Evaluación de sistemas de regulación de temperatura en viviendas rurales diseñadas para mitigar las consecuencias del frío

Abstract

La presente tesis se realizó en el marco del proyecto “Propuesta de techos verdes acondicionados a viviendas rurales de las zonas altoandinas del Perú (altitud > 3500 msnm)”. La investigación planteó un sistema de regulación de temperatura en viviendas rurales con la finalidad de incrementar las temperaturas cuando estas sean bajas. Este sistema consiste en adicionar una cobertura vegetal a un techo preexistente de una vivienda rural típica denominando a este sistema como “Techo Verde”. El techo verde está conformado desde abajo hacia arriba, por una capa impermeable, un sistema de drenaje, un geotextil, un sustrato vegetal y plantaciones. El sistema de drenaje utilizado es el MacDrain 2L FP, el sustrato vegetal y las plantaciones son nativas de la zona del proyecto. Se utilizó además tablones de madera para el contorno del techo verde. El Techo Verde es una alternativa para reducir los efectos del frío al interior de la vivienda. La variación de temperatura al interior de la vivienda fue evaluada de forma analítica, computacional y experimentalmente cuantificándose la transferencia de calor para compararlo con otros sistemas de regulación de temperatura. Para esta evaluación se propuso un prototipo de vivienda a escala real (PVER) y un modelo de vivienda a escala reducida (MVER). El PVER es la representación de una vivienda rural típica con dimensiones a escala real obtenidas a partir de las medidas realizadas en las viviendas rurales típicas de la región Junín. El MVER es la representación de una vivienda rural con dimensiones reducidas considerando similitud geométrica con el PVER mediante un factor de escala reducida. Para la determinación del factor de escala se revisaron valores usados en estudios similares eligiéndose el factor de escala más adecuado considerando el procedimiento de instrumentación y la toma de datos. Para la evaluación experimental se construyeron cuatro MVER ubicándolos en la localidad de Chuquiquirpay, distrito de Santa Bárbara de Carhuacayán, Provincia de Yauli, Región Junín. Los MVER fueron denominados MC-0, MV-1, MV-2 y MV-3. El MC-0 es el modelo de control y los MV-1, MV-2 y MV-3 son los modelos de vivienda con techo verde. En la evaluación de los MVER y PVER se cuantificó el flujo de calor por los mecanismos de conducción, convección y radiación en cada elemento de la envolvente. La evaluación computacional del Techo Verde consistió en la comparación del comportamiento térmico entre el MVER y PVER con datos de temperaturas del MVER obtenidos experimentalmente. Los programas Sketchup y EnergyPlus fueron empleados para obtener valores de temperatura que fueron usadas en el PVER. Los programas emplearon data de las propiedades térmicas de los componentes del interior de la vivienda y de la envolvente. Como resultado del análisis se observó que el modelo MV-3 funcionó mejor como regulador térmico debido a su mayor densidad foliar del techo verde. En todos los casos se logró aumentar la temperatura interior para las condiciones de temperaturas mínimas, demostrándose que Techo Verde es un sistema eficiente. Se observó que la temperatura mínima registrada en el ambiente ocurre entre las 5am y 6am, el MC-0 alcanzó una temperatura mínima promedio de 2 °C, en el MV-3 se alcanzó, 4.5 °C, y el prototipo del MV-3 alcanzó, hasta 6 °C. El aumento de temperatura logrado en el prototipo del MV-3 no consideró las ganancias térmicas comunes en una vivienda altoandina, como el calor humano, el calor ganado por la cocción de alimentos, las luminarias y la masa térmica de mobiliarios. La temperatura mínima de confort térmico según Givoni es de 20 °C, para alcanzar dicha temperatura se recomienda utilizar complementariamente estrategias bioclimáticas como reguladores de temperatura aplicado a los muros, pisos y puentes térmicos, ya que por allí también hay gran pérdida de calor.

This thesis was carried out within the framework of the project “Proposal for conditioned green roofs for rural houses in the high Andean zones of Peru (altitude > 3500 masl)“. The research proposed a temperature regulation system in rural houses in order to increase temperatures when they are low. This system consists of adding a vegetation cover to a pre-existing roof of a typical rural house, calling this system “Techo Verde”. Techo Verde consists of a waterproof layer, a drainage system, a geotextile, a plant substrate and plantings from the bottom up. The drainage system used is the MacDrain 2L FP, the plant substrate and the plantations are native to the project area. Wood planks were also used for the contour of the Techo Verde. Techo Verde is an alternative to reduce the effects of cold inside the house. The variation of temperature inside the house was evaluated analytically, computationally and experimentally, quantifying the heat transfer to compare it with other temperature regulation systems. For this evaluation, a full-scale housing prototype (PVER) and a reduced-scale housing model (MVER) were proposed. The PVER is the representation of a typical rural dwelling with full-scale dimensions obtained from measurements taken in typical rural dwellings in the Junín region. The MVER is the representation of a rural house with reduced dimensions considering geometric similarity with the PVER by means of a reduced scale factor. To determine the scale factor, values used in similar studies were reviewed, choosing the most adequate scale factor considering the instrumentation procedure and data collection. For the experimental evaluation, four MVERs were built, locating them in the Chuquiquirpay town, Santa Bárbara de Carhuacayán district, Yauli province, Junín region. The MVERs were named MC-0, MV-1, MV-2 and MV-3. The MC-0 is the control model and the MV-1, MV-2 and MV-3 are the Techo Verde housing models. In the evaluation of the MVER and PVER, the heat flow by conduction, convection and radiation mechanisms in each envelope element was quantified. The computational evaluation of the Techo Verde consisted of comparing the thermal performance between MVER and PVER with experimentally obtained MVER temperature data. The Sketchup and EnergyPlus programs were used to obtain temperature values that were used in the PVER. The programs used data from the thermal properties of the interior components of the house and the envelope. As a result of the analysis, it was observed that the MV-3 model performed better as a thermal regulator due to its higher green roof leaf density. In all cases, it was possible to increase the interior temperature for the minimum temperature conditions, demonstrating that Techo Verde is an efficient system. It was observed that the minimum temperature recorded in the environment occurs between 5am and 6am, the MC-0 reached an average minimum temperature of 35.6 °F, in the MV-3 reached 40.1 °F, and the prototype of the MV-3 reached, up to 42.8 °F. The temperature increase achieved in the MV-3 prototype did not consider the thermal gains common in a high Andean dwelling, such as human heat, heat gained from cooking food, light fixtures and the thermal mass of furnishings. The minimum temperature of thermal comfort according to Givoni is 20 °C, to reach this temperature it is recommended to use complementary bioclimatic strategies such as temperature regulators applied to walls, floors and thermal bridges, since there is also great heat loss there.