Revista Polo del Conocimiento


Open Journal Systems

 

 

 

Disminucin de temperatura interna de una vivienda de inters social mediante el uso de enfriamiento pasivo

 

Reduce the internal temperature of a social interest houses throught the use of passive cooling

 

Diminuio da temperatura interna de uma habitao social atravs do uso de refrigerao passiva

Danny Adrin Moreira-Lectong I
dmoreira9528@utm.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8358-7000
Ramona Albertina Panchana-Cedeo II
ramona.panchana@utm.edu.ec  https://orcid.org/0000-0002-0763-5426
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

 

 

Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculo de Investigacin

 

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

 

        I.            Ingeniero Civil, Estudiante de la Maestra en Ingeniera Civil Mencin Construccin de Vivienda de Inters Social, Instituto de Posgrado de la Universidad Tcnica de Manab, Gerente de Proyectos de la Constructora de Soluciones Inmobiliarias TEODANMAR C.L. Investigador Independiente, Portoviejo, Manab, Ecuador.

      II.            Ingeniera Civil Magster Scientiarum en Energa, Docente Principal Tiempo Completo Departamento de Construcciones Civiles, Facultad de Ciencias Matemticas Fsicas y Qumicas, Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Manab, Ecuador.

 

 

 

 


 

Resumen

Se propone un diseo para el enfriamiento pasivo de una tipologa de vivienda de inters social en Manta, Ecuador aprovechando el potencial trmico del suelo y del agua. Se utiliz un enfoque mixto cuantitativo-cualitativo, se consideraron mtodos numricos para cuantificar los valores de disminucin de temperatura, se hizo el diseo del sistema de ducto de enfriamiento pasivo y dems parmetros de confort y se emple un sistema de captacin por ventilacin pasiva y de ductos de tuberas de PVC enterrados a 3 metros de profundidad, distancia desde el suelo con diferencias de temperatura de hasta 8.7 C en relacin a la temperatura mxima promedio exterior, el caudal de renovacin de aire requerido para la vivienda estudiada fue de 76.64 m3/hr. Se realizaron los clculos para una velocidad de 3m/s. Se logran las temperaturas requeridas para mejorar el confort trmico de la vivienda con una longitud terica de 24m y 100mm de dimetro con el cual se disminuye la temperatura interior de 29 C a 24 C. Se logr adaptar el sistema de enfriamiento pasivo diseado con tubos enterrados a la vivienda de inters social tipologa 1 de la urbanizacin Renacer en Manta con xito, ya que en el estudio de idealiz que la temperatura del suelo no vara se utiliz la cisterna existente considerando que el agua tiene una capacidad calrica e inercia trmica mayor a la del suelo.

Palabras clave: Viviendas Sociales; Enfriamiento Pasivo; Captador; Temperatura; Potencial Trmico.

 

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

Prope-se um projeto de resfriamento passivo de um tipo de habitao popular em Manta, Equador, aproveitando o potencial trmico do solo e da gua. Foi utilizada uma abordagem quantitativa-qualitativa mista, foram considerados mtodos numricos para quantificar os valores de diminuio da temperatura, foi feito o dimensionamento do sistema de condutas de refrigerao passiva e outros parmetros de conforto e foi utilizado um sistema de captao de ventilao passiva. profundidade, distncia do solo com diferenas de temperatura de at 8,7 C em relao temperatura mdia externa mxima, o fluxo de renovao de ar necessrio para a habitao estudada foi de 76,64 m3/h. Os clculos foram feitos para uma velocidade de 3m/s. As temperaturas necessrias para melhorar o conforto trmico da casa so alcanadas com um comprimento terico de 24m e 100mm de dimetro com o qual a temperatura interior diminuda de 29 C para 24 C. Foi possvel adaptar com sucesso o sistema de resfriamento passivo projetado com tubos enterrados habitao social tipo 1 da urbanizao Renacer em Manta, pois no estudo foi idealizado que a temperatura do solo no varie, a cisterna existente foi usada considerando que a gua tem uma maior capacidade de calor e inrcia trmica do que o solo.

Palavras-chave: Habitao Social; Resfriamento Passivo; getter; Temperatura; Potencial Trmico.

 

Introduccin

La vivienda es un mini ecosistema humano y las personas pasan cada vez ms 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 generacin de este documento an 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 diseos de estas viviendas influencias directas en la percepcin de comodidad de las familias que cobijan dictando incluso la cantidad de tiempo que las personas eligen pasar en confinamiento. En las viviendas de inters social, cuyas caractersticas cambian en torno a las polticas pblicas 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 Mxico en VIS ubicadas en Culiacn la insatisfaccin por sus viviendas en confinamiento lleg a nada en un 5.5% de sus habitantes de 18 a 24 aos y 13.6% de sus habitantes de entre 41 y 50 aos (Lpez, 2021) A mayor cantidad de tiempo dentro del hogar aumenta la necesidad de contar con un ambiente cuyos parmetros de confort sean ptimos para el cuerpo humano. En pases tropicales cuyas temperaturas implican una constante bsqueda de confort trmico los sistemas de aclimatacin significan un eje crucial en los hogares. Existen mtodos de aclimatacin pasiva probados mediante la simulacin por computadora del comportamiento interno del flujo de aire ingresado a una vivienda por captacin pasiva, deben ser estudiadas las condiciones internas y externas de la vivienda (Hernndez & Ortiz, 2017). Dispositivos como el Eco-cooler desarrollado hacia comunidades de escasos recursos asentadas en localidades cuyas altas temperaturas afectan el confort trmico para el interior de sus viviendas y, que debido a sus caractersticas econmicas o de ubicacin remota les significa inalcanzable una solucin de climatizacin tradicional como los aires acondicionados o ventiladores, se presentan como soluciones innovadoras ya que, este por ejemplo consiste en la utilizacin de los principios de enfriamiento pasivo: ubicado en un punto de la vivienda de mxima velocidad para el ingreso del viento, la cara de la botella recortada con el rea mayor se encuentra en la direccin contraria a la del viento produciendo una compresin del viento al ingresar y luego una expansin abrupta del mismo (Ch, et al 2018). Los aplicativos de las torres de viento representan tambin el sustento de la premisa que la distribucin espacial interna adecuada aporta al enfriamiento de espacios una vez implementado un captador eficaz de ventilacin pasiva, as mismo, un hbrido entre torre de enfriamiento que atraviese un depsito de aguas subterrneas (cisterna en caso de viviendas) representa un ahorro energtico del 70% comparndolo con un mini Split promedio (Briceo-Benard, 2018). Se considera el enfriamiento geotrmico como una herramienta en la implementacin de enfriamientos pasivos en hogares con buenos resultados en la arquitectura bioclimtica en ambientes ridos, a profundidades de tres metros existen diferencias de temperatura de 8.7C entre el aire externo y la tierra (Cnsulo et al., 2019). En pases con climas similares al de Ecuador como Mxico, con el crecimiento inmobiliario surgieron casas cuyos diseos no aportan al confort trmico de sus habitantes, propiciando el uso excesivo de acondicionadores de aire lo cual resulta en un perjuicio para el medio ambiente, aade valores a su costo de vida. Esto ocurre en los periodos de alto crecimiento del mercado inmobiliario caracterizado por la construccin 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 Psicolgica, como sensacin trmica de confort es 1823C (Johansson & Yahia, 2012), en Manta la temperatura promedio mxima fue 29 C . (  WeatherSpark.com, 2022). En Ecuador ya existen estudios que integran la posibilidad de aumentar el confort trmico de las viviendas con mtodos sostenibles, en Cuenca en un estudio de posgrado se determinaron los lineamientos base para un diseo con considerable confort higrotrmico para el clima de la sierra y fue evaluado mediante programacin por computadora (Navas & Xavier, 2018). Localmente las tipologas de vivienda ofertadas al pblico de forma privada o gubernamental para dar solucin al dficit habitacional solo se distinguen por variaciones del rea ms no integrando cambios significativos en la distribucin espacial. En el ao 2018 la empresa MarketWatch realiz un estudio inferencial mediante entrevistas en la ciudad de Quito y determin la distribucin espacial con mayor inters a compra, siendo sta una vivienda con tres dormitorios y dos baos completos (www.marketwatch.com.ec 2018). Entonces lgicamente la mayora de proyectos inmobiliarios, no varan sus criterios de diseo al concebir la vivienda solo como un producto. Estos diseos arquitectnicos se convierten en un objetivo perfecto para aclimatar implementando alternativas que contribuyan al confort trmico dentro de las viviendas familiares al mismo tiempo que sean econmicamente sustentables, y sostenibles ecolgicamente.

La investigacin llevada a cabo tuvo como objetivo presentar un diseo de enfriamiento pasivo para disminuir la temperatura interna de la tipologa de la vivienda mediante un sistema de captacin del aire externo a la vivienda, un sistema de tubo enterrado que transporte el aire externo hacia la zona comn de la vivienda (sala- comedor) y as disminuir la temperatura interna de la vivienda aprovechando la prdida de calor por transferencia hacia el suelo a menor temperatura.

 

 

Metodologa

Tipo de investigacin

Se presenta un enfoque mixto cuantitativo-cualitativo, se consideraron mtodos numricos para cuantificar los valores de disminucin de temperatura, diseo del sistema de ducto de enfriamiento pasivo y dems parmetros de confort.

 

Tareas de investigacin

Las tareas de la investigacin que se realizaron fueron las siguientes:

         Seleccionar la tipologa de vivienda en la cual se adapt el captador considerando distribuciones espaciales acordes a la aceptacin y realidad inmobiliaria de Manta.

         Disear el sistema de enfriamiento pasivo mediante ductos enterrados calculando los esquemas propuestos en funcin la varianza de la temperatura interna de la tipologa de inters social.

 

Mtodos, tcnicas y procedimientos de investigacin

Mediante el anlisis sntesis se analizaron diseos de captadores de ventilacin pasiva estudiados por diversos autores.

Mediante el mtodo histrico lgico se seleccion la tipologa de vivienda a adaptar, sistema considerando distribuciones espaciales acordes a la realidad inmobiliaria de Manta. El anlisis de la temperatura y humedad ptimas para una sensacin trmica de confort se bas en estudios cualitativos existentes. En base a la informacin recopilada se dise el dispositivo con los principios enfriamiento pasivo de la torre de viento y parmetros de ingreso aerodinmico de ventilacin pasiva.

 

Resultados y discusin

Caso de estudio

Se seleccion como caso de estudio a la Urbanizacin Renacer al ser un conjunto de viviendas de inters social calificado por el ente regulador de hbitat y vivienda ecuatoriano (Miduvi, 2021) tambin se tom en consideracin que su costo por metro cuadrado a la venta es $569.57, es decir 1.34 salarios bsicos unificados ecuatorianos. La tipologa 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 metlica, de tres habitaciones y un bao. Estn 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 cncava y no alineada al eje del ducto. Est ubicada a 20 centmetros desde el ducto de ingreso. Este diseo 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 cambiara en funcin a su vida til.

 

Figura 1: Distribucin de la tipologa de vivienda caso de estudio, Ilustracin elaborada por el autor.

Acorde a la NEC Eficiencia Energtica en Edificaciones Residenciales (EE) -2018 el caudal de la vivienda es calculado en funcin al requerimiento de aire fresco mediante la metodologa ASHRAE 62.2:

𝑄𝑡𝑜𝑡 = 0.15𝐴𝑝𝑖𝑠𝑜 + 3.5(𝑁𝑑𝑜𝑟𝑚 + 1)

Y el clculo especfico del caso de estudio sera:

Se considera un ducto de tubera de PVC de 100mm y espesor de pared de tubera de 2mm siendo su conductividad trmica 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 necesitara 1 ducto:

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

Se consider como temperatura del aire exterior (Tae) la temperatura mxima promedio de la estacin meteorolgica ms 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 clculo de resistencia de conduccin (Rcond) del tubo se toma el espesor de la pared de la tubera de PVC y se lo relaciona con la conductividad trmica del material:

La siguiente frmula se utiliza para el clculo de la resistencia de conveccin y se encuentra en funcin a la velocidad del aire:

Por lo tanto, la resistencia trmica del conducto (tubera) resulta de la suma entre la resistencia de conduccin y conveccin:

Otros parmetros necesarios a considerar son la entalpia del aire seco y el volumen especfico del aire tanto para el aire de entrada (29 C) y para el aire de salida (24 C). Se utiliz la herramienta Diagrama Psicomtrico ya que permite calcular cualquier parmetro de confort higrotrmico conociendo al menos tres parmetros (Baruch, 1969), de los cuales se pudo partir con la elevacin de la ubicacin de estudio con relacin al nivel del mar, la temperatura de bulbo seco de entrada y salida y la humedad relativa para el periodo ms caluroso en Manta:

Obteniendo as la energa que se debe extraer dentro del ducto para llegar la temperatura de diseo (Ee). A continuacin, se calcul el rea para el intercambio energtico:

Finalmente, para obtener la longitud (L) de la tubera 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 dimetros ms usados localmente en tuberas de PVC, con una pendiente del 1% para drenar las partculas de agua de condensacin 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 consideracin el diseo 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 cncavo y no alineada al eje del ducto y ubicarse a 20 centmetros desde el ducto de ingreso funciona para este y todo diseo 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 24C siendo la disminucin mxima de temperatura posible tericamente 5C, si las velocidades en el flujo llegaran a disminuir no representara un inconveniente ya que el requerimiento de caudal es 76.64 m3/s. Se logr adaptar el sistema de enfriamiento pasivo diseado con tubos enterrados a la vivienda de inters social tipologa 1 de la urbanizacin Renacer en Manta con xito, ya que en el estudio de idealiz que la temperatura del suelo no vara se utiliz la cisterna existente considerando que el agua tiene una capacidad calrica e inercia trmica 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.      Briceo-Benard, I. (2018). Prototipo de sistema de torre de viento para enfriamiento habitacional hbrido en clima clido. Caso de estudio vivienda urbana en Sinaloa, Mxico.

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.      Cnsulo, M., Kurbn, A., Tosetti, S., & Montilla, E. (2019). POTENCIAL DE ENFRIAMIENTO GEOTRMICO PARA EDIFICACIONES EN ZONA RIDA. Revista hbitat sustentable, 9(2), 42-51. https://doi.org/10.22320/07190700.2019.09.02.04

5.      Hernndez, P. P., & Ortiz, J. L. L. (2017). INCREMENTO DEL CONFORT TRMICO EN LAS VIVIENDAS DEL ESTADO GUANAJUATO A TRAVS DE ENFRIAMIENTO PASIVO. JVENES 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.      Lpez, M. V. (2021). Habitabilidad de la vivienda en tiempos de pandemia por Covid-19 en Mxico. El caso de Culiacn. EHQUIDAD. Revista Internacional de Polticas de Bienestar y Trabajo Social, 15, Art. 15. https://doi.org/10.15257/ehquidad.2021.0004

8.      Marincic, I., Ochoa, J. M., & Ro, J. A. del. (2012). Confort trmico 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 diseo pasivo para brindar confort higro-trmico en un modelo de vivienda mnima de la ciudad de Cuenca. http://dspace.ucacue.edu.ec//handle/reducacue/8074

10.  Sanchez, J., Salmern, J. M., Sanchez, F. J., Alvarez, S., & Molina, J. L. (2012). Ventilacin natural: Estudio aerodinmico mediante CFD de extractores pasivos y captadores de viento. Revista ingeniera de construccin, 27(1), 40-56.

 

 

 

 

 

 

 

2022 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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

 

 

 

 

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