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SimulacinTrmicaparaEvaluarMedidasdeClimatizacinPasivaenViviendadeIntersSocial:

ClimaClidoSecoDanielHumbertoSolsRecndez

2010MaestraenIngeniera

UniversidadNacionalAutnomadeMxicoMxico

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE M

PROGRAMA DE MAESTR

SIMULACIN TRMICA PARA EVALUAR MEDIDAS DE CLIMATIZACIN PASIVA EN VIVIENDA DE INTERS

ENERG

DANIEL HUMBERTO SOLS RECNDEZ

M. C

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE M

PROGRAMA DE MAESTRA Y DOCTORADO ENINGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA

SIMULACIN TRMICA PARA EVALUAR MEDIDAS DE CLIMATIZACIN PASIVA EN VIVIENDA DE INTERS

SOCIAL: CLIMA CLIDO-SECO

T E S I S QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: MAESTRO EN INGENIERA

ENERGA DISEO BIOCLIMTICO DE EDIFICACIONESP R E S E N T A :

DANIEL HUMBERTO SOLS RECNDEZ

TUTOR:

M. C. ODN DEMFILO DE BUEN RODRGUEZ

2010

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO

A Y DOCTORADO EN

SIMULACIN TRMICA PARA EVALUAR MEDIDAS DE CLIMATIZACIN PASIVA EN VIVIENDA DE INTERS

SECO

TICO DE EDIFICACIONES

DANIEL HUMBERTO SOLS RECNDEZ

. ODN DEMFILO DE BUEN RODRGUEZ

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A MIS PADRES, que pese a todo siguen creyendo en m A MIS HERMAN@S Y CUAD@S, que son fuente de inspiracin

A MIS SOBRIN@S, que son fuente de alegra A GABY, que me cuchile para titularme

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AGRADECIMIENTOS

A CONACYT, que me otorg la beca sin la cual hubiera sido imposible llegar a esta tesis. Al M. C. Odn de Buen, por aceptarme como su pupilo. Al Dr. Carlos Dscoli, que fungi como co-director de la tesis durante mi estancia en Argentina. A los sinodales: Dr. Jos Luis Fernndez, Dr. Arturo Reinking, Dr. Diego Morales, y en especial a la Dra. Gabriela lvarez, quien puli a conciencia la tesis. A la UNAM, que me abri las puertas a mucho ms que conocimiento. A mis maestros, que compartieron su conocimiento con su servidor. A mis compaeros, Chema, Memo, Csar, Juan, Carlos, Ivonne, Roberto, Diana, Zertuche, y en especial a Pao, que literalmente desde que llegu a chilangpolis, estuvo apoyndome. A Victor, que se la rif suplindome n(n+1) veces en trmites a los que no poda asistir. A la raza de la Unidad de Investigacin II del IDEHAB: Jesica Esparza, Victoria Barros, Luciano Dicroce, Barbara Brea, Dante Barbero, Cristina Domnguez, Irene Martini, Carlos Ferreyro, Susana Cricelli, Paula Cairoli, Susana Stange, Carlos Dscoli, Gustavo San Juan, Elas Rosenfeld, Juan Arvalo,

Graciela Viegas, y en especial Mariana Melchiori, que se encargaba de demostrar que DesignBuilder poda fallar. A la M. A. Ramona Romero, por facilitar las caractersticas del prototipo. Al equipo de EnergyPlus por colaborar con la creacin en Meteonorm de los archivos faltantes. A mis compaer@s de Teatro y Montaismo, por mostrarme que poda hacer cosas que jams hubiera imaginado. A Bioris, Pudrin, Gachita y la Panis, por su eterna trompetez. A Nacho, Rosana y la Abu, por recibirme y darme ms que un techo, ayudndome a extraar un poco menos la familia.

Al que invent el mezcal y al que invent el internet, par de fuentes de entretencin cuando el posgrado aburra.

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NDICE DE CONTENIDO

RESUMEN ..................................................................................................................... 1 ABSTRACT ................................................................................................................... 2

INTRODUCCIN ................................................................................................................. 4 Consumo Energtico Urbano ............................................................................................. 4 Descripcin del Problema .................................................................................................. 5 Justificacin ........................................................................................................................ 6 Objetivos ............................................................................................................................ 7 Estructura ........................................................................................................................... 8

1 ANTECEDENTES ......................................................................................................... 9 1.1 Simulacin y Evaluacin de Vivienda en Clima Clido-Seco Mexicano ............. 10

1.1.1 Vivienda en Mxico ....................................................................................... 10 1.1.2 Vivienda en Baja California Sur .................................................................... 17

1.2 Simulacin y Evaluacin de Vivienda en Brasil y Argentina ............................... 19 1.2.1 Vivienda en Brasil .......................................................................................... 20 1.2.2 Vivienda en Argentina ................................................................................... 22

1.3 Anlisis Econmico del Uso de Pasto y Enredaderas en Clima Clido-Subhmedo25 2 VIVIENDA .................................................................................................................. 29

2.1 Sector Residencial de Mxico ............................................................................... 30 2.1.1 Tarifas Elctricas ............................................................................................ 30 2.1.2 Poblacin ........................................................................................................ 35 2.1.3 Viviendas ........................................................................................................ 36 2.1.4 Consumo Elctrico Residencial por Enfriamiento en el NO de Mxico ........ 38 2.1.5 Vivienda de Mexicali ..................................................................................... 40

2.2 Vivienda Popular, de Inters Social y Econmica en Mxico .............................. 41 2.2.1 Estadsticas de Vivienda ................................................................................. 41 2.2.2 Cdigo de Edificacin de Vivienda ............................................................... 42 2.2.3 Vivienda Econmica ...................................................................................... 46 2.2.4 Financiamiento ............................................................................................... 47

2.3 Vivienda a Simular ................................................................................................ 49 2.3.1 Eleccin del Tipo ........................................................................................... 49 2.3.2 Dimensiones y Sembrado ............................................................................... 52 2.3.3 Materiales ....................................................................................................... 54 2.3.4 Cargas Trmicas Internas ............................................................................... 65

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2.3.5 Aire Acondicionado ....................................................................................... 67 3 BIOCLIMA .................................................................................................................. 69

3.1 Energa Solar ......................................................................................................... 70 3.1.1 Geometra Sol-Tierra ...................................................................................... 70 3.1.2 Grficas Solares .............................................................................................. 76 3.1.3 Disponibilidad de Energa Solar .................................................................... 78

3.2 Bioclima de Mxico............................................................................................... 83 3.2.1 Clasificaciones Climticas de Mxico ........................................................... 84 3.2.2 Temperatura, Humedad Relativa y Localizacin Geogrfica ........................ 89 3.2.3 Modificacin No Natural de la Temperatura Ambiental ............................... 90

3.3 Ciudades a Analizar ............................................................................................... 92 3.3.1 Disponibilidad de Datos Climticos ............................................................... 92 3.3.2 Caractersticas de las Ciudades de la Simulacin .......................................... 97 3.3.3 Grficas Solares ............................................................................................ 111

4 CONFORT ................................................................................................................. 113 4.1 Termodinmica del Confort ................................................................................. 114

4.1.1 Balance Trmico del Cuerpo Humano ......................................................... 114 4.1.2 El Aire .......................................................................................................... 115

4.2 Modelos de Confort Humano .............................................................................. 117 4.2.1 Zona de Confort ........................................................................................... 117 4.2.2 Carta Bioclimtica de Olgyay ...................................................................... 119 4.2.3 Diagrama Bioclimtico de Givoni ................................................................ 120 4.2.4 Vestimenta y Actividad ................................................................................ 121 4.2.5 PMV de Fanger ............................................................................................ 123 4.2.6 Diagrama de Isorrequerimientos .................................................................. 124

4.3 Diagramas de Isorrequerimientos para las Ciudades Analizadas ........................ 126 4.3.1 Mexicali ........................................................................................................ 127 4.3.2 Nuevo Laredo ............................................................................................... 131 4.3.3 Torren ......................................................................................................... 132 4.3.4 Monterrey ..................................................................................................... 134 4.3.5 Chihuahua ..................................................................................................... 136 4.3.6 Hermosillo .................................................................................................... 137

4.4 Requerimientos de Enfriamiento ......................................................................... 139 4.4.1 Tipos de Calor .............................................................................................. 140 4.4.2 Temperatura de Aire, Operativa y Radiante en AA ..................................... 141

v

4.4.3 Temperatura de Confort para Calentamiento y Enfriamiento ...................... 141 5 DISEO BIOCLIMTICO ....................................................................................... 145

5.1 Guas .................................................................................................................... 146 5.1.1 Gua de CONAFOVI .................................................................................... 146 5.1.2 Gua de ALTENER ...................................................................................... 148 5.1.3 Manual del Green Building Council (GBC) de EUA y PTI ........................ 150 5.1.4 Sistemas Pasivos de Climatizacin de Morilln .......................................... 150 5.1.5 Manual de GEOHABITAT .......................................................................... 151 5.1.6 NORMA IRAM para Argentina ................................................................... 157 5.1.7 Manual para Arquitectos de Javier Terrazas ................................................ 157 5.1.8 Recomendaciones para Habitar el Desierto, de Jos Guerra ........................ 157 5.1.9 Otras Propuestas ........................................................................................... 158

5.2 Sistemas Individuales Analizados ....................................................................... 159 5.2.1 Enfriamiento Radiativo ................................................................................ 159 5.2.2 Enfriamiento Evaporativo ............................................................................ 160 5.2.3 Techo con Estanque de Agua (Termocontenedores de Agua) ..................... 161 5.2.4 Aleros y Partesoles ....................................................................................... 161 5.2.5 Color y Textura Exterior .............................................................................. 164 5.2.6 Ventilacin Natural ...................................................................................... 165 5.2.7 Techo Escudo y Muro Escudo ..................................................................... 168 5.2.8 Aislamiento en Techo y Muros .................................................................... 169 5.2.9 Orientacin y Forma ..................................................................................... 170 5.2.10 Masa Trmica ............................................................................................... 171 5.2.11 Materiales de Construccin .......................................................................... 172 5.2.12 Vegetacin .................................................................................................... 174 5.2.13 Ventanas Pequeas, Remetidas y Bien Orientadas ...................................... 175 5.2.14 Vidrios Tratados y Sustitutos ....................................................................... 176 5.2.15 Persianas y Cortinas ..................................................................................... 179 5.2.16 Altura de la Losa .......................................................................................... 180 5.2.17 Chimenea Solar y Troneras .......................................................................... 180 5.2.18 Ductos Enterrados ........................................................................................ 180 5.2.19 Techo Verde ................................................................................................. 182 5.2.20 Contigidad de las Viviendas ....................................................................... 182 5.2.21 Reducir Infiltraciones y Ruptura Trmica de Marcos .................................. 182

5.3 Tcnicas Elegidas y sus Caractersticas............................................................... 183

vi

5.3.1 Rotacin ....................................................................................................... 183 5.3.2 Color de Pintura y Rugosidad ...................................................................... 183 5.3.3 Viviendas Contiguas .................................................................................... 184 5.3.4 Reducir Infiltraciones ................................................................................... 184 5.3.5 Ventanas Remetidas ..................................................................................... 185 5.3.6 Aleros y Partesoles ....................................................................................... 185 5.3.7 Persianas y Sombreado General con Lona ................................................... 186 5.3.8 Ventilacin Natural Nocturna ...................................................................... 187 5.3.9 Techo Escudo ............................................................................................... 188 5.3.10 Losa Ms Alta .............................................................................................. 189 5.3.11 Aislamiento en la Envolvente ...................................................................... 189 5.3.12 Masa Trmica ............................................................................................... 189 5.3.13 Chimenea Solar ............................................................................................ 189 5.3.14 Mejora Trmica en Ventanas ....................................................................... 190 5.3.15 Disminucin de Carga Trmica Interna ....................................................... 191 5.3.16 Resumen ....................................................................................................... 191

6 SIMULACIN ........................................................................................................... 193 6.1 Simulacin Trmica ............................................................................................. 194

6.1.1 Transferencia de Calor ................................................................................. 194 6.1.2 Horario de verano ......................................................................................... 200 6.1.3 Clculo del Confort ...................................................................................... 201 6.1.4 Dimensionamiento del Aire Acondicionado ................................................ 203 6.1.5 Emisiones de CO2 ......................................................................................... 204

6.2 Normas de Construccin ..................................................................................... 204 6.2.1 NOM-008 ..................................................................................................... 204 6.2.2 Anteproyecto-NOM-020 .............................................................................. 205

6.3 Programas de Simulacin .................................................................................... 207 6.3.1 SIMEDIF ...................................................................................................... 207 6.3.2 ENERGY-10 ................................................................................................ 208 6.3.3 ARQUITROP ............................................................................................... 209 6.3.4 DOE-2 .......................................................................................................... 210 6.3.5 ECOTECT .................................................................................................... 210 6.3.6 Otros Programas ........................................................................................... 211 6.3.7 Otros Mtodos .............................................................................................. 212 6.3.8 Programas Complementarios ....................................................................... 213

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6.4 Design Builder ..................................................................................................... 214 6.4.1 EnergyPlus ................................................................................................... 215 6.4.2 Meteonorm ................................................................................................... 216 6.4.3 Design Builder .............................................................................................. 218

7 RESULTADOS .......................................................................................................... 219 7.1 Modelos de Cuantificacin .................................................................................. 220

7.1.1 Cuantificacin del Confort ........................................................................... 220 7.1.2 Cuantificacin del Consumo Elctrico por Climatizacin ........................... 221 7.1.3 Vivienda Base .............................................................................................. 225

7.2 Balances Higrotrmicos ....................................................................................... 226 7.2.1 Temperaturas Medias Mensuales ................................................................. 226 7.2.2 Temperaturas del Da de Tpico de verano .................................................. 227 7.2.3 Humedades Relativas Da de Tpico de verano ........................................... 228

7.3 Resultados ............................................................................................................ 229 7.3.1 Confort ......................................................................................................... 230 7.3.2 Consumo por Climatizacin ......................................................................... 243 7.3.3 Esquema de Disminucin de la Carga Trmica Interna ............................... 248

7.4 Anlisis de Resultados ......................................................................................... 252 7.4.1 Agrupacin de Tcnicas por Efecto Porcentual ........................................... 252 7.4.2 Rotacin (R1, R2, R3) .................................................................................. 255 7.4.3 Pintura Blanca (PB) ...................................................................................... 255 7.4.4 Mejores Medidas de Rugosidad (MMR) ...................................................... 256 7.4.5 Viviendas Contiguas (C) .............................................................................. 256 7.4.6 Reducir Infiltraciones (RI) ........................................................................... 256 7.4.7 Ventanas Remetidas (VR) ............................................................................ 257 7.4.8 Aleros y Partesoles (AP1, AP2, AP3) .......................................................... 257 7.4.9 Persianas (P1, P2) ......................................................................................... 258 7.4.10 Sombreado General (SG) ............................................................................. 258 7.4.11 Ventilacin Natural Nocturna (VN, VNB) .................................................. 258 7.4.12 Techo Escudo (TE) ....................................................................................... 259 7.4.13 Losa Ms Alta (LA) ..................................................................................... 259 7.4.14 Aislamiento en la Envolvente (A1, A2, A3) ................................................ 259 7.4.15 Masa Trmica (MT) ..................................................................................... 260 7.4.16 Chimenea Solar (CS) .................................................................................... 260 7.4.17 Mejora Trmica en Ventanas (MTV) ........................................................... 261

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7.4.18 Disminucin de Carga Trmica Interna ....................................................... 261 7.4.19 Agrupacin de Ciudades por Efecto Porcentual .......................................... 261

8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 263 8.1 Conclusiones ........................................................................................................ 263 8.2 Recomendaciones ................................................................................................ 264

REFERENCIAS ......................................................................................................... 267 NOMENCLATURA .................................................................................................. 281 SIMBOLOGA ........................................................................................................... 286 ABREVIACIONES .................................................................................................... 288

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NDICE DE GRFICAS

Grfica 0.1 Crecimiento de poblacin urbana y poblacin rural, 1950-2030 ........................ 5 Grfica 1.1.1 Condiciones tpicas de confort en Mexicali ................................................... 13 Grfica 1.1.2 Requerimientos de adecuacin ambiental de la vivienda popular ................. 14 Grfica 1.1.3 Comportamiento trmico de vivienda sin y con estrategias de reduccin ..... 14 Grfica 1.1.4 Temperaturas en casa ecolgica ..................................................................... 16 Grfica 1.1.5 Costo anual de energa en tres casas de Hermosillo ....................................... 17 Grfica 1.2.1 Temperaturas tras mejoras de ventilacin natural. ......................................... 20 Grfica 1.2.2 Cargas trmicas mensuales ms influyentes en el desempeo ....................... 22 Grfica 1.2.3 Da tpico como promedio semanal ................................................................ 24 Grfica 2.1.1 Precio unitario del kWh por tarifa y por consumo en verano ........................ 33 Grfica 2.1.2 Precio unitario del kWh por tarifa y por consumo en invierno ...................... 34 Grfica 2.1.3 Precio comparativo del kWh invierno y verano para tarifa 1E. ..................... 34 Grfica 2.1.4 Precio comparativo del kWh invierno y verano para tarifa 1F. ..................... 34 Grfica 2.1.5 Crecimiento poblacional nacional 1950-2005 ................................................ 35 Grfica 2.1.6 Prospectiva nacional de usuarios E y F .......................................................... 36 Grfica 2.1.7 Crecimiento de viviendas nacional 1950-2005 .............................................. 36 Grfica 2.1.8 Relacin nacional de personas por vivienda en 1950-2005 ........................... 37 Grfica 2.1.9 Prospectiva de viviendas en los estados con Tarifa E y/o F ........................... 37 Grfica 2.1.10 Prospectiva de poblacin en los estados con Tarifa E y/o F ........................ 38 Grfica 2.1.11 Demanda elctrica en el norte del pas ......................................................... 39 Grfica 2.1.12 Demanda en da hbil de julio para el rea Norte de CFE ....................... 39 Grfica 2.1.13 Demanda en da hbil de julio para el rea Noreste de CFE .................... 40 Grfica 2.1.14 Consumo promedio anual de usuarios. ........................................................ 40 Grfica 2.2.1 Crdito por rango salarial ............................................................................... 46 Grfica 2.2.2 Registro de oferta de vivienda ........................................................................ 46 Grfica 3.1.1 Ecuacin del tiempo ....................................................................................... 74 Grfica 3.1.2 Grfica ortogonal ............................................................................................ 76 Grfica 3.1.3 Grfica equidistante ........................................................................................ 77 Grfica 3.1.4 Grfica estereogrfica .................................................................................... 77 Grfica 3.1.5 Grfica solar cilndrica con obstrucciones en el horizonte ............................ 78 Grfica 3.1.6 Insolacin global, extraterrestre y difusa ....................................................... 82 Grfica 3.3.1 ICM vs Poblacin ........................................................................................... 92 Grfica 3.4.1 Grfica solar estereogrfica para la ciudad de Mexicali .............................. 112 Grfica 3.4.2 Grfica solar estereogrfica para la ciudad de Torren ................................ 112 Grfica 4.3.1 Carta de Olgyay para abril en Zacatecas ...................................................... 120 Grfica 4.3.2 Diagrama de Givoni para mayo en Zacatecas .............................................. 121 Grfica 4.3.3 Porcentaje de personas satisfechas en relacin con el PMV. ....................... 123 Grfica 4.3.4 Comparativo de confort. Givoni y Fanger. .................................................. 124 Grfica 4.3.5 Otro comparativo de confort. Givoni y Fanger ............................................ 124 Grfica 4.4.1 Diagrama de Olgyay para octubre en Mexicali ............................................ 127 Grfica 4.4.2 Diagrama de isorrequerimientos para Mexicali. Morilln. .......................... 129 Grfica 4.4.3 Diagrama de isorrequerimientos para Mexicali. Propio ............................... 130 Grfica 4.4.4 Diagrama de isorrequerimientos para N. L. ................................................. 131 Grfica 4.4.5 Diagrama de isorrequerimientos para Torren ............................................. 132 Grfica 4.4.6 Diagrama de isorrequerimientos para Monterrey ......................................... 135

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Grfica 4.4.7 Diagrama de isorrequerimientos para Chihuahua ........................................ 137 Grfica 4.4.8 Diagrama de isorrequerimientos para Hermosillo ....................................... 139 Grfica 4.5.1 Comparacin de temperaturas promedio para Mexicali .............................. 143 Grfica 4.5.2 Comparacin de temperaturas promedio para Nuevo Laredo. ..................... 143 Grfica 4.5.3 Comparacin de temperaturas promedio para Torren ................................ 143 Grfica 4.5.4 Comparacin de temperaturas promedio para Monterrey ............................ 144 Grfica 4.5.5 Comparacin de temperaturas promedio para Chihuahua ........................... 144 Grfica 4.5.6 Comparacin de temperaturas promedio para Hermosillo ........................... 144 Grfica 5.1.1 Metodologa del diseo bioclimtico ........................................................... 146 Grfica 5.1.2 Factores de reduccin solar .......................................................................... 149 Grfica 5.1.3 Temperaturas en superficies con variacin de color .................................... 149 Grfica 5.1.4 Capacidad de atenuacin por combinaciones de materiales ........................ 153 Grfica 5.1.5 Infiltracin segn presin y construccin .................................................... 153 Grfica 5.1.6 Captacin solar segn orientacin ................................................................ 154 Grfica 5.1.7 Calor sensible tericamente extrable .......................................................... 156 Grfica 5.2.1 Mascarillas de sombreado para aleros y partesoles ...................................... 163 Grfica 5.2.2 Alero de 60 sombreando al SE 30 en Zacatecas ........................................ 163 Grfica 5.2.3 Partesol de 30 en fachada Sur para Zacatecas ............................................. 164 Grfica 5.2.4 Consumo elctrico por m2 en funcin de la orientacin .............................. 170 Grfica 5.2.5 Comparacin de balance energtico para confort en verano ........................ 174 Grfica 5.2.6 Ganancia de calor solar en varios vidrios ..................................................... 177 Grfica 5.2.7 Transmisin de radiacin solar en varias regiones EM ................................ 177 Grfica 5.2.8 Curva de transmisin esperada para un vidrio ideal .................................... 178 Grfica 6.1.1 Comparacin de los ndices de confort y temperatura en Mexicali ............. 203 Grfica 6.2.1 Comportamiento de una vivienda sin control trmico ................................. 206 Grfica 6.2.2 Comportamiento de vivienda con techo y muros aislados ........................... 206 Grfica 7.1.1 TSV horario en verano y mayo en Torren .................................................. 226 Grfica 7.2.1 Temperaturas en Torren. Elaboracin propia en DB. ................................ 227 Grfica 7.2.2 Temperaturas en verano en Torren ............................................................. 227 Grfica 7.2.3 Temperaturas en mayo en Torren ............................................................... 228 Grfica 7.2.4 HR mensual en Torren ............................................................................... 228 Grfica 7.2.5 HR para un da medio de verano en Torren ............................................... 229 Grfica 7.2.6 HR para un da medio de mayo en Torren ................................................. 229

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NDICE DE FIGURAS

Figura 1.1.1 Prototipo de vivienda popular ............................................................................... 13 Figura 1.1.2 Casa ecolgica ...................................................................................................... 16 Figura 2.1.1 Regiones del Sistema Elctrico Nacional ............................................................. 31 Figura 2.3.1 Fraccionamiento a simular en Mexicali ................................................................ 50 Figura 2.3.2 Vivienda en lote y en el sembrado ........................................................................ 53 Figura 2.3.3 Sembrado para simulacin del Tipo 2 .................................................................. 53 Figura 2.3.4 Vivienda dentro del lote. Versin 'Fuera' ............................................................. 54 Figura 2.3.5 Vivienda dentro del lote. Versin 'Dentro' ........................................................... 54 Figura 2.3.6 Esquema del terreno y del piso ............................................................................. 57 Figura 2.3.7 Esquema de la cubierta ......................................................................................... 58 Figura 2.3.8 Esquema de la fachada .......................................................................................... 60 Figura 3.1.1 Camino solar en equinoccios y solsticios ............................................................. 70 Figura 3.1.2 Traslacin de la Tierra alrededor del Sol .............................................................. 71 Figura 3.1.3 Incidencia solar en los trpicos ............................................................................. 71 Figura 3.1.4 Iluminacin terrquea durante equinoccios y solsticios ....................................... 72 Figura 3.1.5 ngulos que describen el movimiento solar ......................................................... 72 Figura 3.1.6 Coordenadas extremas de Mxico en el mapa ...................................................... 73 Figura 3.1.7 Husos horarios ...................................................................................................... 75 Figura 3.1.8 Espectro electromagntico .................................................................................... 79 Figura 3.1.9 Radiacin total mxima (W/m2) en promedio mensual de mayo ......................... 80 Figura 3.1.10 Irradiacin global diaria promedio mensual para mayo (MJ/m2) ....................... 80 Figura 3.1.11 Dispersin de la radiacin solar .......................................................................... 81 Figura 3.1.12 Mascarilla de radiacin ....................................................................................... 83 Figura 3.2.1 Bioclima de Mxico .............................................................................................. 85 Figura 3.2.2 Clasificacin climtica de Kppen a escala mundial ............................................ 86 Figura 3.2.3 Clasificacin climtica de Kppen-Garca ........................................................... 87 Figura 3.2.4 Zonas climticas de acuerdo a la latitud ............................................................... 90 Figura 3.2.5 Aumento de temperatura posible estimado para 2090-2099 ................................ 91 Figura 3.3.1 Mapa climtico de Baja California ....................................................................... 94 Figura 3.3.2 Mapa climtico de Sonora .................................................................................... 94 Figura 3.3.3 Mapa climtico de Chihuahua .............................................................................. 95 Figura 3.3.4 Mapa climtico de Coahuila ................................................................................. 95 Figura 3.3.5 Mapa climtico de Nuevo Len ............................................................................ 96 Figura 3.3.6 Mapa climtico de Tamaulipas ............................................................................. 96 Figura 3.3.7 Ubicacin dentro del pas de las estaciones climatolgicas ................................. 98 Figura 3.3.8 Ubicacin de Mexicali, Calexico y El Centro en el mapa .................................. 100 Figura 3.3.9 Fraccionamiento de la vivienda simulada ........................................................... 100 Figura 3.3.10 Detalle de fraccionamiento econmico ............................................................. 101 Figura 3.3.11 Localizacin de Nuevo Laredo y de Laredo ..................................................... 102 Figura 3.3.12 Detalle de la ciudad de Nuevo Laredo .............................................................. 102 Figura 3.3.13 Conjunto habitacional en Nuevo Laredo .......................................................... 103 Figura 3.3.14 Localizacin de Torren, Coahuila ................................................................... 104 Figura 3.3.15 Detalle de la ciudad de Torren ........................................................................ 104 Figura 3.3.16 Detalle de la ciudad de Torren ........................................................................ 104 Figura 3.3.17 Localizacin de Monterrey, Nuevo Len ......................................................... 106

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Figura 3.3.18 Detalle de la ciudad de Monterrey .................................................................... 106 Figura 3.3.19 Detalle de un conjunto habitacional en la ciudad de Monterrey ....................... 107 Figura 3.3.20 Localizacin de Chihuahua, Chihuahua ........................................................... 108 Figura 3.3.21 Conjunto habitacional en Chihuahua ................................................................ 109 Figura 3.3.22 Conjunto habitacional en Chihuahua ................................................................ 109 Figura 3.3.23 Localizacin de Hermosillo, Sonora ................................................................. 110 Figura 3.3.24 Detalle de la ciudad de Hermosillo ................................................................... 110 Figura 3.3.25 Detalle de la ciudad de Hermosillo ................................................................... 111 Figura 4.1.1 Balance de calor en el cuerpo humano ............................................................... 114 Figura 4.1.2 Ejemplo de porcentajes de prdida de calor ....................................................... 115 Figura 4.4.1 Factores a considerar en la remocin de calor .................................................... 140 Figura 5.1.1 Proteccin solar mediante vegetacin caducifolia .............................................. 148 Figura 5.1.2 Pavimento oscuro como control climtico .......................................................... 154 Figura 5.1.3 Transmisin solar tpica del cristal simple y doble ............................................. 155 Figura 5.1.4 Orientaciones tradicionales y bioclimticas de conjuntos habitacionales. ......... 156 Figura 5.2.1 Caracterizacin de un alero ................................................................................. 162 Figura 5.2.2 Caracterizacin de un partesol ............................................................................ 162 Figura 5.2.3 Ventilacin cruzada ............................................................................................ 166 Figura 5.2.4 Diagrama de operacin de un muro Trombe en verano ...................................... 166 Figura 5.2.5 Dimensin de las aberturas modificables segn incidencia del viento ............... 167 Figura 5.2.6 Ventilacin cruzada intil y planeada ................................................................. 167 Figura 5.2.7 Sistema de techo escudo (doble envolvente) ...................................................... 168 Figura 5.2.8 Uso estratgico de la masa trmica ..................................................................... 171 Figura 5.2.9 Uso de la masa trmica y ventilacin nocturna .................................................. 172 Figura 5.2.10 Tubo enterrado para induccin de aire ............................................................. 181 Figura 5.2.11 Diversas capas de una CVL .............................................................................. 182 Figura 5.3.1 Viviendas contiguas ............................................................................................ 184 Figura 5.3.2 Vivienda con aleros y partesoles ........................................................................ 185 Figura 5.3.3 Vivienda con sombreado general ........................................................................ 187 Figura 5.3.4 Bovedilla hueca de concreto con 2 divisores ...................................................... 188 Figura 5.3.5 Vivienda con techo escudo ................................................................................. 188 Figura 5.3.6 Chimenea solar con muro trombe ....................................................................... 190 Figura 6.1.1 Intercambio calorfico de un edificio .................................................................. 199 Figura 6.3.1 SIMEDIF 2000 para Windows ........................................................................... 207 Figura 6.3.2 Pantalla en Energy-10 ......................................................................................... 209 Figura 6.3.3 Pantalla principal de RayMan 1.2 ....................................................................... 213 Figura 6.3.4 Pantalla principal y de resultados para RADII ................................................... 214 Figura 6.4.1 Pantalla tpica de EnergyPlus ............................................................................. 216 Figura 6.4.2 Pantalla en DesignBuilder .................................................................................. 218 Figura 8.2.1 Garca, Nuevo Len...265

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NDICE DE TABLAS Tabla 1.1.1 Estrategias de adecuacin para verano. Corral, M. et al. (2001)....................... 13 Tabla 1.1.2 Requerimientos de enfriamiento ....................................................................... 15 Tabla 1.1.3 Resultados comparativos. Casa ecolgica del Vaquero. ................................... 17 Tabla 1.1.4 Resultados totales de calor obtenido ................................................................. 19 Tabla 1.1.5 Caractersticas de materiales usados ................................................................. 19 Tabla 1.2.1 Directrices y soluciones para el proyecto bioclimtico ..................................... 21 Tabla 1.3.1 Costos de instalacin del AA ............................................................................ 26 Tabla 1.3.2 Costos de instalacin del pasto ......................................................................... 26 Tabla 1.3.3 Costos de instalacin de la enredadera .............................................................. 26 Tabla 1.3.4 Costo por m2 del AA ......................................................................................... 27 Tabla 1.3.5 Costo por m2 de la enredadera .......................................................................... 27 Tabla 1.3.6 Costo por m2 del pasto ...................................................................................... 28 Tabla 2.1.1 Capacidad efectiva por rea en MW, diciembre de 1999 ................................. 31 Tabla 2.1.2 Resumen del sistema de bloques y tarifas ......................................................... 32 Tabla 2.1.3 Las tarifas existentes en cada entidad federativa .............................................. 33 Tabla 2.1.4 Usuarios de tarifas E y F y totales ..................................................................... 32 Tabla 2.1.5 Tipologas de vivienda en Mexicali .................................................................. 40 Tabla 2.1.6 Ganancias trmicas segn tipologa de vivienda en Mexicali .......................... 41 Tabla 2.2.1 Inversin crediticia para vivienda por ao ........................................................ 42 Tabla 2.2.2 Segmentacin de la vivienda social por costo promedio .................................. 43 Tabla 2.2.3 Resistencia trmica (R) de referencia para la envolvente ................................. 43 Tabla 2.2.4 Especificaciones para diseo urbano ................................................................ 43 Tabla 2.2.5 Especificaciones para el proyecto arquitectnico ............................................. 44 Tabla 2.2.6 Especificaciones para las ventanas .................................................................... 44 Tabla 2.2.7 Especificaciones para el control solar ............................................................... 44 Tabla 2.2.8 Especificaciones para la ventilacin ................................................................. 45 Tabla 2.2.9 Recomendaciones para vegetacin ................................................................... 45 Tabla 2.2.10 Especificaciones en materiales y acabados ..................................................... 45 Tabla 2.2.11 Uso de sistemas complementarios de climatizacin ....................................... 45 Tabla 2.3.1 Capacidades de calentamiento y enfriamiento para Mexicali ........................... 52 Tabla 2.3.2 Consumo anual energtico por climatizacin para Mexicali. ........................... 52 Tabla 2.3.3 Propiedades termofsicas de materiales usados en simulacin ......................... 55 Tabla 2.3.4 Flujos de calor segn temperaturas de terreno .................................................. 62 Tabla 2.3.5 Comparacin de temperaturas de terreno .......................................................... 63 Tabla 2.3.6 Comparacin de temperaturas interiores ........................................................... 63 Tabla 2.3.7 Temperaturas de terreno a ser utilizadas ........................................................... 64 Tabla 2.3.8 Temperaturas de terreno en caso climatizado ................................................... 65 Tabla 2.3.9Aparatos electrodomsticos seleccionados y sus consumos .............................. 67 Tabla 3.1.1 Reflectancia de algunas superficies .................................................................. 82 Tabla 3.3.1 Clasificacin climtica de Kppen-Garca ....................................................... 88 Tabla 3.3.2 Intensidad de las islas de calor y de fro en Mexicali ....................................... 91 Tabla 3.4.1 Caractersticas de las ciudades .......................................................................... 97 Tabla 3.4.2 Evolucin demogrfica del municipio de Mexicali .......................................... 99 Tabla 3.4.3 Evolucin demogrfica del municipio de Nuevo Laredo ............................... 101 Tabla 3.4.4 Evolucin demogrfica del municipio de Monterrey ...................................... 105

xiv

Tabla 3.4.5 Poblacin total ................................................................................................. 108 Tabla 4.3.1 Amplitud de la zona de confort ....................................................................... 119 Tabla 4.3.2 Valores tpicos en clo para vestimentas .......................................................... 122 Tabla 4.3.3 Niveles de actividad fsica .............................................................................. 122 Tabla 4.4.1 Temperaturas horarias para Mexicali .............................................................. 128 Tabla 4.4.2 Humedades relativas horarias para Mexicali .................................................. 128 Tabla 4.4.3 Temperaturas horarias para Mexicali .............................................................. 129 Tabla 4.4.4 Humedades relativas horarias para Mexicali .................................................. 130 Tabla 4.4.5 Temperaturas horarias para Nuevo Laredo ..................................................... 131 Tabla 4.4.6 Humedades relativas horarias para Nuevo Laredo .......................................... 132 Tabla 4.4.7 Temperaturas horarias para Torren ............................................................... 133 Tabla 4.4.8 Humedades relativas horarias para Torren .................................................... 133 Tabla 4.4.9 Temperaturas horarias para Monterrey ........................................................... 134 Tabla 4.4.10 Humedades relativas horarias para Monterrey .............................................. 135 Tabla 4.4.11 Temperaturas horarias para Chihuahua ......................................................... 136 Tabla 4.4.12 Humedades relativas horarias para Chihuahua ............................................. 136 Tabla 4.4.13 Temperaturas horarias para Hermosillo ........................................................ 138 Tabla 4.4.14 Humedades relativas horarias para Hermosillo ............................................. 139 Tabla 4.5.1 Temperatura operativa aceptable para 2 HR ................................................... 142 Tabla 4.5.2 HR internas y T operativas para activacin de AA ......................................... 142 Tabla 5.1.1 Sugerencias de diseo arquitectnico ............................................................. 147 Tabla 5.1.2 Alteraciones del clima en ciudades ................................................................. 152 Tabla 5.1.3 Propiedades trmicas de materiales ................................................................ 152 Tabla 5.1.4 Reflexividad de colores y materiales .............................................................. 155 Tabla 5.2.1 Fuentes de humedad ........................................................................................ 161 Tabla 5.2.2 Absortividades solares para pinturas ............................................................... 165 Tabla 5.2.3 Retraso trmico de materiales con base en su espesor .................................... 171 Tabla 5.2.4 Propiedades trmicas de materiales diversos .................................................. 173 Tabla 5.2.5 Carga trmica por radiacin tras pasar el rbol en cielo abierto ..................... 175 Tabla 5.2.6 Coeficientes de transmisin trmica en ventanas ............................................ 176 Tabla 5.2.7 Energa por AA usando vidrio de 3mm .......................................................... 178 Tabla 5.3.1 Datos de ca/h para plantilla de infiltraciones Pobre ..................................... 185 Tabla 5.3.2 Caractersticas de las tablillas de persianas ..................................................... 186 Tabla 5.3.3 Propiedades de telas contra insectos ............................................................... 188 Tabla 5.3.4 Valores R de algunos materiales ..................................................................... 190 Tabla 5.3.5 Caractersticas bsicas de las tcnicas a utilizar. ............................................ 191 Tabla 6.4.1 Algunas comparaciones de E+ con otros programas ...................................... 215 Tabla 7.1.1 Datos para das de diseo ................................................................................ 222 Tabla 7.1.2 Requerimientos de HVAC por tcnica para Mexicali ..................................... 223 Tabla 7.1.3 Requerimientos de HVAC. ............................................................................. 223 Tabla 7.1.4 ndices de confort y disconfort para la vivienda ............................................. 225 Tabla 7.1.5 Consumo anual de energa para la vivienda base sin AA ............................... 226 Tabla 7.3.1 Resultados de confort para las viviendas rotadas ............................................ 230 Tabla 7.3.2 Resultados de confort para PB y MMR .......................................................... 231 Tabla 7.3.3 Resultados de confort para viviendas contiguas ............................................. 232 Tabla 7.3.4 Resultados de confort para las viviendas con menor infiltracin ................... 233 Tabla 7.3.5 Resultados de confort con ventanas remetidas ................................................ 234 Tabla 7.3.6 Resultados de confort para aleros y partesoles ............................................... 235

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Tabla 7.3.7 Resultados de confort para sombreado general y persianas ............................ 236 Tabla 7.3.8 Resultados de confort con ventilacin natural nocturna ................................. 237 Tabla 7.3.9 Resultados de confort para techo escudo ........................................................ 238 Tabla 7.3.10 Resultados de confort para altura de losa 30 cm mayor ................................ 239 Tabla 7.3.11 Resultados de confort para las viviendas con aislante .................................. 240 Tabla 7.3.12 Resultados de confort para masa trmica ...................................................... 241 Tabla 7.3.13 Resultados de confort para chimenea solar ................................................... 242 Tabla 7.3.14 Resultados de confort para las viviendas con MTV ...................................... 243 Tabla 7.3.15 Costos anuales por consumo de HVAC para Mexicali ................................. 244 Tabla 7.3.16 Costos anules por consumo de HVAC para Nuevo Laredo .......................... 245 Tabla 7.3.17 Costos anules por consumo de HVAC para Torren .................................... 245 Tabla 7.3.18 Costos anules por consumo de HVAC para Monterrey ................................ 246 Tabla 7.3.19 Costos anules por consumo de HVAC para Chihuahua ................................ 247 Tabla 7.3.20 Costos anules por consumo de HVAC para Hermosillo ............................... 247 Tabla 7.3.21 Resultados de confort para las viviendas con DCTI ..................................... 248 Tabla 7.3.22 Resultados de consumo para las viviendas con DCTI .................................. 249 Tabla 7.3.23 Costos anuales por consumo de HVAC para Mexicali en rgimen DCTI .... 250 Tabla 7.3.24 Costos anuales por consumo de HVAC para Nuevo Laredo en DCTI ......... 250 Tabla 7.3.25 Costos anuales por consumo de HVAC para Torren en rgimen DCTI ..... 250 Tabla 7.3.26 Costos anuales por consumo de HVAC para Monterrey en rgimen DCTI . 251 Tabla 7.3.27 Costos anuales por consumo de HVAC para Chihuahua en rgimen DCTI. 251 Tabla 7.3.28 Costos anuales por consumo de HVAC para Hermosillo en rgimen DCTI 251 Tabla 7.4.1 Resultados de RIDT para Chihuahua y para el promedio del resto ................ 253 Tabla 7.4.2 Resultados de ahorro energtico para Chihuahua y el resto ........................... 254 Tabla 7.4.3 Resultados de ahorro energtico en DCTI para Chihuahua y el resto ............ 255

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RESUMEN

El clima predominante en el norte de Mxico es el clido-seco, mismo que llega a ser extremoso. Adems, es corriente el sobreuso de aparatos elctricos poco eficientes de fcil adquisicin en la frontera con Estados Unidos, lo que aumenta la carga trmica interna.

El objetivo es cuantificar el efecto que tiene la aplicacin individual de tcnicas bioclimticas en una vivienda econmica en dicho clima, ya que las viviendas econmicas, populares y de inters social no suelen estar adaptadas al clima en que son construidas, lo que en el caso clido-seco, afecta sensiblemente la necesidad de enfriamiento.

Para lograr lo anterior, se realiz un estudio mediante simulacin trmica de una vivienda de 30 m2 con alta carga trmica interna. La vivienda pertenece a un fraccionamiento construido en Mexicali, pero adems se simul en Hermosillo, Torron, Chihuahua, Monterrey y Nuevo Laredo.

La simulacin se realiz mediante DesignBuilder v1.4, interfaz grfica del programa de simulacin EnergyPlus v2.1

El efecto de las tcnicas fue analizado a travs de dos reas: el confort y el consumo elctrico por climatizacin. Para el primero, se simul la vivienda sin climatizar y se cuantific la variacin en el TSV de 2-nodos de la Universidad de Kansas a travs de un propuesto ndice de Disconfort Total. En el segundo se simul la vivienda climatizada las 24 horas de los 365 das del ao y se cuantific la energa total requerida para lograrlo.

El fraccionamiento presenta las viviendas en esquema pareado, de manera que por cada vivienda con fachada en cierta orientacin, existe otra con orientacin antpoda. Adems, la distancia desde la fachada hasta la banqueta vara en zigzag, por lo que el fraccionamiento se puede subdividir en grupos de cuatro viviendas no equivalentes entre s. Dado la anterior, no se simul una vivienda aislada, sino uno de estos grupos, y los resultados presentados corresponden al promedio de las cuatro viviendas.

El par de orientaciones E-W es el peor, incrementando 7% el disconfort y 11% el consumo elctrico por climatizacin. El resto de los resultados del resumen se muestran para viviendas orientadas en el par N-S y son promedios de todas las ciudades, exceptuando Chihuahua, ya que los resultados varan apreciablemente en esta ciudad respecto al resto.

Los resultados tambin varan dependiendo de si lo que se mide es el confort (caso no climatizado) o si es el consumo elctrico (caso climatizado). Colocar las viviendas contiguas o aislarlas en techo y paredes presentan un resultado contraproducente en el confort (-16% en ambos casos), mientras que representan un ahorro respectivo de 31 y 41% en el consumo elctrico por climatizacin. El sombreo mediante aleros, partesoles y persianas es muy moderado; requiere de sombrearse toda la vivienda para tener un efecto importante (14% tanto en confort como en consumo elctrico). Un alto incremento en el confort puede lograrse mediante tcnicas muy sencillas, como lo son pintar de blanco el exterior de la vivienda (26%) o ventilacin natural nocturna (30%). La pintura blanca tambin tiene un efecto positivo importante en el ahorro energtico en el caso climatizado (26%). Los resultados de esta ltima tcnica pueden utilizarse adems para mostrar las diferencias que llegan a ocurrir entre Chihuahua y el resto, ya que en esta ciudad los ahorros en ambos respectivos casos son de 54 y 8%.

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Por ltimo, se prob con reducir el consumo elctrico de aparatos e iluminacin un 34%, y el de cocina un 33%, disminuyendo as la carga trmica interna. Hubo una mejora de 12% en el confort y 18% en el consumo por climatizacin. Se concluye que la efectividad de las tcnicas depende del clima en que son aplicadas, incluso si son climas similares, por lo que la simulacin es de gran ayuda en el proceso de diseo. Antes de definir una tcnica a aplicar, debe definirse si la vivienda habr o no de ser climatizada, ya que el efecto vara notoriamente en algunos casos. Sin embargo, independientemente de ello, hay tcnicas de aplicacin sencilla y bajo costo que deben considerarse como bsicas en ambos casos, como lo es la correcta orientacin. El uso racional de la energa, aunque no arquitectnica, debe considerarse una tcnica igualmente bsica, ya que no slo disminuye el gasto energtico, sino que reduce la necesidad de enfriamiento.

Palabras clave: Simulacin Trmica, Confort, Consumo Elctrico, HVAC, Clima Clido-Seco, Vivienda Econmica, Climatizacin, Tcnicas Bioclimticas.

ABSTRACT

The climate in the north of Mexico is warm and dry, sometimes even very hot. Moreover, its usual the overuse of inefficient appliances readily available in the U.S. border, increasing the internal heat load.

The objective is to quantify the effect of individual application of bioclimatic techniques in affordable housing in such a climate, since affordable, popular and social interest housing often are not adapted to the climate in which they are constructed, which in the warmdry case, significantly affects the need for cooling.

To achieve this, a study was performed by a thermal simulation of a 30 m2 house with high internal thermal load. The house belongs to a settlement built in Mexicali, but was also simulated in Hermosillo, Torreon, Chihuahua, Monterrey and Nuevo Laredo.

The simulation was performed using DesignBuilder v1.4, GUI of the simulation program EnergyPlus v2.1.

The techniques effect was analized by two terms: the comfort and power consumption for air conditioning. For the first one, the simulation took the house as non-climatized and quantified the variation in the 2-nodes TSV of the University of Kansas through a proposed Total Discomfort Index. In the second one, the house was simulated as being climatized 24-hour, 365 days a year, quantifying the total energy required to do so.

The settlement scheme has paired dwellings, so that for every house with a facade in some guidance, there is another one with antipodal orientation. In addition, the distance from the faade to the sidewalk varies in zigzag, so the settlement can be subdivided into groups of four non equivalent dwellings. So, no house is simulated isolated, but in groups, and the results presented are the average of the four houses.

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The E-W pair is the worst, it increases by 7% the discomfort and 11% the air conditioning electricity consumption. The rest of the results in the abstract are for houses with the N-S orientations pair and are averages of all cities, except Chihuahua, since in this city the results vary significantly compared with the other ones.

The results also depend on whether if the comfort (not conditioned case) or if the power consumption (if air conditioned) is measured. Adjoining the houses or isolating roof and walls have a counterproductive result in comfort (-16% in both cases), while represent a respective savings of 31 and 41% in air conditioning electricity consumption.

The shading by eaves and shutters is very moderate, it is required to shade all the house to have a significant effect (14% in both, comfort and energy consumption). A high increase in comfort can be achieved by very simple techniques, such as painting white the home outside (26%) or night natural ventilation (30%). The white paint also has a significant positive effect in the air-conditioned case (26%). The results of this last technique can also be used to show the differences that occur between Chihuahua and the others cities, since in this city the savings in both respective cases are 54 and 8%.

Finally, it was tried to reduce the power consumption of appliances and lighting by 34% and 33% the cooking, thus reducing the internal heat load. There was a 12% improvement in comfort and 18% in consumption for air conditioning. It is concluded that the effectiveness of the techniques depends on the climate in which they are applied, even if the climates are similar, so the simulation is of great help in the design process. Before defining a technique to apply, since the effect varies markedly in some cases, it must be defined if the house is going to be or not climatized. However, independently of it, there are simple and low cost techniques that should be considered basic in both cases, as the correct orientation. The rational use of energy, even if not architectural, should be considered a basic technique, since it not only decreases energy cost, but also reduces the need for cooling.

Keywords: Thermal Simulation, Comfort, Power Consumption, HVAC, Warm-Dry Climate, Affordable Housing, Climatization, Bioclimatic Techniques.

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INTRODUCCIN

Consumo Energtico Urbano

El alto consumo energtico que suele darse en las ciudades tiene varios orgenes, entre los que podemos destacar el causado por climatizacin de viviendas, en especial por enfriamiento. El consumo por este concepto aumenta conforme aumenta la diferencia de temperaturas entre la del aire y la de confort, por lo que cualquier factor, adems del ambiental, que aumente la temperatura al interior de la vivienda, incrementa el consumo energtico.

Oke, T. (1991) analiz diversos factores que provocan que las temperaturas del aire en ciudades construidas densamente sean mayores que las temperaturas de la zona rural aledaa. El fenmeno es conocido como isla de calor, y en climas clidos es especialmente grave por el alto incremento de consumo de energa y produccin de contaminantes debido a los sistemas de enfriamiento en el verano.

El efecto causado por la urbanizacin en el consumo de energa no es lineal, Jones, B. (1992) mostr que un aumento de 1% en poblacin urbana incrementa el consumo de energa en 2.2%. Incluso dentro de las ciudades hay diferencias, ya que el consumo de las partes internas es mayor que el de las externas.

Akbari, H. et al. (1992) mostraron que para las ciudades estadounidenses con poblaciones superiores a 100,000 habitantes, el pico de demanda elctrica incrementa 1.5-2% por cada F en temperatura del aire. Por ejemplo, en la ciudad de Los ngeles estimaron un aumento de 300 MW/F a fecha del estudio.

Otro efecto dramtico es que los sistemas de aire acondicionado tradicionales disminuyen su eficiencia con el aumento de temperatura. El coeficiente de rendimiento (COP) de los acondicionadores en el centro de Atenas son cerca de un 25% menores debido al incremento de temperatura por la isla de calor, obligando a los diseadores a usar sistemas de ms capacidad, y con ello incrementando el problema de los picos en la demanda de electricidad para enfriamiento (Santamouris, M., 2001).

El consumo energtico urbano es de gran efecto, pues como el Banco Mundial (2010) expone, el 90% del crecimiento poblacional en pases en desarrollo tiene lugar en las ciudades. Considerando todos los niveles de desarrollo, a nivel mundial se aaden cada da casi 180,000 personas a la poblacin urbana.

La Grfica 0.1 muestra la evolucin de la poblacin mundial en mbito rural y urbano. Se observa como en el ltimo par de dcadas se dio preferencia a centros urbanos hasta que finalmente la poblacin urbana super a la rural, dejando una prospectiva en que los centros urbanos sean cada vez mayores, no as los rurales.

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Grfica 0.1 Crecimiento de poblacin urbana y poblacin rural, 1950-2030. Banco Mundial (2010).

Descripcin del Problema

Ms all del tema de la isla de calor, Mxico presenta de manera natural clima clido en la mayor parte de su territorio. Especficamente la regin nortea, que presenta el mayor ritmo de crecimiento poblacional, posee clima clido-seco. Por otro lado, las viviendas de inters social tpicamente han sido construidas bajo un esquema de bajo costo, pero sin tomar en cuenta las condiciones medioambientales a las que sern sometidas. As, se construa el mismo modelo habitacional en una ciudad de clima templado que en una de clima caluroso. Ello traa como consecuencia que en ciertas ciudades la vivienda presentara un elevado grado de disconfort para sus inquilinos; y utilizar el enfriamiento mecnico como respuesta, traa consigo un elevado gasto econmico para el usuario, energtico y econmico para el pas, as como ecolgico para el mundo. As pues, es imperante que las nuevas viviendas a ser construidas sean adecuadas a cada tipo de clima. El espectro de posibilidades es muy amplio, pero de gran inters es la adecuacin de la vivienda denominada econmica en el clima clido-seco debido a la gran cantidad de las mismas que se est construyendo. Para adecuar las viviendas se pueden recurrir a muchas tcnicas o sistemas, destacando las tcnicas bioclimticas, caracterizadas porque requieren poco o nulo manejo del usuario y por su bajo costo en muchos casos. La eleccin de las tcnicas ms adecuadas no slo se debe basar en su sencillez de instalacin, precio y durabilidad, sino en el efecto neto que han de tener ya sea sobre el incremento de confort o en la disminucin de consumo energtico por climatizacin. Para ello es preferible recurrir a la simulacin trmica por computadora.

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Justificacin

La Roche, P. (2005) menciona que el mercado de economas desarrolladas ocupa aproximadamente el 20% del total mundial, pero consume el 60% de la energa. Por otro lado, las economas en desarrollo, que utilizan plantas elctricas viejas e ineficientes, crecen a un ritmo de 1.4-2.4% anual, mientras que las desarrolladas lo hace a 0.4% anual.

El Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF, 2005) menciona que Mxico produjo 571,000,000,000 kg de dixido de carbono equivalente (CO2eq) a causa de la electricidad producida en plantas pblicas en el 2001. La Grfica 0.2 muestra la proyeccin de emisiones a los prximos aos de acuerdo a la segunda Comunicacin Nacional de Mxico con la Convencin sobre Cambio Climtico en el Marco de las Naciones Unidas (UNFCCC) refirindose tan slo a las emisiones causadas por combustin de combustible, en escenario medio con 4.5% de crecimiento anual en el valor total del mercado de insumos y servicios finales producidos en el pas (GDP).

Grfica 0.2 Tendencias en las emisiones. Obtenida de WWF (2005).

El Balance Nacional de Energa (BNE, 2005) report que en el 2004 el 20.6% del consumo nacional de energa correspondi al subsector residencial, lo que significaron 842.182 PJ.

Segn la Secretara de Energa (SENER, 2006), el sector residencial, comercial y pblico fue el segundo gran consumidor de energa elctrica durante el periodo 1994-2004 con 24.9%, representando el sub-sector residencial el 83.6%, mismo en el que se prev un incremento de demanda elctrica del 5.1% para el periodo 2005-2013.

Asimismo, el sector residencial, comercial y de servicios ocup el 7.64% de total nacional en emisiones de gases efecto invernadero (GEI) en el periodo 1990-2002. Solamente en el 2002 emiti 19.3 millones de toneladas de CO2,eq (Secretara de Medio Ambiente y Recursos Naturales -SEMARNAT, Instituto Nacional de Ecologa -INE, 2006).

En el consumo residencial de clima clido destaca la demanda de energa elctrica a causa del acondicionamiento de espacios, que segn Rosas-Flores, J. (2006) puede incrementarse hasta tres veces durante el verano.

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La atencin a la demanda elctrica nacional es enfrentada desde varios frentes, que van desde el incremento en la capacidad de generacin instalada hasta la inclusin de programas para disminuir la demanda (horario de verano, lmparas fluorescentes compactas, normas, etc.)

La autogeneracin, aunque ya es una realidad con el nuevo permiso para interconectarse a la red de CFE, an est lejana de ser una medida importante, en parte porque la electricidad nacional est subvencionada, haciendo que el costo de autoproducirla no sea atractivo. El precio medio de compra a CFE por kWh residencial fue slo desde $0.76/kWh para tarifa 1F hasta $0.88/kWh para tarifa 1. Aunque en las tarifas donde el clima es ms clido, la subvencin hace que el precio unitario sea menor y la entrada a modalidad domstica de alto consumo (DAC) es mucho ms tarda que en tarifas con clima templado. Entre mayor la temperatura, mayor la subvencin debido a que la gente requiere usar ms electricidad debido al aire acondicionado. El diseo bioclimtico puede tener un efecto apreciable en mitigar la demanda elctrica a travs de reducir la necesidad de utilizar aires acondicionados, y su efecto ser ms visible entre ms alta sea la temperatura ambiental, siendo un caso tpico el clima clido-seco. La Grfica 0.3 muestra como el consumo elctrico depende de la tarifa. Entre parntesis se muestra la temperatura mnima promedio de verano que debe tener la localidad para pertenecer a dicha tarifa. La tarifa 1 no tiene un mnimo. No se incluye el DAC.

Grfica 0.3 Consumo medio mensual dependiente de la tarifa. (Elaboracin propia basada en datos obtenidos de CFE, 2006).

Objetivos

Se pretende evaluar cuantitativamente, mediante simulacin trmica, el grado de utilidad que tienen individualmente una serie de tcnicas bioclimticas sobre una vivienda econmica en seis ciudades con clima clido-seco. La evaluacin ocurre a travs de dos frentes: disminucin en el consumo elctrico anual debido a climatizacin de la vivienda, y mejora en el confort en caso de no acondicionar el espacio.

Consumo Promedio Mensual Dependendiente de la Tarifa (Temperatura)

0

100

200

300

400

500

600

1 1A (25C) 1B (28C) 1C (30C) 1D (31C) 1E (32C) 1F (33C)Tarifa (Temperatura Mnima)

kWh

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Estructura

Como previo, se presenta una introduccin al problema del consumo energtico por climatizacin, la justificacin de analizar medidas bioclimticas en vivienda econmica y los objetivos del trabajo. El Captulo I presenta los antecedentes correspondientes a simulaciones y evaluaciones trmicas en clima clido-seco, en especial aplicadas a vivienda social mexicana. El Captulo II analiza por una parte el consumo elctrico residencial en el norte de Mxico, y por otra las caractersticas especficas de la vivienda econmica elegida. El Captulo III realiza una introduccin a la energa solar y grficas solares, as como del bioclima de las ciudades elegidas. El Captulo IV presenta caractersticas de modelos de confort as como diagramas de confort para las ciudades elegidas. El Captulo V muestra diversas guas de diseo bioclimtico y analiza las principales tcnicas bioclimticas en la literatura. El Captulo VI introduce la transferencia de calor en la edificacin y analiza diversos programas o sistemas de simulacin trmica para determinar el ms adecuado. El Captulo VII muestra los resultados de las simulaciones para cada tcnica aplicada de manera individual. El Captulo VIII presenta conclusiones y recomendaciones.

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1 ANTECEDENTES

Los antecedentes presentados corresponden a simulaciones y/o evaluaciones de tcnicas bioclimticas, especialmente en clima clido seco mexicano.

Aunque algunos trabajos incluyan elementos activos, en general slo se mostrarn los pasivos, entendindose aqullos como los que no requieren intervencin continua del usuario ni conectarse a fuentes de energa (incluyendo fotovoltaica, elica y otras energas alternativas). Es de mencionar que esta definicin va ms con la forma intuitiva de considerar lo que es un sistema pasivo, en vez de la obtenida del Seminario-Taller de Heliodiseo y Aplicacin de Fuentes no Convencionales de Energa en la Vivienda y los Asentamientos Humanos celebrado en Quito, Ecuador en 1980, misma que Hernndez et al. (1980-a) reporta de acuerdo a la definicin de Factor de Aprovechamiento (FDA), expresado como la fraccin obtenida de dividir la Energa til suministrada por una fuente no convencional entre Energa suplementaria de origen convencional, clasificando los sistemas como pasivos ( 50FDA ), hbridos ( 20 50FDA < ) y activos ( 20FDA < ).

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1.1 Simulacin y Evaluacin de Vivienda en Clima Clido-Seco Mexicano

En esta seccin se presentan antecedentes sobre diseo y evaluacin de viviendas mexicanas en clima clido-seco.

Se presentan tanto prototipos diseados (y a veces construidos) por investigadores individuales como por el INFONAVIT. Las evaluaciones se realizan, dependiendo del caso, mediante mediciones in situ, de manera terica a travs de clculos matemticos o a travs de simulacin computarizada.

1.1.1 Vivienda en Mxico

Alcal et al. (1980) disearon un prototipo de vivienda con climatizacin pasiva para el Valle de Atemajac, Jalisco. Los sistemas de climatizacin pasiva que propusieron para enfriamiento (no entraron en detalles) son: enfriamiento evaporativo, enfriamiento por conveccin, control de asoleamiento por elementos naturales y artificiales. Hinojosa et al. (1980) mostraron proyectos de investigacin sobre climatizacin solar pasiva en zonas ridas desarrollados por la universidad de Sonora. Tomaron el clima de la ciudad de Hermosillo como representativo de este tipo de zonas, en especial del noroeste clido-seco extremoso. Al momento del informe, apenas se estaban construyendo los prototipos. El prototipo A tena enfriamiento por disipacin de radiacin infrarroja hacia el espacio durante la noche utilizando como almacn trmico el techo; consideraron que aunque la zona desrtica presenta mucho polvo, no debe ser factor determinante en la eficiencia del sistema. El mdulo B presentaba conveccin natural en colectores solares de aire (techo y paredes laterales) introduciendo aire que ha transferido su calor a un lecho rocoso (mismo que tendra enfriamiento evaporativo en periodos ms calurosos) que sera enfriado por las noches haciendo circular forzadamente aire fresco en sentido contrario, mismo que sera obtenido mediante disipacin de radiacin infrarroja y/o evaporacin nocturna. El mdulo B requera de 3 turbinas elicas.

Hernndez, E. y Rebolledo, M. (1980) mostraron el programa piloto para el aprovechamiento de la energa solar en la vivienda INFONAVIT en las localidades de Ciudad Cuauhtmoc, Chihuahua, La Paz, B. C. S. y San Luis Potos, S. L. P. Cd. Cuauhtmoc tiene un clima seco tipo estepa a una altitud de 2210 msnm. Se colocaron dos prototipos con superficie de 79 m2 y volumen de 205 m3, de una planta cada casa. La orientacin fue O-P. Se usaron sistemas de ganancia directa de calor por orientacin y con techo tipo diente de sierra. Se us ventilacin cruzada y torre de viento, termocontenedor y aislantes trmicos. Los prototipos de La Paz fueron dos de 72 m2 de superficie y 164 m3 de volumen de una sola planta en la Unidad Carballo. Se optimiz la iluminacin natural para disminuir las cargas por luminarias. Cont con calentamiento de agua por termosifn y celdas fotovoltaicas para produccin de electricidad autoconsumida. Hernndez et al. (1980-b) continuaron con mostrar los prototipos de vivienda solar INFONAVIT en Ciudad Cuauhtmoc, Chihuahua, La Paz, B. C. S. y San Luis Potos, S. L. P. Las dos primeras an no estaban concluidas. El prototipo de Ciudad Cuauhtmoc (clima seco tipo estepa) tena una superficie de 79m2 y un volumen de 205 m3 con una sola planta, con orientacin Oriente-Poniente. La climatizacin para enfriamiento corri por un alero fijo de regulacin

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estacional y con refleccin en la superficie interior para ganancia solar cuando se requera, similarmente se us un sistema diente de sierra con reflexin interior estacional, ventilacin cruzada, turbina de viento, muro central de almacenamiento de energa con termocontenedores de agua, termocontenedores de agua en la fachada Sur, techumbre con aislante trmico de 3 de placas de espuma de poliestireno, fachadas Sur, Oriente y Poniente con aislante trmico a base de 5 cm. de placas de poliestireno. El prototipo de La Paz (clima clido desrtico) tena una superficie de 72 m2 y un volumen de 164 m3 con una sola planta con orientacin Noreste-Suroeste. La climatizacin pasiva para enfriamiento ocurri por aleros para la captacin de brisas y vientos predominantes con doble techumbre metlica para la circulacin continua del aire, estando la superior recubierta por una superficie selectiva para al disipacin nocturna de radiacin infrarroja hacia el espacio, la techumbre inferior llevara termo-contenedores de plstico con agua para incrementar la inercia trmica del sistema y como amortiguador oscilatorio de temperaturas. Ocadiz, H. et al. (1989) utilizaron un mtodo propio de balance trmico aplicable a edificaciones para evaluar contribuciones trmicas en dos casas de inters social prototipo del INFONAVIT en La Paz, B. C. S. y San Luis Potos, S. L. P. El caso de La Paz (clima clido desrtico) aplicado a un da de diseo de calor, present diseos bioclimticos tales como: doble techumbre con placa de poliestireno, con excedente para funcionar como alero y abierta en los extremos para permitir el paso del viento, termocontenedores de agua en la parte media del techo para aumentar la carga trmica y la resistencia al flujo de calor, ventilacin cruzada para cuando la temperatura del aire exterior fuera a la interior, turbina elica que aprovecha las pendientes del techo, aleros, muros de block hueco con aislamiento, y recubrimiento de poliestireno. El balance dio como resultado una transferencia de calor en muros de 490 W, en techumbre de 1,611 W, en ventanas de 1,317 W, en ventilacin de -4,580 W, en ocupantes de 900 W, con un total de -262 W. El signo final negativo muestra que existe un flujo de calor hacia el exterior. Caldern, R. et al. (1997) analizaron tres espesores de dos tipos de retardantes trmicos para la poca de calor de Mexicali. 17 modelos trmicos diferentes fueron evaluados. Se utiliz el programa SUNCODE para simular dos viviendas tpicas. La capacidad mxima de enfriamiento se redujo, dependiendo del caso, entre 20 y 33%. Chan et al. (1999) aplicaron a una vivienda tpica de Mexicali el uso de aislamiento en muros y techos (tenan muros de block de concreto y techo de concreto en un caso techo de concreto y muro de ladrillo en otro), lo que redujo un 58-62% la necesidad de enfriamiento. Aislar slo el techo en ambos casos redujo 20-35%. El aislamiento en muros Oeste no result significativo.

Daz, R. y Morilln, D. (1999) evaluaron una vivienda del Instituto del Fondo Nacional de la Vivienda para los Trabajadores (INFONAVIT) aplicando la metodologa del anteproyecto de norma NOM-020-ENER-1998. Se determin que el cumplimiento de la norma es muy difcil en la mayora de los casos. Para Mexicali, la ganancia de calor fue de 7,462.47 W, mientras que la norma dicta 4,567.97 W. Para Monterrey fue de 6,126.48 W contra 4,251.65 W de la norma. Corral, M. (2000) utiliz simulacin trmica para evaluar criterios de adecuacin ambiental para vivienda popular en Mexicali. Encontr que aplicando las estrategias de adaptacin trmica ambiental ms usuales de manera integral, es posible reducir ms del 50% de la carga interna total anual de enfriamiento. Las estrategias fueron: aislamiento en muros de block al este y oeste con poliestireno de 0.025 m, muros de ladrillo (baja conductividad y mayor resistencia trmica) en sustitucin del block, aplanado exterior y yeso interior, pintura clara en muros exteriores, doble techo sombreador, cubierta de madera aislada con poliestireno de 0.05m, y varios elementos de sombreado.

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Bojorquez, G. et al. (2000) utilizaron simulacin trmica para estudiar el comportamiento en tres prototipos de vivienda para clima desrtico del INFONAVIT, con diferentes reas y volmenes. Dos presentaban estrategias de adecuacin ambiental, teniendo temperaturas mximas interiores de 44 y 48C, con un requerimiento de enfriamiento de 0.030 Ton/m3 y 0.035 Ton/m3 respectivamente. La que no presentaba estrategias, tuvo una temperatura mxima de 48C y un requerimiento de enfriamiento de 0.038 Ton/m3.

Corral, M. y Gonzles, A. (2001) presentaron criterios de seleccin de estrategias y tcnicas de adecuacin ambiental para vivienda popular en zona rida (caso de estudio: Mexicali, B. C.) Una evaluacin trmica en estado dinmico mostr que es posible retirar ms del 50% de la energa interna con aplicar estrategias de adecuacin trmica y ambiental. La Grfica 1.1.1 muestra las condiciones ambientales de confort segn la carta de Olgyay, en la que 37.5% del ao mantiene condiciones de fro, 33.3% crtico de calor, 29.2% confort. La Tabla 1.1.1 muestra el resumen de las tcnicas que encontraron para adecuacin, basados primeramente en (citan) Watson, D. (1983). Mencionan que 29.9% de los hogares en el lugar pertenecen a vivienda popular y que 67% de las viviendas usan enfriamiento evaporativo (coolers) citando para este dato al XV Ayuntamiento de Mexicali, Copladem/IIS-UABC (1997). Este es un problema en ciertos meses, ya que agosto y septiembre son clidos (31.7C), pero tambin relativamente hmedos (50.4%), y entonces el efecto del cooler es mnimo y no se logran tanto confort, aunque s un gran gasto energtico. Como prototipo de vivienda no se recurri a la autoconstruida ya que depende mucho del usuario, en vez de ello, se utiliz el prototipo conocido como vivienda progresiva construido por (citan) Inmobiliaria del Estado de Baja California (1995). Se construye en lotes de 160 m2 con un pie de casa de 23.29 m2. El prototipo es para ingresos inferiores de 2.5 SM y se muestra en la Figura Figura 1.1.1 Se construye con muros de bloque de concreto aparente de 0.15 m x 0.20 m x 0.40 m y pintura vinlica clara, techo horizontal con cubierta de madera de 0.02 m sobre barrotes de 0.05 m x 0.1 m de seccin, e impermeabilizado con cartn negro y arenado. El programa de simulacin utilizado fue DOEPlus con orientaciones tpicas (N-S y E-O) y temperatura de diseo de 28C por considerarse que el tradicional de 25C es muy difcil de alcanzar con enfriamiento evaporativo. Se encontr una potencia mxima necesaria de 11.7 kW (equivalente a 3.5 toneladas). Las estrategias consideradas fueron: ventilacin diurna (V) por ventanas (lmite de efectividad a 2m/s, T 32C, HR de 10-50%), masa trmica (MT) (lmite de efectividad T 38C y HR de 8% y el espacio disponible en lote), enfriamiento convectivo (EC) nocturno (lmite de efectividad Tmxima exterior diaria 36C y HR 30%), enfriamiento evaporativo (EE) (lmite de efectividad T 24C de bulbo hmedo y T 44C de bulbo seco). Con base en los lmites de efectividad y las condiciones climticas por estaciones, se presenta en la Grfica 1.1.2 cules seran las caractersticas de adecuacin ambiental en cada hora y mes. La Grfica 1.1.3 muestra la reduccin de energa trmica a retirar antes y despus de la adecuacin (doble techo y aleros sobre muros y resistencia trmica mediante aislamiento sobre techo y muros con poliestireno expandido de 2 y 1 respectivamente). Se logr reducir ms del 60% de la energa a retirar (y por ende de la potencia mxima).

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Grfica 1.1.1 Condiciones tpicas de confort durante el ao para los habitantes de Mexicali, B. C. Corral, M. et al. (2001).

Tabla 1.1.1 Estrategias de adecuacin para verano. Corral, M. et al. (2001).

Figura 1.1.1 Prototipo de vivienda popular para sectores populares de bajos ingresos en Mexicali, B. C. Corral, M. et al. (2001).

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Grfica 1.1.2 Requerimientos mensuales de adecuacin ambiental de la vivienda popular. Corral, M. et al. (2001).

Grfica 1.1.3 Comportamiento de la energa a retirar (MWh) y potencia mxima (kW) del prototipo de vivienda sin y con estrategias de adecuacin y el porcentaje de reduccin. Corral, M.

et al. (2001).

Morilln, D. (2003) present el comparativo mediante simulacin trmica entre tres viviendas, dos de las cuales fueron bioclimticas y una tercera no. El prototipo A fue diseado por la Arq. Mara Corral, la planta presenta eje N-S (misma que en los otros dos) con acceso principal al N, en la elevacin principal se usaron partesoles y losas inclinadas a 15 para minimizar la incidencia de los rayos solares sobre ellas. El prototipo B fue diseado por el estudiante de Arquitectura, Josu Garca, y presenta las losas de la recmara inclinadas al N, las de la cocina al O, y las de acceso son planas, el muro E de la recmara es doble con una cmara central de aire y salidas en la parte superior para extraer el aire caliente; pretiles y paneles solares se usaron para sombrear parte de la losa. El prototipo C fue una vivienda INFONAVIT construida en Mexicali, B. C. en la que no se consider ninguna estrategia de adecuacin ambiental; el acceso principal se localizaba al NO; las ventanas no tenan proteccin solar; Las losas eran planas con sentido N-S; pretiles de 0.20 y 0.40m y puertas sin proteccin solar. Se utiliz el programa DOEPLUS 2.0 (DOE-2.1e) para simular la casa una sola zona. La temperatura de diseo fue de 25C. No se consideraron sombreados externos ni cargas internas. La infiltracin fue de un cambio de aire por hora (ca/h). El archivo meteorolgico utilizado fue el de El Centro, California en EUA, localizado a 18km de Mexicali, B. C. Los muros fueron de bloque de concreto de 0.15 m, sin aplanado en ambas caras, losa de concreto armado de 0.1 m, piso de concreto de 0.1 m, ventanas de vidrio sencillo, pintura blanca en muros exteriores, pintura reflejante en techos. El prototipo A tena un rea de piso de 45.81 m2 y volumen 125.6 m3, el prototipo B 45.81 m2 y 133.6 m3 y el prototipo C 45.31 m2 y 108.75 m3. El prototipo B tuvo 60% y 70% mayor rea de ventanas que los prototipos A y C respectivamente. El prototipo A presentaba 150.44 m2 de rea en muros por 47.31 m2 en loza, el prototipo B 101.49 m2 y 52.68 m2 respectivamente, mientras que el prototipo C presentaba slo 69.99 m2 y 45.31 m2 respectivamente. En la Tabla 1.1.2 se muestra el mximo enfriamiento requerido y la temperatura mxima interior.

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Tabla 1.1.2 Requerimientos mximos de enfriamiento neto y por m3, as como la temperatura interior mxima. Reproducida de Morilln, D. (2003). Requerimientos de enfriamiento y temperatura mxima interior

A B C

Mx. enfriamiento requerido (kW) 13.35 16.46 14.65 Mx. enfriamiento req. por m3 (kW/m3) 0.106 0.123 0.135 Toneladas d