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Disminuci�n de temperatura interna de una vivienda de inter�s social mediante el uso de enfriamiento pasivo

 

Reduce the internal temperature of a social interest house�s throught the use of passive cooling

 

Diminui��o da temperatura interna de uma habita��o social atrav�s do uso de refrigera��o passiva

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: dmoreira9528@utm.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 23 de septiembre de 2022 *Aceptado: 18 de octubre de 2022 * Publicado: 21 de noviembre de 2022

 

        I.            Ingeniero Civil, Estudiante de la Maestr�a en Ingenier�a Civil Menci�n Construcci�n de Vivienda de Inter�s Social, Instituto de Posgrado de la Universidad T�cnica de Manab�, Gerente de Proyectos de la Constructora de Soluciones Inmobiliarias TEODANMAR C.L. Investigador Independiente, Portoviejo, Manab�, Ecuador.

      II.            Ingeniera Civil Mag�ster Scientiarum en Energ�a, Docente Principal Tiempo Completo Departamento de Construcciones Civiles, Facultad de Ciencias Matem�ticas F�sicas y Qu�micas, Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Manab�, Ecuador.

 

 

 

 

 

Resumen

Se propone un dise�o para el enfriamiento pasivo de una tipolog�a de vivienda de inter�s social en Manta, Ecuador aprovechando el potencial t�rmico del suelo y del agua. Se utiliz� un enfoque mixto cuantitativo-cualitativo, se consideraron m�todos num�ricos para cuantificar los valores de disminuci�n de temperatura, se hizo el dise�o del sistema de ducto de enfriamiento pasivo y dem�s par�metros de confort y se emple� un sistema de captaci�n por ventilaci�n pasiva y de ductos de tuber�as de PVC enterrados a 3 metros de profundidad, distancia desde el suelo con diferencias de temperatura de hasta 8.7 �C en relaci�n a la temperatura m�xima promedio exterior, el caudal de renovaci�n de aire requerido para la vivienda estudiada fue de 76.64 m3/hr. Se realizaron los c�lculos para una velocidad de 3m/s. Se logran las temperaturas requeridas para mejorar el confort t�rmico de la vivienda con una longitud te�rica de 24m y 100mm de di�metro con el cual se disminuye la temperatura interior de 29 �C a 24 �C. Se logr� adaptar el sistema de enfriamiento pasivo dise�ado con tubos enterrados a la vivienda de inter�s social tipolog�a 1 de la urbanizaci�n Renacer en Manta con �xito, ya que en el estudio de idealiz� que la temperatura del suelo no var�a se utiliz� la cisterna existente considerando que el agua tiene una capacidad cal�rica e inercia t�rmica mayor a la del suelo.

Palabras clave: Viviendas Sociales; Enfriamiento Pasivo; Captador; Temperatura; Potencial T�rmico.

 

Abstract

A design for the passive cooling of a type of low-income housing in Manta, Ecuador is proposed, taking advantage of the thermal potential of the soil and water. A mixed quantitative-qualitative approach was used, numerical methods were considered to quantify the temperature decrease values, the design of the passive cooling duct system and other comfort parameters was made, and a passive ventilation capture system was used. PVC pipe ducts buried 3 meters deep, distance from the ground with temperature differences of up to 8.7 �C in relation to the maximum average outdoor temperature, the air renewal flow required for the studied dwelling was 76.64 m3/ hr. Calculations were made for a speed of 3m/s. The temperatures required to improve the thermal comfort of the house are achieved with a theoretical length of 24m and 100mm in diameter with which the interior temperature is decreased from 29 �C to 24 �C. It was possible to adapt the passive cooling system designed with buried tubes to the social housing type 1 of the Renacer urbanization in Manta successfully, since in the study it was idealized that the soil temperature does not vary, the existing cistern was used considering that Water has a higher heat capacity and thermal inertia than soil.

Keywords: Social Housing; Passive Cooling; getter; Temperature; Thermal Potential.

 

Resumo

Prop�e-se um projeto de resfriamento passivo de um tipo de habita��o popular em Manta, Equador, aproveitando o potencial t�rmico do solo e da �gua. Foi utilizada uma abordagem quantitativa-qualitativa mista, foram considerados m�todos num�ricos para quantificar os valores de diminui��o da temperatura, foi feito o dimensionamento do sistema de condutas de refrigera��o passiva e outros par�metros de conforto e foi utilizado um sistema de capta��o de ventila��o passiva. profundidade, dist�ncia do solo com diferen�as de temperatura de at� 8,7 �C em rela��o � temperatura m�dia externa m�xima, o fluxo de renova��o de ar necess�rio para a habita��o estudada foi de 76,64 m3/h. Os c�lculos foram feitos para uma velocidade de 3m/s. As temperaturas necess�rias para melhorar o conforto t�rmico da casa s�o alcan�adas com um comprimento te�rico de 24m e 100mm de di�metro com o qual a temperatura interior � diminu�da de 29 �C para 24 �C. Foi poss�vel adaptar com sucesso o sistema de resfriamento passivo projetado com tubos enterrados � habita��o social tipo 1 da urbaniza��o Renacer em Manta, pois no estudo foi idealizado que a temperatura do solo n�o varie, a cisterna existente foi usada considerando que a �gua tem uma maior capacidade de calor e in�rcia t�rmica do que o solo.

Palavras-chave: Habita��o Social; Resfriamento Passivo; getter; Temperatura; Potencial T�rmico.

 

Introducci�n

La vivienda es un mini ecosistema humano y las personas pasan cada vez m�s tiempo dentro de sus viviendas, gracias a la tendencia en crecimiento de la flexibilidad laboral con las modalidades FreeLancing, en el contexto de la pandemia mundial que a la fecha de la generaci�n de este documento a�n se encuentra dictando la forma de vida de la humanidad, la vivienda se torna el eje central de la vida de muchas personas ya sea por el teletrabajo o por salvaguardar su salud siendo los dise�os de estas viviendas influencias directas en la percepci�n de comodidad de las familias que cobijan dictando incluso la cantidad de tiempo que las personas eligen pasar en confinamiento. En las viviendas de inter�s social, cuyas caracter�sticas cambian en torno a las pol�ticas p�blicas y definiciones locales, las satisfacciones de sus familias habitantes suelen estar correlacionadas con las prestaciones brindadas que se maximizan con escenarios como el confinamiento por pandemia, en M�xico en VIS ubicadas en Culiac�n la insatisfacci�n por sus viviendas en confinamiento lleg� a �nada� en un 5.5% de sus habitantes de 18 a 24 a�os y 13.6% de sus habitantes de entre 41 y 50 a�os (L�pez, 2021) A mayor cantidad de tiempo dentro del hogar aumenta la necesidad de contar con un ambiente cuyos par�metros de confort sean �ptimos para el cuerpo humano. En pa�ses tropicales cuyas temperaturas implican una constante b�squeda de confort t�rmico los sistemas de aclimataci�n significan un eje crucial en los hogares. Existen m�todos de aclimataci�n pasiva probados mediante la simulaci�n por computadora del comportamiento interno del flujo de aire ingresado a una vivienda por captaci�n pasiva, deben ser estudiadas las condiciones internas y externas de la vivienda (Hern�ndez & Ortiz, 2017). Dispositivos como el Eco-cooler desarrollado hacia comunidades de escasos recursos asentadas en localidades cuyas altas temperaturas afectan el confort t�rmico para el interior de sus viviendas y, que debido a sus caracter�sticas econ�micas o de ubicaci�n remota les significa inalcanzable una soluci�n de climatizaci�n tradicional como los aires acondicionados o ventiladores, se presentan como soluciones innovadoras ya que, este por ejemplo consiste en la utilizaci�n de los principios de enfriamiento pasivo: ubicado en un punto de la vivienda de m�xima velocidad para el ingreso del viento, la cara de la botella recortada con el �rea mayor se encuentra en la direcci�n contraria a la del viento produciendo una compresi�n del viento al ingresar y luego una expansi�n abrupta del mismo (Ch, et al 2018). Los aplicativos de las torres de viento representan tambi�n el sustento de la premisa que la distribuci�n espacial interna adecuada aporta al enfriamiento de espacios una vez implementado un captador eficaz de ventilaci�n pasiva, as� mismo, un h�brido entre torre de enfriamiento que atraviese un dep�sito de aguas subterr�neas (cisterna en caso de viviendas) representa un ahorro energ�tico del 70% compar�ndolo con un mini Split promedio (Brice�o-Benard, 2018). Se considera el enfriamiento geot�rmico como una herramienta en la implementaci�n de enfriamientos pasivos en hogares con buenos resultados en la arquitectura bioclim�tica en ambientes �ridos, a profundidades de tres metros existen diferencias de temperatura de 8.7�C entre el aire externo y la tierra (C�nsulo et al., 2019). En pa�ses con climas similares al de Ecuador como M�xico, con el crecimiento inmobiliario surgieron casas cuyos dise�os no aportan al confort t�rmico de sus habitantes, propiciando el uso excesivo de acondicionadores de aire lo cual resulta en un perjuicio para el medio ambiente, a�ade valores a su costo de vida. Esto ocurre en los periodos de alto crecimiento del mercado inmobiliario caracterizado por la construcci�n de viviendas en serie que no incluyen criterios de sostenibilidad (Marincic et al. 2012). La temperatura considerada por el �ndice P.E.T, Equivalente de Temperatura Psicol�gica, como sensaci�n t�rmica de confort es� 18�23�C (Johansson & Yahia, 2012), en Manta la temperatura promedio �m�xima fue 29 �C . ( � WeatherSpark.com, 2022). En Ecuador ya existen estudios que integran la posibilidad de aumentar el confort t�rmico de las viviendas con m�todos sostenibles, en Cuenca en un estudio de posgrado se determinaron los lineamientos base para un dise�o con considerable confort higrot�rmico para el clima de la sierra y fue evaluado mediante programaci�n por computadora (Navas & Xavier, 2018). Localmente las tipolog�as de vivienda ofertadas al p�blico de forma privada o gubernamental para dar soluci�n al d�ficit habitacional solo se distinguen por variaciones del �rea m�s no integrando cambios significativos en la distribuci�n espacial. En el a�o 2018 la empresa MarketWatch realiz� un estudio inferencial mediante entrevistas en la ciudad de Quito y determin� la distribuci�n espacial con mayor inter�s a compra, siendo �sta una vivienda con tres dormitorios y dos ba�os completos (www.marketwatch.com.ec 2018). Entonces l�gicamente la mayor�a de proyectos inmobiliarios, no var�an sus criterios de dise�o al concebir la vivienda solo como un producto. Estos dise�os arquitect�nicos se convierten en un objetivo perfecto para aclimatar implementando alternativas que contribuyan al confort t�rmico dentro de las viviendas familiares al mismo tiempo que sean econ�micamente sustentables, y sostenibles ecol�gicamente.

La investigaci�n llevada a cabo tuvo como objetivo presentar un dise�o de enfriamiento pasivo para disminuir la temperatura interna de la tipolog�a de la vivienda mediante un sistema de captaci�n del aire externo a la vivienda, un sistema de tubo enterrado que transporte el aire externo hacia la zona com�n de la vivienda (sala- comedor) y as� disminuir la temperatura interna de la vivienda aprovechando la p�rdida de calor por transferencia hacia el suelo a menor temperatura.

 

 

Metodolog�a

Tipo de investigaci�n

Se presenta un enfoque mixto cuantitativo-cualitativo, se consideraron m�todos num�ricos para cuantificar los valores de disminuci�n de temperatura, dise�o del sistema de ducto de enfriamiento pasivo y dem�s par�metros de confort.

 

Tareas de investigaci�n

Las tareas de la investigaci�n que se realizaron fueron las siguientes:

�         Seleccionar la tipolog�a de vivienda en la cual se adapt� el captador considerando distribuciones espaciales acordes a la aceptaci�n y realidad inmobiliaria de Manta.

�         Dise�ar el sistema de enfriamiento pasivo mediante ductos enterrados calculando los esquemas propuestos en funci�n la varianza de la temperatura interna de la tipolog�a de inter�s social.

 

M�todos, t�cnicas y procedimientos de investigaci�n

Mediante el an�lisis s�ntesis se analizaron dise�os de captadores de ventilaci�n pasiva estudiados por diversos autores.

Mediante el m�todo hist�rico l�gico se seleccion� la tipolog�a de vivienda a adaptar, sistema considerando distribuciones espaciales acordes a la realidad inmobiliaria de Manta. El an�lisis de la temperatura y humedad �ptimas para una sensaci�n t�rmica de confort se bas� en estudios cualitativos existentes. En base a la informaci�n recopilada se dise�� el dispositivo con los principios enfriamiento pasivo de la torre de viento y par�metros de ingreso aerodin�mico de ventilaci�n pasiva.

 

Resultados y discusi�n

Caso de estudio

Se seleccion� como caso de estudio a la Urbanizaci�n Renacer al ser un conjunto de viviendas de inter�s social calificado por el ente regulador de h�bitat y vivienda ecuatoriano (Miduvi, 2021) tambi�n se tom� en consideraci�n que su costo por metro cuadrado a la venta es $569.57, es decir 1.34 salarios b�sicos unificados ecuatorianos. La tipolog�a de estudio es la vivienda �1�, una vivienda unifamiliar de un piso pareada en uno de sus costados, cuenta con 48.60m2 y una cisterna de 7.68m3, construida en un sistema de muros portantes y con cubierta met�lica, de tres habitaciones y un ba�o. Est�n distribuidas mediante manzanas. Mediante una visita de campo se recopilaron las medidas internas y externas de la vivienda.

 

Captador de viento

El captador de viento para el sistema propuesto es fijo, obedece al principio de diferencia de presiones de aire que impacta contra las paredes del cerramiento; es c�ncava y no alineada al eje del ducto. Est� ubicada a 20 cent�metros desde el ducto de ingreso. Este dise�o es eficaz para velocidades de 1 a 4 m/s. (Sanchez et al., 2012). Se debe colocar un filtro de aire en la entrada del captador de viento, que se cambiar�a en funci�n a su vida �til.

 

Figura 1: Distribuci�n de la tipolog�a de vivienda caso de estudio, Ilustraci�n elaborada por el autor.

Acorde a la NEC Eficiencia Energ�tica en Edificaciones Residenciales (EE) -2018 el caudal de la vivienda es calculado en funci�n al requerimiento de aire fresco mediante la metodolog�a ASHRAE 62.2:

𝑄𝑡𝑜𝑡 = 0.15𝐴𝑝𝑖𝑠𝑜 + 3.5(𝑁𝑑𝑜𝑟𝑚 + 1)

Y el c�lculo espec�fico del caso de estudio ser�a:

�

Se considera un ducto de tuber�a de PVC de 100mm y espesor de pared de tuber�a de 2mm siendo su conductividad t�rmica 0.17W/m*k.

La velocidad dentro del ducto de es 3m/s para este caso.

Por lo tanto, el caudal total es mayor al caudal necesario se necesitar�a 1 ducto:

Se procedi� a calcular la temperatura media del conducto (temperatura del aire dentro de la tuber�a de transporte aire exterior hacia el interior):

Se consider� como temperatura del aire exterior (Tae) la temperatura m�xima promedio de la estaci�n meteorol�gica m�s cercana siendo 29 �C y como temperatura de salida del ducto (Tas) se consider� 24 �C como temperatura para mejorar las condiciones internas de confort de la vivienda

Para el c�lculo de resistencia de conducci�n (Rcond) del tubo se toma el espesor de la pared de la tuber�a de PVC y se lo relaciona con la conductividad t�rmica del material:

La siguiente f�rmula se utiliza para el c�lculo de la resistencia de convecci�n y se encuentra en funci�n a la velocidad del aire:

Por lo tanto, la resistencia t�rmica del conducto (tuber�a) resulta de la suma entre la resistencia de conducci�n y convecci�n:

Otros par�metros necesarios a considerar son la entalpia del aire seco y el volumen espec�fico del aire tanto para el aire de entrada (29 �C) y para el aire de salida (24 �C). Se utiliz� la herramienta Diagrama Psicom�trico ya que permite calcular cualquier par�metro de confort higrot�rmico conociendo al menos tres par�metros (Baruch, 1969), de los cuales se pudo partir con la elevaci�n de la ubicaci�n de estudio con relaci�n al nivel del mar, la temperatura de bulbo seco de entrada y salida y la humedad relativa para el periodo m�s caluroso en Manta:

Obteniendo as� la energ�a que se debe extraer dentro del ducto para llegar la temperatura de dise�o (Ee). A continuaci�n, se calcul� el �rea para el intercambio energ�tico:

Finalmente, para obtener la longitud (L) de la tuber�a del sistema:

El proceso previamente explicado se realiz� de forma iterativa hasta encontrar longitudes acordes a las condiciones reales del caso de estudio considerando las siguientes limitantes: el terreno en el cual se ubican las viviendas tipo 1 es regular siendo de 7metros de frente por 15 metros de fondo y los di�metros m�s usados localmente en tuber�as de PVC, con una pendiente del 1% para drenar las part�culas de agua de condensaci�n y su drenaje respectivo. Teniendo ya la longitud necesaria del ducto de enfriamiento pasivo, se procedi� a ubicar dentro del emplazamiento de la vivienda y su terreno tomando en consideraci�n el dise�o existente, en el punto de salida del sistema se ubicar� un extractor de aire con regulador de velocidad de 1 a 3 m/s.

 

Figura 2: Esquema de la propuesta ducto enterrado, elaborado� por el autor.

 

Conclusiones

El captador de viento adecuado y simplificado para el sistema propuesto es fijo, debe ser c�ncavo y no alineada al eje del ducto y ubicarse a 20 cent�metros desde el ducto de ingreso funciona para este y todo dise�o en velocidades de 1 a 4 m/s. (Sanchez et al., 2012).

El caudal obtenido en el sistema con una velocidad de 3 m/s fue de 95.43 m3/s con la cual se logr� una temperatura interna de 24�C siendo la disminuci�n m�xima de temperatura posible te�ricamente 5�C, si las velocidades en el flujo llegaran a disminuir no representar�a un inconveniente ya que el requerimiento de caudal es 76.64 m3/s. Se logr� adaptar el sistema de enfriamiento pasivo dise�ado con tubos enterrados a la vivienda de inter�s social tipolog�a 1 de la urbanizaci�n Renacer en Manta con �xito, ya que en el estudio de idealiz� que la temperatura del suelo no var�a se utiliz� la cisterna existente considerando que el agua tiene una capacidad cal�rica e inercia t�rmica mayor a la del suelo.

 

Referencias

1.      Baruch, G. (1969). Man, climate, and architecture (Vol. 1). Elsevier. https://www.amazon.com/Climate-Architecture-Elsevier-architectural-science/dp/0444200398

2.      Brice�o-Benard, I. (2018). Prototipo de sistema de torre de viento para enfriamiento habitacional h�brido en clima c�lido. Caso de estudio vivienda urbana en Sinaloa, M�xico.

3.      Ch, B., Mummina, V., & V, M. chakravarthi. (2018). Performance Evaluation of an Eco-Cooler analysed by varying the Physical and flow Parameters. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 377, 012024. https://doi.org/10.1088/1757-899X/377/1/012024

4.      C�nsulo, M., Kurb�n, A., Tosetti, S., & Montilla, E. (2019). POTENCIAL DE ENFRIAMIENTO GEOT�RMICO PARA EDIFICACIONES EN ZONA �RIDA. Revista h�bitat sustentable, 9(2), 42-51. https://doi.org/10.22320/07190700.2019.09.02.04

5.      Hern�ndez, P. P., & Ortiz, J. L. L. (2017). INCREMENTO DEL CONFORT T�RMICO EN LAS VIVIENDAS DEL ESTADO GUANAJUATO A TRAV�S DE ENFRIAMIENTO PASIVO. J�VENES EN LA CIENCIA, 3(2), 2608-2612.

6.      Johansson, E., & Yahia, M. W. (2012). 387: Improving outdoor thermal comfort in warm-humid Guayaquil, Ecuador through urban design. ICUC8-8th International Conference on Urban Climates, 6-10.

7.      L�pez, M. V. (2021). Habitabilidad de la vivienda en tiempos de pandemia por Covid-19 en M�xico. El caso de Culiac�n. EHQUIDAD. Revista Internacional de Pol�ticas de Bienestar y Trabajo Social, 15, Art. 15. https://doi.org/10.15257/ehquidad.2021.0004

8.      Marincic, I., Ochoa, J. M., & R�o, J. A. del. (2012). Confort t�rmico adaptativo dependiente de la temperatura y la humedad. ACE: architecture, city and environment, 7(20), 27-46.

9.      Navas, B., & Xavier, B. (2018). Estrategias de dise�o pasivo para brindar confort higro-t�rmico en un modelo de vivienda m�nima de la ciudad de Cuenca. http://dspace.ucacue.edu.ec//handle/reducacue/8074

10.  Sanchez, J., Salmer�n, J. M., Sanchez, F. J., Alvarez, S., & Molina, J. L. (2012). Ventilaci�n natural: Estudio aerodin�mico mediante CFD de extractores pasivos y captadores de viento. Revista ingenier�a de construcci�n, 27(1), 40-56.

 

 

 

 

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).x