Evaluación sistemática del desempeño térmico de un módulo experimental de vivienda alto andina para lograr el confort térmico con energía solar

Abstract

El objetivo general del presente trabajo es comparar el desempeño térmico de un Módulo Experimental de Vivienda (MEV) mediante una evaluación sistemática que comprende una serie de doce configuraciones de medida del MEV, sin operatividad, hasta su operatividad que incluye pernoctación, actividad humana, uso de cocinas a gas, uso de dos sistemas de calefacción solar activos, y la operatividad de contraventanas. Este objetivo se fundamentó en las mediciones de temperatura y humedad considerando la primera como el parámetro principal de análisis térmico para verificar el desempeño térmico del MEV mediante el incremento de temperatura interior respecto al exterior y las ganancias de este mismo parámetro según la operatividad del MEV dado a que la variación entre la temperatura diaria promedio interior y exterior, muestran la eficacia de las estrategias de calentamiento o enfriamiento pasivo. En base a ello, los incrementos de temperatura al interior del MEV considerando una operatividad concienzuda de sus técnicas bioclimáticas implementadas y ganancias internas para alcanzar su comodidad térmica, son del orden de los 9.45°C en promedio y, de hasta 16.62°C en horas críticas de la madrugada respecto a la temperatura exterior de -7.09°C a las 6:00am. El estudio se complementa con simulaciones térmicas dinámicas utilizando el software EnergyPlus apoyado del entorno gráfico en 3D SketchUp e interfaz OpenStudio para determinar las cargas térmicas de calefacción y refrigeración del MEV considerando la temperatura de neutralidad (16.86°C) constante para el caso en estudio donde se ubica el MEV. Se comprueba el ahorro de las cargas térmicas en un 50% en comparación a mantener el MEV a una temperatura estandarizada constante de 20°C evitando con ello sobreestimar la demanda energética en calefacción o refrigeración. Posteriormente el modelo es validado utilizando el EnergyPlus comparando las mediciones reales realizadas en este módulo de vivienda. Los resultados muestran un buen acuerdo entre la simulación y los datos experimentales, con una diferencia de temperatura promedio entre lo medido y simulado de 0.28°C. El trabajo realizado es netamente experimental de campo donde se describen el efecto experimental de doce configuraciones de medida incluyendo el efecto de la actividad humana en el desempeño térmico del MEV, a partir de datos obtenidos de las mediciones realizadas desde el 05 de julio del 2016 al 28 de febrero del 2017. El MEV se encuentra ubicado en la comunidad de San Francisco de Raymina, distrito Huambalpa, provincia Vilcashuamán, al Sur de la región Ayacucho. Altura 3700 msnm, Latitud 13°45’40’’ Sur y longitud 73°51’26’’ Oeste. La situación climática presenta una temperatura media anual de 9.34°C, con una oscilación térmica cercana a los 15°C. La energía solar es típica de las zonas altoandinas con un promedio anual de alrededor 6kWh/ (m día). La construcción y evaluación térmica inicial del MEV fue el trabajo de una tesis de maestría (Espinoza, R., 2014). Posteriormente el MEV fue modificado por el autor del presente trabajo, incluyendo varias mejoras y variantes de su operación, y los datos experimentales reportados aquí, como la simulación respectiva, corresponden al MEV actual. Su implementación tuvo en consideración un estudio de clima, estudio de orientación integrado al clima y definición de estrategias bioclimáticas integradas a su envolvente. La parte I presenta los objetivos, planteamiento del problema, hipótesis, justificación, metodología, y antecedentes nacionales e internacionales en cuanto al estudio del confort térmico. La parte II proporciona una revisión de la literatura y define la meteorología y climatología, el clima del Perú, vivienda y salud, confort térmico, medición del confort térmico, propiedades termo físicas de los materiales, fundamentos y balances de energía en edificaciones, la energía solar como fuente de calefacción natural y la simulación térmica dinámica utilizando el EnergyPlus con el apoyo de OpenStudio y SketchUp. La parte III muestra el estudio de caso donde se lleva a cabo el estudio de experimentación del MEV, la parte IV el desarrollo experimental donde se muestra el diagnóstico situacional del MEV previa a su experimentación, a la vez, que se muestra un plan de experimentación de las doce configuraciones de medida llevadas a cabo durante el tiempo que se realizó la investigación. La parte V final de la tesis analiza los resultados de cada una de las doce configuraciones de medida propuestas para mostrar que las variaciones diarias en la temperatura interior y exterior como resultado en el uso de los materiales y operatividad del MEV brindan la comodidad térmica en sus ambientes interiores. Así mismo, en este mismo apartado, se analiza los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas realizadas con EnergyPlus y se validan los resultados simulados y reales comprobándose una buena concordancia que demuestran que la herramienta utilizada es idónea para el análisis térmico involucrando entre sus cálculos, balances energéticos de transferencia de calor dependientes del tiempo (estado transitorio).