 12 de febrero de 2010.

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02/02 03/02 04/02 05/02 06/02 07/02 08/02 09/02 10/02 11/02 12/02 13/02

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5. Comparación

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La ocupación por parte de los usuarios contribuyó a descender la temperatura interiorde la vivienda (2.5ºC en promedio en la planta baja y 2.3ºC en la planta alta).

Es notorio el efecto de la ventilación en la planta baja (donde no existeacondicionamiento mecánico), principalmente en la galería, en donde se obtuvo undescenso de la temperatura media de 3ºC, seguida por el living, en estrecho contactocon ésta, con 2.6ºC.

5. ComparaciónEl 86% de horas en disconfort (total de la vivienda sin ocupación) se reducea un 33% para la vivienda ocupada, debido principalmente al correcto uso dela ventilación, puesto que los equipos convencionales de refrigeración no seutilizaron en forma discontinua.

La galería pasa a tener temperaturas altas solamente un 40% del día, el livingun 27%, la cocina-comedor un 17% y el playroom pasa a estar en conforttérmico todo el periodo. En la planta alta, de prácticamente un 100% de las

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Exterior Cocina-comedor

Living Playroom Galería DormitorioOeste


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horas con temperaturas altas se pasó a valores que oscilan entre el 50% y el70%.

Conclusiones- La ocupación por parte de los usuarios contribuyó a descender la temperaturainterior de la vivienda (2.5ºC en promedio en la planta baja y 2.3ºC en la plantaalta).

-Se obtuvieron descensos en la temperatura promedio de hasta 3ºC debidoexclusivamente a la ventilación natural.

-Las bajas velocidades de viento durante la noche dificultaron la ventilación deldormitorio Oeste, pero fueron suficientes para la ventilación del dormitorioEste, el living y la galería.

- La presencia de los usuarios y el adecuado comportamiento referido a laventilación natural produjo que, el 86% de horas en disconfort (total de lavivienda sin ocupación) se redujera a un 33%, valor que significa unaimportante reducción si se tiene en mente que se debe principalmente alcorrecto uso de la ventilación, puesto que los equipos convencionales derefrigeración no se utilizaron en forma discontinua.

Conclusiones

-Para mejorar el comportamiento térmico de verano, se sugirió a los ocupantes:

la utilización de elementos de sombreado en la galería (parasoles) la construcción de una pérgola con material vegetal en la terraza ubicadasobre la losa de la galeríautilizar ventilación cruzada en este dormitorio, mediante la apertura de un, pventiluz en la parte superior de la pared contraria al aventanamiento deldormitorio.ventilación nocturna en el dormitorio Este

- Si bien los resultados no son extrapolables a todas las viviendas del mismotipo, las conclusiones obtenidas constituyen una buena aproximación paracomprender la importancia del comportamiento de los ocupantes respecto delmanejo del ambiente interior de una vivienda y su incidencia en el consumoenergético.

Muchas gracias

INENCO – CONICET

Universidad Nacional de Salta

Argentina

INENCO-InstitutodeInvestigaciones ... · probabilísticos de MonteCarlo y Markov. Herkel et al....

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