BOLETÍN IIE
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REPORT |
Introducción
La obtención de los anteproyectos de norma de eficiencia energética
implicó diversos trabajos de investigación previos a su elaboración,
los cuales incluyen la justificación y el análisis del porqué
de las variables a considerar, el estudio beneficio-costo correspondiente
que da viabilidad a la norma, y un procedimiento de cálculo para
su cumplimiento.
En otras palabras, durante la primera parte se identificaron las variables
que tienen mayor impacto en el consumo de energía eléctrica
y la forma de optimarlas; en la segunda se determinó la viabilidad
de la misma, y en la tercera se elaboraron los procedimientos que permiten
al constructor (en este caso de edificaciones) verificar si cumple o no
con la norma.
La Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (Conae) contrató
en 1994 al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) para desarrollar
el sustento de la norma de eficiencia energética en edificios no
residenciales. Para los edificios residenciales (casas habitación
que tienen hasta tres pisos), la Conae contrató al Instituto de Investigaciones
Eléctricas (IIE) en 1995. En una tercera etapa, la Conae contrató
al IIE para que desarrollara la versión final y consensada de ambos
anteproyectos de norma.
En el presente trabajo se relatan los diversos aspectos que se analizaron
para la justificación (1995), la revisión y la obtención
(1998) de los anteproyectos de las primeras normas de eficiencia energética
en edificaciones no residenciales y residenciales que se esperan implementar
en México.
Objetivo de la norma
El objetivo de la norma es limitar la ganancia de calor de las edificaciones a través de la envolvente, con objeto de racionalizar el uso de la energía en los sistemas de enfriamiento.
Marco de referencia
El desconocimiento o la falta de normas y criterios de diseño
y construcción es una de las causas que ocasiona el uso ineficiente
de la energía eléctrica. En el caso específico de la
utilización del aire acondicionado, la falta de información
sobre medidas de control solar favorecen el mal uso de la energía
eléctrica.
La mejor y, con frecuencia, la manera más barata de ahorrar energía
de enfriamiento sin afectar el ambiente de confort en el interior de las
edificaciones es a través de la reducción de ganancias de
calor interna y externa.
La reducción de ganancia de calor interna se obtiene al disminuir
el consumo eléctrico a través de la operación idónea
o el uso de equipos eficientes (iluminación, aparatos, etcétera).
Por su parte, la reducción de ganancia de calor externa se logra
a través de la selección adecuada de los materiales, la forma
arquitectónica y la orientación de la construcción.
En el caso de cargas internas, se pueden dar recomendaciones generales que
marquen la pauta, pero los resultados que se obtengan podrán variar
debido a la forma y costumbres de vida de las personas. Además, existe
tal variedad de escenarios que sería casi imposible tratar de evaluar
cada uno. Por ejemplo, hay personas que utilizan ropa ligera o gruesa y
esto es más que suficiente para cambiar las condiciones de confort;
también, el concepto de confort hace que el punto de operación
del aire acondicionado o la calefacción sea diferente entre los seres
humanos.
En el caso de cargas externas, es posible realizar su simulación
sin depender de las personas que la habitan, sólo es necesario conocer
el sitio donde se localiza la edificación (condiciones meteorológicas),
las características de la construcción (tamaño y tipo
de materiales) y la orientación con respecto al sol.
Por tal motivo, el cuidado de la envolvente juega un papel crucial en el
confort, además de lo simple que es actuar sobre ella.
El caso de México
México es un país ubicado entre los 87o y 118o de longitud
y entre los 14o y 32o de latitud, lo que le permite contar con una gran
variedad de climas. Si se hiciera un inventario de climas, se podría
decir que existen casi todos: se tienen lugares de los más calurosos
del mundo, como en el noroeste del país; calurosos secos como gran
parte del centro-norte; zonas costeras tanto en el Golfo de México
como en el Océano Pacífico en donde se tienen altas temperaturas,
combinadas con mucha humedad en la época del verano, y zonas montañosas
(como en el sureste) que presentan climas templados con mucha lluvia y neblina.
Lo anterior provoca que las normas de eficiencia energética deban
considerar todos esos aspectos, lo que no sucede en otros países.
En efecto, los países con normatividad térmica para envolventes
de edificios son principalmente los europeos y los del norte del continente
americano. Respecto a los países europeos, son pequeños en
extensión geográfica y su mayor consumo de energía
es para calefacción invernal, por tal motivo, sus normas frecuentemente
son simplemente requerimientos mínimos de aislamiento térmico
promedio con un valor único para todo el país. En relación
con el norte del continente americano, el aislamiento térmico ayuda
en dos épocas del año: invierno y verano.
En el caso mexicano, las principales fuentes controlables mediante el diseño
de la envolvente son dos: la transmisión de calor por conducción
a través de los muros y techos, y la radiación solar que penetra
a través de los vidrios de las ventanas y tragaluces.
Respecto al ingreso de calor a través de los muros y techos, éste
no depende solamente del grado de aislamiento térmico, sino también
de la interacción entre el ciclo diario de temperatura exterior y
el almacenamiento del calor en los materiales de construcción. Por
lo tanto, en lugares con altas temperaturas durante el día y bajas
temperaturas de noche, es posible regular en parte el ingreso de calor mediante
el uso apropiado de masa térmica.
Por el contrario, el impacto de la penetración de la radiación
solar a través de ventanas es prácticamente instantáneo.
En muchas regiones de México las temperaturas exteriores no exceden
el valor llamado "confortable" durante la mayor parte del día,
y también durante la mayor parte del año. Sin embargo, en
estos lugares, la fuente de ingreso de calor más importante es la
radiación solar.
Por lo anteriormente expuesto, es necesario contar con una norma que no
solamente requiera de un aislamiento térmico apropiado para las partes
opacas (muros), sino que también incluya un tratamiento especial
de las partes transparentes (ventanas y tragaluces).
En cuanto a cuál es el impacto del clima en el consumo de energía
eléctrica por el uso de equipamiento para acondicionamiento del medio
ambiente (ventilador, aire lavado o aire acondicionado), en las figuras
1, 2 y 3 se muestran las curvas de consumo en tres regiones del país,
una con poco impacto climático, que es la zona central, otra con
valor intermedio, que es la zona occidental, y una tercera con clima extremoso,
como es la zona de Baja California. El principio sobre el cual se basa el
análisis anterior, es que el consumo en exceso en los meses de calor
se debe principalmente al equipamiento para acondicionamiento al interior
de las construcciones. Un resumen del impacto en el consumo y la demanda,
utilizando los meses de mayor calor en todo el país, se muestra en
el cuadro 1 [Cenace, 1996]. En el cuadro 2 se ofrece el resumen de consumos
por tarifas eléctricas en el sector doméstico [CFE, 1995].
Análisis del impacto de las diferentes medidas (1)
Dentro de la etapa de conocimiento del impacto de las diversas medidas de eficiencia energética en una construcción, se realizaron estudios que permitieron evaluar los siguientes aspectos: el aislamiento térmico, la radiación solar, las barreras para vapor y los elementos arquitectónicos que minimizan el impacto de la radiación solar.
a) Aislamiento térmico. El comportamiento de la carga térmica
de la envolvente se simuló considerando lo siguiente: localización
geográfica, materiales de los techos y muros, diferentes orientaciones,
colindancias y ganancias de calor internas. Las ciudades con clima extremoso
seleccionadas para la simulación fueron cuatro: Distrito Federal;
Mérida, Yucatán; Monterrey, Nuevo León, y Mexicali,
Baja California. El modelado incluyó diferentes niveles de aislamiento
térmico para conocer su efecto en el consumo de energía en
el aire acondicionado y posteriormente determinar el nivel óptimo
en el análisis beneficio-costo.
Como se esperaba, el impacto del aislamiento con respecto al consumo de
energía es mucho mayor en climas extremosos. Por el contrario, para
climas templados, una capa delgada de aislante tiene un impacto significativo
si se utiliza aire acondicionado. La figura 4 muestra la carga térmica
de las diferentes partes de la envolvente de una casa típica, así
como la carga interna para el día de mayor calor en la ciudad de
Mexicali, Baja California.
Es importante resaltar que de los resultados obtenidos se pudo apreciar
que aun con la misma resistencia térmica promedio en la envoltura,
si se aíslan ambas porciones, muros y techo, se logra un mayor ahorro
de energía. Este efecto es más importante para climas calurosos.
La figura 5 muestra la energía anual de enfriamiento, en función
de la resistencia térmica de la envoltura, en el caso de la ciudad
de Mérida, Yucatán. Por su parte, la figura 6 muestra, para
las cuatro ciudades de clima extremoso analizadas, el consumo de energía
por carga térmica en función de la resistencia térmica
promedio (muros y techos).
b) Impacto del tipo de vidrio en las ventanas. Se modeló
la casa tipo, para diferentes vidrios, en las cuatro principales orientaciones.
Se consideró como vidrio base el claro de 3 mm de espesor y se comparó
con vidrios reflejantes con diferentes coeficientes. Las características
específicas de los vidrios se indican en el cuadro 3. En cada caso
se consideró una ventana sin sombreado y se compararon los requerimientos
de energía de enfriamiento durante el periodo de uso del aire acondicionado.
En la figura 7 se puede observar que el impacto en el uso de aire acondicionado
en las ventanas orientadas al poniente es proporcional al coeficiente de
sombreado. En las demás direcciones los resultados fueron similares.
c) Barreras para vapor. Cuando se utilizan aislantes térmicos
en muros y techos en edificaciones que cuentan con sistema de enfriamiento
pueden existir diferencias importantes en la presión parcial de vapor
de agua entre el interior y el exterior de la construcción. Dicha
diferencia de presión provocará un flujo de vapor de agua
de la parte de mayor temperatura a la de menor temperatura.
En efecto, si en alguna parte del interior del muro o el techo, o incluso
en la superficie de éstos, la temperatura es menor a la temperatura
de rocío correspondiente a la presión parcial de agua en la
misma parte habrá condensación de agua. Lo que sucede en realidad
es que la combinación de temperatura y el contenido de vapor de agua
hacen que la humedad relativa llegue al cien por ciento, lo que produce
la condensación dentro de los materiales de la construcción.
En caso de que ocurra tal situación, el agua puede causar deterioro
o daños a los materiales que forman la construcción si no
se toman las medidas pertinentes. Se pueden dañar los recubrimientos
como el yeso, la pintura y hasta los mismos aislantes térmicos. Además,
se pueden ocasionar daños a la construcción debido a la aparición
de agentes biológicos como bacterias, moho, hongos y plantas.
El problema puede eliminarse utilizando lo que se conoce técnicamente
como barreras para vapor, que son capas de material con baja permeabilidad
al vapor de agua, las cuales modifican el perfil de la presión parcial
del vapor de agua, evitando la condensación dentro de las estructuras
o en las superficies.
En el caso específico de México, existen ciudades donde el
uso del aire acondicionado es usual, y se presentan altas humedades relativas
y altas temperaturas. En consecuencia, en estas circunstancias deberán
aplicarse barreras para vapor. La selección de las ciudades donde
se deberán utilizar barreras para vapor se hizo con base en las recomendaciones
del ASHRAE.
d) Reducción de carga térmica por volados. Dado
el alto nivel de insolación, y que en muchas regiones se cuenta con
temperaturas ambientales confortables, es importante fomentar el uso de
medidas de control de ingreso de radiación solar a edificios.
En efecto, la radiación solar directa llega a ser casi diez veces
la intensidad de la radiación solar difusa, por lo que es conveniente
evitar la radiación solar directa sobre las ventanas, con el consecuente
ahorro de la ganancia de calor por radiación solar.
Para tomar en cuenta el impacto favorable de las medidas de sombreado exterior
de ventanas se desarrollaron tablas de factores de corrección de
sombreado exterior. Los tres elementos considerados fueron los siguientes:
volados de diversos tamaños, ventanas remetidas y partesoles.
La modelación se llevó a cabo con el paquete de programas
DOE2.1E. Dentro de los aspectos importantes destaca que se consideraron
cuatro latitudes: 14O a 19O,19O a 23O, 23O a 28O y 28O a 32O. Las condiciones
meteorológicas correspondieron a ciudades típicas en cada
zona.
Aspectos no considerados
Existen algunas medidas que mitigan las cargas térmicas externas
que se utilizan con frecuencia, como son el uso de pinturas reflejantes
o colores que no absorben el calor, entre otros.
Sin embargo, estas medidas no se consideraron en la norma, debido a que
algunas de ellas requieren cuidados especiales para mantener sus condiciones
de diseño, o bien, su tiempo de vida es corto o se deben reemplazar
periódicamente.
Conclusiones
Las normas son el elemento que permite tener un mayor impacto en el ahorro
y el uso eficiente de la energía. En efecto, una vez que se demuestra
que el factor beneficio-costo es mayor que la unidad, y la norma se convierte
en ley, todos los usuarios deberán implementarlo.
Además, esta práctica permite a las autoridades gubernamentales
anticiparse a crecimientos innecesarios del sistema eléctrico y cuidar
mejor los recursos financieros y ambientales.
Una edificación es el objeto más longevo que fabrica el ser
humano; también es común que quien lo construye no sea el
que lo habita o que cambie de dueño con el tiempo, esto implica que
si existen deficiencias en la construcción, éstas se le transfieren
al usuario. En la norma sólo se contemplan medidas que son parte
de la construcción, lo cual asegura que durante su periodo de vida
mantenga las mismas cualidades.
Es importante remarcar que las normas fueron diseñadas considerando
las condiciones climáticas existentes en el país, incluso
cuando se tienen muy diversos escenarios climáticos, y que se tomaron
en cuenta los aspectos que mayor impacto tiene sobre las edificaciones.
Por otro lado, los requerimientos de aislamiento mínimos solicitados
en la norma se obtuvieron a través de un análisis de beneficio-costo
para las diferentes zonas climáticas del país.
Finalmente, se cuenta con un procedimiento de cálculo que permite
en forma simple reportar el cumplimiento de la norma.
Referencias
Cenace, 1996.
Informe Anual, Gerencia Comercial de la Comisión Federal de Electricidad
(CFE), 1995.
Heard, C. y G. Ramos, Revisión del anteproyecto de norma de sistemas
de techos y muros en edificaciones para uso residencial de hasta tres niveles
en función de su comportamiento térmico, informe final, documento
10697-5, IIE, octubre de 1996.
Heard, C. y G. Ramos, Elaboración de los proyectos de norma de eficiencia energética en edificios no residenciales y en edificaciones para uso habitacional hasta de tres pisos, informe final, IIE, documento 11416-3, octubre de 1998.
GAUDENCIO RAMOS NIEMBRO
CHRISTOPHER LIONEL HEARD
FERNANDO HERNÁNDEZ PENSADO
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