El objetivo central del presente estudio fue evaluar distintas estrategias constructivas y opciones de ventilación para optimizar el desempeño térmico y energético de una fábrica de espejos a construirse en la ciudad Emiliano Zapata, en el estado de Morelos (18.6º de latitud norte, 99.0º de longitud oeste). Se pretendía evitar el uso de sistemas mecánicos de climatización, o bien reducir de manera significativa la inversión inicial en dichos sistemas y minimizar los consumos energéticos durante la vida útil del edificio. El programa DesignBuilder fue la herramienta de análisis central.

Descripción general del proyecto

El edificio se emplaza en la parte frontal de un predio de forma trapezoidal ubicado en un fraccionamiento industrial. El proyecto se organiza volumétrica y estructuralmente a partir de una serie de cajas alargadas en el sentido este - oeste. Dentro de esta configuración es posible identificar dos zonas claramente diferenciadas: la nave general y el bloque de oficinas y servicios.

La nave general, cuyo análisis se reseña aquí, esta conformada por cuatro cajas yuxtapuestas conectadas entre si para formar un gran espacio de aproximadamente 1,950.00 m2. Dichas cajas presentan variaciones importantes en altura y en planta, generando retranqueos que a su vez dan lugar a las aberturas con las cuales se resuelve la iluminación y la ventilación. Las únicas aberturas que no siguen este patrón son las puertas de embarque ubicadas en la fachada norte y una serie de ventanas verticales ubicadas sobre la fachada sur. Todas las aberturas se orientan hacia el norte o hacia el sur.

El diagnóstico climático previamente desarrollado, así como algunas simulaciones preliminares, indicaron que el riesgo principal del edificio estribaba en la generación de elevadas temperaturas interiores, prácticamente durante todo el año. Sin embargo esta evaluación inicial mostró que las decisiones generales de diseño, sobre todo en lo relativo a la configuración espacial y a las orientaciones, habían sido acertadas. Debido a esto el estudio se enfocó a evaluar aspectos como las alternativas constructivas, el manejo de la ventilación natural y la aplicación de sistemas de protección solar.

Opciones constructivas y de ventilación

Se simularon distintas opciones constructivas para la nave general, con el objeto de avaluar cuales de ellas ofrecen mejor rendimiento térmico y energético:

La Opción 00 representa una alternativa en la que se emplean sistemas constructivos de uso común, los cuales suelen ser bastante deficientes en términos del desempeño térmico.

• Opción 00 - Muros exteriores de bloque de concreto 20x20x40cm, sin relleno y sin aplanados. Valor U = 2.63 W/m2ºC / Cubiertas de lámina galvanizada, sin aislamiento. Valor U = 7.14 W/m2ºC.

Las Opciones 01a, 01b y 01c representan alternativas en las que se busca mejorar el desempeño térmico de la nave aumentando los niveles de aislamientos. En todas ellas se consideran cubiertas de Multytecho y muros exteriores de Multymuro, con distintos espesores. La única excepción es la Opción 01a, en la que los muros exteriores norte y sur se consideran de lámina galvanizada sin aislamiento:

• Opción 01a - Muros exteriores norte y sur de lámina galvanizada, sin aislamiento (valor U = 5.88 W/m2ºC) / Muros exteriores este y oeste de Multymuro de 1 ½” (valor U = 0.66 W/m2ºC) / Cubiertas de Multytecho de 1 ½” (valor U = 0.67 W/m2ºC).
• Opción 01b - Todos los muros exteriores de Multymuro de 1 ½” (valor U = 0.66 W/m2ºC) / Cubiertas de Multytecho de 2” (valor U = 0.52 W/m2ºC).
• Opción 01c - Todos los muros exteriores de Multymuro de 2” (valor U = 0.51 W/m2ºC) - Cubiertas de Multytecho de 2 ½” (valor U = 0.42 W/m2ºC).

Las opciones 02a, 02b y 02c representan alternativas en las que, además de mejorar los índices de aislamiento, se integran componentes constructivos que aportan diferentes niveles de masa térmica al espacio interior. La hipótesis de partida es que la masa térmica, en conjunto con una adecuada ventilación natural, puede representar importantes mejoras en el desempeño térmico de la nave:

• Opción 02a - Muro exterior norte de bloque de concreto 20x20x40cm, con colchoneta de fibra de vidrio de 2” y lámina galvanizada hacia el exterior (valor U = 0.61 W/m2ºC). Muro exterior sur de Durock con colchoneta de fibra de vidrio de 2” y lámina galvanizada hacia el exterior (valor U = 0.67 W/m2ºC). Muros exteriores este y oeste de Multymuro de 2” (valor U = 0.51 W/m2ºC) / Cubiertas de Multytecho de 2 ½” (valor U = 0.42 W/m2ºC).
• Opción 02b - Muros exteriores norte y sur de Multymuro de 2” (valor U = 0.51 W/m2ºC). Muros exteriores este y oeste de bloque de concreto 20x20x40cm, con colchoneta de fibra de vidrio de 2” y lámina galvanizada hacia el exterior (valor U = 0.61 W/m2ºC) / Cubiertas de Multytecho de 2 ½” (valor U = 0.42 W/m2ºC).
• Opción 02c - Muro exterior norte de bloque de concreto 20x20x40cm con Multymuro de 1 ½” al exterior (valor U = 0.57 W/m2ºC). Muro exterior sur de Multymuro de 2” (valor U = 0.51 W/m2ºC). Muros exteriores este y oeste de bloque de concreto 20x20x40cm, con colchoneta de fibra de vidrio de 2” y lámina galvanizada hacia el exterior (valor U = 0.61 W/m2ºC) / Cubiertas de Multytecho de 2 ½” (valor U = 0.42 W/m2ºC).

Las opciones 01c+Ventilación y 02c+Ventilación son prácticamente idénticas a sus predecesoras, salvo que en ellas se propician mayores índices de ventilación natural abriendo al 100% todas las ventanas sobre cubierta, incluyendo las orientadas al sur. El objetivo de estas alternativas es evaluar hasta que punto una ventilación aun más eficiente puede incrementar las mejoras logradas mediante los sistemas constructivos.

Nota: En todos los casos los firmes se consideraron de concreto de 10cm, acabado pulido (valor U = 3.74 W/m2ºC).

Otros parámetros asignados

Además de las opciones constructivas, en las simulaciones se han especificado los diversos parámetros que influyen en el desempeño térmico, lumínico y energético del edificio. Entre ellos se incluye la información relacionada con la ocupación y uso del edificio, la iluminación natural y artificial, la configuración de las ventanas y los sistemas de climatización mecánica. Dado que estos parámetros son iguales en todas las alternativas analizadas, no se incluyen aquí.

Tipos de simulaciones

Para cada una de las opciones constructivas se desarrollaron dos simulaciones distintas, una en modo pasivo y otra en modo mecánico, ambas durante periodos anuales. Las simulaciones en modo pasivo pretenden fundamentalmente predecir las condiciones interiores de confort, sobre todo en lo que se refiere a las temperaturas. Las simulaciones en modo mecánico, por otro lado, buscan establecer el consumo energético requerido en cada una de las opciones para mantener condiciones óptimas de confort. De las simulaciones en modo pasivo se derivan dos gráficas, la de temperaturas, pérdidas y ganancias de calor y ventilación, y la de distribución de temperaturas (estas últimas no se incluyen aquí). De las simulaciones en régimen pasivo se deriva la gráfica de consumos energéticos.

Gráficas de resultados

Como muestra de las gráficas de resultados hemos incluido aquí las de temperaturas interiores (simulaciones en modo pasivo) para las opciones constructivas 00, 01a, 01b, 01c + Vent, 02a, 02b y 02c + Vent, así como las gráficas de consumos energéticos (simulaciones en modo mecánico) de las opciones 00, 01a, 01b, 02a, 02b. Las gráficas de temperaturas abarcan las cuatro semanas más cálidas del año, de acuerdo al archivo de datos climáticos: del 5 de mayo al 2 de junio. Las gráficas de consumos energéticos ofrecen datos mensuales para todo el año.

Conclusiones

En la tabla anexa se sintetizan los resultados de las simulaciones para las distintas opciones constructivas. Las primeras tres filas incluyen los resultados de las simulaciones en modo pasivo, mientras que las dos últimas incluyen los derivados de las simulaciones en modo mecánico. La opción 00 se toma como referencia para establecer el grado de mejoramiento de las opciones subsecuentes. Por ejemplo, cuando se indica que la opción 01b representa una mejora del 60.1%, en términos de consumo energético, significa que consume un 60.1% menos energía eléctrica que la opción 00.

Las siguientes dos gráficas permiten visualizar los resultados de la tabla anterior. La primera compara el número de horas anuales con temperaturas por arriba del límite de confort (28ºC), de acuerdo a las simulaciones en modo pasivo. La segunda pone en relación los consumos energéticos anuales relacionados con los sistemas de climatización, de acuerdo a las simulaciones en modo mecánico.

El análisis general de los resultados anteriores nos permite plantear las siguientes conclusiones:

A manera de resumen, podemos establecer que si se opta por el funcionamiento de la nave en modo pasivo, la mejor estrategia es aumentar tanto los niveles de aislamiento como los de masa térmica (opciones 02). La optimización de la ventilación natural permitiría potenciar aún más esta estrategia. Por otro lado, si se opta por el funcionamiento de la nave en modo mecánico la mejor estrategia puede ser aumentar el aislamiento. Aquí nuevamente conviene señalar que niveles muy altos de aislamiento no necesariamente representan una adecuada relación costo beneficio. De acuerdo a los resultados de las simulaciones, de aplicarse esta estrategia la mejor opción puede ser la 01b. En caso de que se optara por el funcionamiento de la nave en modo pasivo, pero sin aumentar la masa térmica, la optimización de la ventilación natural sigue siendo una estrategia bastante útil, como muestran los resultados de la opción 01c+Ventilación.