Download Oct-2011 Evaluación térmica, energética y económica del

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
EVALUACIÓN TÉRMICA, ENERGÉTICA Y ECONÓMICA
DEL USO DE AISLANTES TÉRMICOS EN EDIFICIOS DE
OFICINA ACONDICIONADOS EN EL SALVADOR.
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO
POR:
VÍCTOR RAÚL GALDÁMEZ DUARTE
HAZAEL ALEXANDER GUZMÁN SARMIENTO
OCTUBRE 2011
ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.
RECTOR
ANDREU OLIVA DE LA ESPERANZA, S.J.
SECRETARIA GENERAL
CELINA PÉREZ RIVERA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
CARLOS GONZALO CAÑAS GUTIÉRREZ
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA
DIRECTOR DEL TRABAJO
LUIS AARÓN MARTÍNEZ FIGUEROA
LECTOR
MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA
AGRADECIMIENTO
El arduo resultado de estos últimos años de formación académica, merece agradecerse a las
bendiciones de Dios y su amor en nuestras vidas, a aquellas personas que nos apoyaron y siguen
apoyándonos; y es en todo el sentido de la palabra a nuestros padres, quienes nos dieron
muchos ánimos y se encargaron de emplazar ideales en nuestra mente y espíritu para conquistar
nuestros objetivos y metas e hicieron posible que obtuviéramos dicha profesión; a nuestros
hermanos por su incondicional ayuda, a nuestros amigos que no necesitamos señalarlos porque
sabemos que se dan por aludidos. A todos aquellos profesores y maestros que efectivamente
aman lo que hacen y que forjaron en ambos, pasión e ímpetu por hacer lo que más se ama.
Agradecer a nuestro asesor, el PHD. Aarón Martínez por todo su apoyo y conocimiento que nos
brindó, en aquellos momentos de incertidumbre que vivimos durante la realización del presente
trabajo; por enseñarnos mucho en el ámbito de lo que respecta al tema de la eficiencia energética.
RESUMEN EJECUTIVO
El presente trabajo estudia el uso del aislamiento térmico en edificios comerciales en su
envolvente, con el fin de encontrar mediante simulaciones, un espesor óptimo. Además está
constituido por una serie de etapas, desde el diseño de una edificación hasta la obtención de
resultados energéticos, térmicos y económicos; se tratará de explicar de forma breve y compacta
cada una de estas etapas.
El lector debe de comprender que en el ámbito del diseño constructivo se tiene una infinidad de
formas para crear y diseñar, pero en este caso tomamos una en particular que cumpla con
nuestras necesidades. Para el caso se diseñó una edificación sencilla, la cual tiene como objetivo
principal servir como modelo para diferentes tipos de experimentos que nos ayuden a aclarar el
mejor uso del aislante térmico en la envolvente de dicho edificio. Los análisis realizados en esta
investigación parten del diseño de una “línea base” en la cual se toma en consideración aspectos
de eficiencia energética tales como luces eficientes, equipo de oficina eficiente, densidad de
potencia eléctrica eficiente, equipos de acondicionamiento humano eficientes. Tomando de base
este supuesto se procede al estudio de una diversidad de casos tales como: variación del uso de
A/C, variación de infiltraciones, variación del termostato, variación de cargas de equipo de oficina,
variación la eficiencia del equipo, utilizando otros aislamientos, etc.
Cabe mencionar que se utilizó fibra de vidrio para estos estudios. Se ha tomado en cuenta
aspectos económicos tales como costos de instalación, mantenimiento y monto inicial, así como el
costo de la energía eléctrica. Por lo tanto se les debe de prestar importancia a cada aspecto que
constituye el presente trabajo.
Capítulo I. Está conformado por todos los antecedentes históricos e investigaciones anteriores a
los que respectan nuestro estudio, además se incluyen las metas a alcanzar así como también las
limitantes. Se incluye una breve descripción de conceptos básicos para la mejor comprensión del
texto.
Capítulo II. Muestra la metodología del análisis, tales como aspectos de diseño del modelo,
criterios para la óptima ubicación del aislante, distribución correcta de la energía, criterios
económicos, y el método utilizado para encontrar el valor de espesor óptimo.
Capítulo III. Para este capítulo se emplean los casos de estudio y posteriormente los resultados,
tales como valores óptimos de espesor para cada caso, y los ahorros a tener.
Capítulo IV. En esta sección se analizan los resultados. El objetivo es prácticamente responder el
porqué de estos, y así llegar a posibles respuestas de cada caso de análisis.
i
Capítulo V. El contenido del apartado es brindar las conclusiones a partir del análisis de los
resultados.
Glosario. Se pretende en esta sección que se puedan comprender muchos de los términos
utilizados en el campo de la eficiencia energética.
Referencias. Información detallada por entidades especialistas del tema acerca de aspectos
técnicos y teóricos sobre el uso de aislamiento térmico en aplicaciones de la envolvente de un
edificio.
Bibliografía. Referencias de libros utilizadas para la mejor compresión y uso del aislamiento como
parte del campo de la eficiencia energética y su papel en la envolvente de un edificio.
Anexo A. Este apartado incluye las tablas de densidades de carga para cada planta del edificio, así
como de cada habitación dentro de los mismos.
Anexo B. Acá se hace referencia al caso de estudio de un edificio con el mismo volumen que el
modelo base, con la diferencia que su geometría es prácticamente un cubo. Esto con el fin de
analizar el efecto del aislante al variar la forma del edificio.
ii
ÍNDICE
RESUMEN EJECUTIVO ..................................................................................................................i
ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................................................v
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................... vii
ÍNDICE DE GRÁFICOS ................................................................................................................. ix
SIGLAS ......................................................................................................................................... xi
ABREVIATURAS. ........................................................................................................................ xiii
SIMBOLOGÍA ............................................................................................................................... xv
PRÓLOGO ................................................................................................................................. xvii
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1
1.1 ANTECEDENTES .................................................................................................................... 1
1.2 IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ............................................................. 9
1.3 OBJETIVOS ............................................................................................................................. 9
1.3.1 OBJETIVOS GENERALES .............................................................................................. 9
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................ 9
1.4 LIMITANTES DEL PROYECTO.............................................................................................. 10
1.5 DEFINICIÓN DE AISLANTE TÉRMICO .................................................................................. 10
1.5.1 AISLANTES DISPONIBLES EN EL SALVADOR............................................................ 11
1.6 PROPIEDADES FISICAS DEL MATERIAL AISLANTE ........................................................... 11
1.6.1 CONCEPTOS BÁSICOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR ................................... 12
1.6.2 FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ................................................................ 13
CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA ................................................................................................... 17
2.1 METOLOGÍA DEL ESTUDIO ................................................................................................. 17
2.2 PRESENTACIÓN DEL MODELO DEL EDIFICIO. .................................................................. 20
2.3 DISTRIBUCIÓN ENERGÉTICA. ............................................................................................. 22
2.4 UBICACIÓN ÓPTIMA DEL AISLANTE ................................................................................... 23
2.4.1 INSTALACIÓN DEL AISLANTE EN LA ENVOLVENTE.................................................. 24
2.4.2 ASPECTOS FÍSICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL ESPESOR ÓPTIMO....................... 24
2.4.3 ASPECTOS ECONÓMICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL ESPESOR ÓPTIMO ............ 25
2.4.4 ASPECTOS CLIMÁTICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL ESPESOR ÓPTIMO ............... 25
2.4.5 ANÁLISIS ECONÓMICO. .............................................................................................. 25
2.4.6 ANÁLISIS DEL COSTO DEL CICLO DE VIDA (LCC)..................................................... 26
2.4.7 SOFTWARE UTILIZADO. .............................................................................................. 27
CAPITULO 3. CASOS Y RESULTADOS ..................................................................................... 29
3.1 CASOS DE ESTUDIO ............................................................................................................ 29
3.1.1 CASO 1. LÍNEA BASE................................................................................................... 29
3.1.2 CASO 2. VARIACIÓN DE CARGAS INTERNAS .............................................................30
3.1.3 CASO 3. VARIACIÓN DE USO DE A/C ..........................................................................32
3.1.4 CASO 4. VARIACIÓN DEL TERMOSTATO DE EQUIPO DE A/C ...................................33
3.1.5 CASO 5. VARIACIÓN DE LA EFICIENCIA DEL EQUIPO DE A/C..................................34
3.1.6 CASO 6 MODELO SIN PAREDES INTERNAS .............................................................36
3.1.7 CASO 7. USO DE OTROS AISLANTES ........................................................................38
3.1.8 CASO 8 VARIACIÓN DE INFILTRACIONES .................................................................39
3.2 EVALUACIÓN ECONÓMICA: USO DE AISLANTE VRS CAMBIO DE EQUIPO DE A/C .........42
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS................................................................................47
4.1 ANÁLISIS DE LOS ESPESORES ÓPTIMOS POR PARED. ....................................................47
4.1.1 PARED SUR. .................................................................................................................47
4.1.2 PARED ESTE.................................................................................................................48
4.1.3 PARED OESTE. .............................................................................................................49
4.1.4 PARED NORTE. ............................................................................................................50
4.1.5 TECHO. .........................................................................................................................51
4.2 ANÁLISIS DE LOS AHORROS ÓPTIMOS. .............................................................................51
4.3 ANÁLISIS DE LOS CASOS DE ESTUDIO RESPECTO AL CASO BASE. ...............................52
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. .........................................................55
5.1 CONCLUSIONES ...................................................................................................................55
5.2 RECOMENDACIONES. ..........................................................................................................56
GLOSARIO ..................................................................................................................................57
REFERENCIAS ............................................................................................................................59
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................61
ANEXOS
ANEXO A: DISTRIBUCIÓN DE POTENCIA ELÉCTRICA Y TÉRMICA
ANEXO B:
CASO SIMÉTRICO
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.4.1. Ventajas y desventajas en aislamiento exterior. [gaviria. aicia] .................................. 23
Tabla 2.4.2. Ventajas y desventajas en aislamiento interno. [gaviria. aicia] ................................... 24
Tabla 2.4.5.1 Consideraciones para el análisis económico. .......................................................... 26
v
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1.1 Condensación superficial. [Rodriguez.2008. Pág. 26] ................................................. 4
Figura 1.1.2 Análisis de LCC. [ Dr. Mohammad S. Pág. 12] ............................................................ 7
Figura 1.1.3 Esquema del montaje de material aislante. [Rodriguez.2008. Pág. 41] ....................... 8
Figura 1.5.1 Aislante térmico. [Podex.2010. Pág. 5]..................................................................... 11
Figura 1.5.2 Fibra de vidrio y polietileno.[Fernandez.2002. Pág. 12] ............................................. 11
Figura 1.6.2.1 Transferencia de calor por conducción. [Tapia.2008. Pág. 20] ............................... 14
Figura 1.6.2.2 Transferencia de calor por convección.[Tapia.2008 Pág. 22].................................. 14
Figura 1.6.2.3 Combinación de los fenómenos de transferencia de calor. [Tapia. 2008. Pág. 25] .. 16
Figura 2.1.1 Elementos constructivos de las paredes exteriores. .................................................. 19
Figura 2.1.2 Elementos constructivos del techo. ........................................................................... 19
Figura 2.1.3 Elementos constructivos de las particiones. .............................................................. 20
Figura 2.1.4 Elementos constructivos del piso. ............................................................................. 20
Figura 2.2.1 Edificio modelo. ........................................................................................................ 21
Figura 2.2.2 Primer nivel, edificio modelo. .................................................................................... 21
Figura 2.2.3 Segundo nivel, edificio modelo. ................................................................................ 21
Figura 2.2.4 Tercer nivel, edificio modelo. .................................................................................... 22
vii
viii
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 2.3.1 Distribución en Kwh/m 2 ........................................................................................... 23
Gráfico 3.1.1 Espesores óptimos para la línea base ..................................................................... 30
Gráfico 3.1.2 Ahorros de línea base en valor presente durante la vida útil del aislante. ................. 30
Gráfico 3.1.3 Espesores óptimos variando cargas ........................................................................ 31
Gráfico 3.1.5 Espesores óptimos al variar uso de A/C ................................................................. 32
Gráfico 3.1.6 Ahorros al variar uso A/C en valor presente durante la vida útil del aislante. ............ 33
Gráfico 3.1.8 Ahorros al variar termostato a 20°C en valor presente en la vida útil del aislante. ... 34
Gráfico 3.1.9 Variación de termostato de 20 a 26°C ..................................................................... 34
Gráfico 3.1.10 Espesores óptimos COP 1.75................................................................................ 35
Gráfico 3.1.11 Ahorros al tener COP 1.75 en valor presente durante la vida útil del aislante. ........ 35
Gráfico 3.1.12 Tendencia del aislante al variar la eficiencia del equipo ......................................... 36
Gráfico 3.1.13 Valores óptimos sin paredes internas .................................................................... 37
Gráfico 3.1.14 Ahorros sin paredes internas en valor presente durante la vida útil del aislante. .... 37
Gráfico 3.1.15 Valores de espesores con polietileno..................................................................... 38
Gráfico3.1.16 Ahorros utilizando polietileno en valor presente durante la vida útil del aislante. ..... 39
Gráfico 3.1.17 Valores de espesores al variar cambios de aire. .................................................... 40
Gráfico 3.1.18 Ahorros Infiltración en valor presente durante la vida útil del aislante. .................... 40
Gráfico 3.1.19 Variación de la resistencia térmica de fibra de vidrio. ............................................. 41
Gráfico 3.1.20 Variación de la resistencia térmica de polietileno ................................................... 41
Gráfico 3.1.21 Resumen de ahorros por caso de estudio. ............................................................. 42
Gráfico 3.1.22 Consumo anual Kwh ............................................................................................. 42
Gráfico 3.1.23 Costo de consumo anual ....................................................................................... 43
Gráfico 3.1.24 Costo de consumo a 15 años ................................................................................ 43
Gráfico 3.1.25 Ahorros obtenidos en valor presente anual ............................................................ 44
Gráfico 3.1.26 Ahorros obtenidos a los 15 años ........................................................................... 44
Gráfico 3.1.27 Precio de cada activo ............................................................................................ 45
Gráfico 3.1.28 Retorno simple a la inversión................................................................................. 46
Gráfico 4.1.1 Variación espesor de la pared sur. ......................................................................... 47
Gráfico 4.1.2 Variación espesor de la pared este. ........................................................................ 48
Gráfico 4.1.3 Variación espesor de la pared oeste. ...................................................................... 49
Gráfico 4.1.4. Porcentaje de Consumo durante un día.................................................................. 49
Gráfico 4.1.5. Consumo durante un día. ....................................................................................... 50
Gráfico 4.1.6 Variación espesor de la pared norte. ...................................................................... 50
Gráfico 4.1.7 Variación espesor del techo. .................................................................................. 51
ix
x
SIGLAS
ASHRAE:
American society of refrigerating, heating and air condition ingengineers (Sociedad
americana de ingenieros de refrigeración, calefacción y aire acondicionado)
COP:
Coeficiente de operación
EER:
Energy efficiency ratio (Razón de eficiencia energética)
E.E.U.U:
Estados Unidos
IRAM:
Instituto argentino de normalización y certificación
LCC:
Life cycle cost (Costo de ciclo de vida)
NOM:
Norma Oficial mexicana
xi
xii
ABREVIATURAS.
A/C:
FV:
Aire acondicionado.
Fibra de vidrio.
xiii
xiv
SIMBOLOGÍA
Ac:
°C:
H:
J:
K:
K:
Kwh:
2
m:
3
m:
mm:
W:
$:
%:
Cambios de aire.
Grados Celsius.
Hora.
Joules.
Kilo.
Kelvin,
Kilowatt por hora.
Metros cuadrados.
Metros cúbicos.
Milímetro.
Watts
Dólares.
Porcentaje.
xv
xvi
PRÓLOGO
Al elaborar este documento se tiene como objeto dejar ciertas bases para la aplicación futura del
uso de aislamiento en una edificación.
La evaluación energética y económica sobre el uso de materiales térmicos tiene como misión en sí
la ayuda a entidades que actualmente desean obtener ahorros a corto plazo al hacer uso de
equipos de A/C. Así también dicho trabajo pretende servir de ayuda a instituciones
de
investigación sobre el uso eficiente de energía de El Salvador a tener una noción sobre cuál debe
ser el óptimo espesor para envolventes y así proponer normas de construcción en nuestro país,
que tendrán un papel importante como parte de la responsabilidad medioambiental y energética
en nuestro país.
Cabe mencionar que esta tesis es solo una guía; lo que quiere decir es, que pueden surgir otras
ideas para elaborar otros modelos que cumplan con los requerimientos para los casos de estudio.
Los primeros capítulos de esta investigación abordan aspectos como los antecedentes históricos,
ya que en dicha sección se tiene una clara visión sobre lo que se ha hecho y trabajado por el
tema de estudio. La información general y la metodología son la puerta para comprender los
conceptos y los fenómenos físicos. Es de gran interés esta sección ya que entre las visiones a
lograr es que el lector sea capaz de entender nuestro trabajo con el menor esfuerzo posible, para
el cual se han presentados temas tales como la definición de un aislante térmico, las propiedades
físicas de estos materiales en las que resaltan la conductividad térmica, la resistencia térmica y
conductancia térmica.
Además es imperativo presentar las tres formas de transferencia de calor que existen: radiación,
convección y conducción térmica, de las cuales la radiación solar juega un papel importante en
nuestro estudio.
A medida avanzamos en el trabajo llegamos a tocar aspectos de diseño que forman parte de la
metodología del presente estudio. Se muestran los aspectos de diseño tales como las dimensiones
del edificio y su distribución espacial, así como la ubicación física del edificio (en ciudad, frente al
mar, etc.) además la condición climática de nuestro país que es uno de los criterios
más
importantes a tomar en cuenta para la ubicación óptima del material aislante ya sea en medio,
dentro o fuera de la fachada y cubierta. Es de vital escala definir el tipo de uso de la edificación,
ambos aspectos nos ayudan a conocer la mejor ubicación.
xvii
El método que se siguió para definir el valor de espesor óptimo es la que sugiere el LCC (costo de
ciclo de vida). Con esta información hemos procedido a realizar una diversidad de experimentos
basándonos en las posibles causas que afectan el modelo, y parten de la definición de una línea
base, del cual este análisis nos da la apertura a los posteriores experimentos como: variación del
termostato, variación de las cargas térmicas, variación de las infiltraciones, etc.
Se cuenta con un análisis económico que refleja el uso de material aislante versus el cambio de un
equipo de A/C partiendo del supuesto que en dicha edificación existe un equipo de baja eficiencia.
Al final de este trabajo se presentan conclusiones que son de mucha ayuda al lector para
esclarecer sus interrogantes.
xviii
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES
La aislación térmica es un término que ha sido aplicado desde hace muchos años. El hombre
prehistórico en sus orígenes utilizaba materiales orgánicos tales como la piel de los osos, las
plumas de las aves, el algodón, la lana, paja e incluso el mismo cabello humano. Todos estos
materiales el hombre de la antigüedad los usaba para recubrir las cavernas o cuevas donde se
alojaba con el simple hecho de sentirse cómodo, y del mismo modo eran usados como vestimenta.
Así también a medida fueron evolucionando, las construcciones eran hechas de piedra, tierra y
otros materiales para la protección contra el frio durante la temporada de invierno y del mismo,
contra el calor durante temporadas cálidas.
Durante miles de años, las estructuras de las casas fueron diseñadas para adaptarse mejor al
clima de su ubicación. Por ejemplo, aprovechando la masa térmica de la tierra, los egipcios se
apartaban de la superficie a la frescura subterránea, siendo ellos los primeros en construir
cámaras bajo la tierra y así mejorar el confort en los días calurosos. Los historiadores creen que los
antiguos griegos y romanos descubrieron el asbesto como material con una gran resistencia al
calor y al fuego. Plinio, en el primer siglo, se refirió a la utilización del corcho como un material
aislante para techos. Los primeros habitantes de España diseñaron sus construcciones de piedra
con corcho, y los nativos del norte de África utilizaban corcho mezclado con barro para construir
las paredes de sus viviendas con el único fin de evitar el paso del calor.[Dialnet.2000.Pág 34].
Si bien es cierto, esta reseña histórica nos da a conocer la antigüedad de los aislantes térmicos y
como su evolución ha dado lugar en la actualidad a la aplicación de dichos materiales a
componentes industriales como ductos y tuberías que conducen sustancias con temperaturas entre
los 600 a 1000°C. Como se mencionó, estos materiales además de ser utilizados en la industria
también son utilizados en las envolventes de las construcciones bajo el término que es de gran
importancia: “la eficiencia energética” y la reducción de las emisiones de CO 2. Este concepto de la
eficiencia energética es lo que está moviendo a muchas de las entidades que se encargan de
construir en el mundo con el objeto de suavizar y disminuir el consumo de la energía eléctrica.
Países como Argentina, México, Chile, Estados Unidos y sin dejar de lado el continente europeo, le
están apostando a este método como una forma de reducir costos y además tener un compromiso
con el medio ambiente, y esto fue a través del tratado del protocolo de KIOTO que pretende reducir
las emisiones de CO2 con el fin de disminuir el calentamiento terrestre del planeta. Por tales
razones en países como México se ha vuelto imprescindible y necesario promover la eficiencia
energética tanto en los cambios de equipos electrodomésticos de baja eficiencia a equipos más
1
eficientes, así como la posibilidad de aislar la envolvente de una edificación, teniendo resultados de
ahorros económicos y cuido del medio ambiente.
La ganancia por radiación solar es la fuente más importante a controlar, lo cual se logra con un
diseño adecuado de la envolvente, por lo que es siempre recomendable aislar muy bien el techo,
así como también fachadas. Para ciudades cálidas como Villahermosa y Hermosillo (México) con
aislar la cubierta nada mas (NOM-008), se obtienen porcentajes de ahorro de 37%.
En el caso de Argentina que es un país con clima cálido y frio, se vuelve mucho más interesante ya
que se tiene en juego el uso de equipos de aire acondicionado y equipos de calefacción para las
diferentes condiciones climáticas (calor-frio). Gracias a la existencia de normas de construcciones
usando aislante térmico (IRAM), para cada región existe un espesor óptimo. Respecto al uso de la
calefacción por ejemplo, un hogar convencional consume aproximadamente 7.2 m 3/día de gas
natural a una temperatura media exterior de 10°C, mientras que aislando los sistemas
constructivos se tiene un consumo de 1.3m3/día y un promedio de 5.9 m3/día semanal. Esto se
traduce en porcentajes a un ahorro real de consumo de energía, destinado a calefacción para uso
residencial, sería de 42,99% respecto a la actual demanda registrada que es de 52%.
El aislamiento térmico en muchos países es la palanca más importante para controlar el gasto
energético de edificios. [ANDIMAT.2005.Pág.9]. Podemos decir que del 100 % del ahorro
energético se tiene que:

48% es solamente el edificio si está muy bien aislado

17% la sustitución de electrodomésticos con mayor eficiencia energética

7% sustitución de luminarias incandescentes por fluorescentes.
Entre otras investigaciones se realizó el análisis de un edificio en España con dimensiones de 92
2
m y 12 m de altura en el que se aisló la cubierta con un espesor de 25 cm (poliuretano
expandido),traduciendo los ahorros a un 31% menos en el consumo de equipos de A/C, y 67% en
equipos de calefacción.
Existen investigaciones acerca de las aplicaciones para zonas muy frías como suele ser en Turquía
que se realizaron diversos estudios para las regiones donde más azota dicho clima. Para el caso
se aislaron las paredes y techos de tres construcciones ubicadas en tres ciudades: Erzurum, Kars y
Erzincan cuyas altitudes son 1218, 1775 y 1258 metros, lo que significa un alto consumo de
calefacción debido a las ubicaciones de las mismas. Esto proporcionó resultados favorables con
un ahorro de 77% en el uso mensual del equipo de calefacción. El sistema constructivo que se
2
analizó consta de ladrillos de 15 cm de espesor, aislamiento en medio con una conductividad
térmica de 0.03 W/m2K y una capa de yeso en las caras externas. La forma de encontrar el valor
óptimo fue mediante el costo de ciclo de vida, método que incluye incluso el porcentaje de inflación
en actualidad, llegando como resultados a obtener 105 mm para Erzurum, 108 mm para Kars
(mayor altitud) y 85 mm para Erzincan.
La ASHRAE a través del proyecto solar ZEB, trabajo en el diseño de la Equinox House que se
encuentra ubicada en urbana Illinois III. Esta habitación es energizada por un sistema fotovoltaico y
suple el 100% de toda la habitación. El centro de Illinois es dominado por un clima que en la
actualidad ha cambiado debido a sucesos tales como las explosiones del ártico de Minnesota así
como el calor y la humedad de Louisiana.
Prácticamente la Equinox
House se
encuentrasúperaisladacon12 pulgadas (300mm) de espesor paneles estructurales aislados. El
diseño de la cubierta de la casa Equinox
cuenta con un valor de resistencia térmica de 44
2
ft F°/BTU, y sus paredes diseñadas con valor de resistencia térmica de 22ft2F°/BTU. El uso de
12pulgadas (305 mm) de espesor de aislamiento térmico se estima en $ 20.000, y la porción de
energía de la casa solar fotovoltaica también tuvo un costo de instalación de $20.000 (incluye el
30%de crédito fiscal federal de EE.UU.). El costo de estas dos características es importante ya que
juntas disminuyen las facturas de servicios públicos de una casa convención a la más de
20años.Para determinar el óptimo espesor de las paredes y el techo se optó por el LCC así como
también se incluyó la vida útil de la casa, que ha asumido hasta los 100años. Se necesitaron dos
elementos básicos para determinar los valores óptimos de la pared y techo: los costos relacionados
con el espesor de aislamiento para una pared o techo y el costo de la energía (LCC).El costo de
usar más aislamiento reduce los costos de la energía. Por tanto este proyecto a pesar de ser
sustentable,
el
uso
del
aislamiento
mejora
las
condiciones
del
recinto.[ASHRAE
JOURNAL.2010.Pág 65].
Debemos mencionar que el sistema constructivo de una edificación desenvuelve un papel
importante en este tema, como lo son los materiales de construcción. Al momento de una
construcción es imprescindible tener en mente la permeabilidad de los materiales que se traduce
de forma simple a la difusión del vapor de agua a través de los materiales, por lo que al momento
de usarlos se debe pensar en la resistencia a la difusión del vapor de agua. Si esto no se puede
tratar esto da lugar a la condensación superficial que generalmente se produce en temporadas de
invierno. Para climas templados, en el interior del recinto existirá una humedad relativa dada por la
temperatura Ti, con su temperatura de rocío “TR” correspondiente. Si Tsi< TR, se producirán
condensaciones en la superficie del local. Para evitar esta situación, la única solución posible es
aumentar el valor de Tsi para que Tsi> TR, lo que supone que (Ti - Tsi) sea más bajo; para ello,
3
habrá que aumentar el valor de R del cerramiento, mediante la adición del aislamiento térmico
adecuado.
Figura 1.1.1 Condensación superficial.[Rodriguez.2008. Pág. 26]
El desempeño térmico de una construcción básicamente está determinada por las propiedades
térmicas de los materiales de construcción caracterizados prácticamente por la habilidad que estos
tienen de absorber o emitir la radiación solar (resistencia térmica y coeficiente de conductividad
térmica). Otro término que se suele aplicar en la parte constructiva es la llamada inercia térmica
que prácticamente es la capacidad que las fachadas tienen de absorber el calor por unidad de
masa. Esta capacidad depende de una variable que llamamos calor específico que es una
propiedad directamente de los materiales en su estado sólido y esta absorción de calor solo
depende de la masa. La inercia térmica de un edificio se utiliza con el fin de minimizar las
contribuciones térmicas para mantener una temperatura constante. La inercia térmica es
importante para garantizar un ambiente climático confortable para sus ocupantes. Un edificio de
fuerte inercia térmica equilibrará su temperatura acumulando durante el día, el calor que devolverá
en la noche para garantizar una temperatura media, y es lo que explica la existencia de grandes
oscilaciones diarias de temperatura. Las variaciones diurnas de la temperatura exterior producen
flujos de calor hacia el interior del edificio durante el día, quedando parte del calor almacenado en
el material. Durante la noche, el flujo de calor se invierte, del edificio hacia el exterior. Como
resultado las variaciones diarias de la temperatura interior varían entre el caso de baja masa
térmica y el de alta inercia térmica. Al crecer la masa térmica aumenta el retardo y disminuye la
oscilación interior en relación con la exterior. De esta forma la inercia o masa térmica contribuye a
incrementar el confort interior y a reducir valores punta en los sistemas de acondicionamiento
humano (A/C).[Miranda.2000.Pág.1-98]
Entre los beneficios que la masa térmica brinda es la moderación de temperaturas extremas de los
interiores del recinto, logrando mantener un lugar cálido en invierno y fresco en verano. Países
4
como España, Argentina y Brasil han realizado diversos análisis de confort y eficiencia energética a
construcciones públicas que cumplen con la característica de mantener una alta inercia térmica en
las fachadas de dichas edificaciones llegando a tener resultados muy similares a que si estos
fueran aislados. Temperaturas registradas con inercia térmica ascienden a los 8 grados debajo de
la temperatura exterior en verano y de igual forma en invierno. Cuando la amortiguación de las
ondas de temperaturas alcanza un 100% se obtiene el efecto de cueva debido a que los espesores
de los cerramientos son muy grandes.
Muchos estudios sobre el tema hacen énfasis en las consideraciones al momento de tomar la
decisión de aislar una envolvente.[Rodriguez.2005.Pág.65,Dr. Mohammad S. Al Homoud. 2004.
Pág. 1-14].Por tanto recomiendan tomar los siguientes aspectos:

Factores climáticos

Ubicación geográfica de la envolvente

Entorno físico

Tipo de uso de la edificación y sus variables de uso

Vida útil del material aislante
Dentro de los factores climáticos a tomar las investigaciones apuntan a tres factores:

Humedad

Lluvia

Soleamiento
Para lo cual la humedad se pude volver un problema en regiones donde azota el inverno (lluvias), o
zonas de alta humedad, ya que el contacto del vapor de agua con el material aislante y con los
materiales constructivos crean los llamados “puentes térmicos” donde se facilita la transferencia de
calor. Para evitar este problema es necesario el uso de las barreras de vapor, tomando en cuenta
la mejor ubicación de dicha barrera en la cara más caliente del elemento.
Definiendo los aspectos climáticos según la investigación, el otro término de importancia es la
ubicación geográfica, ya que de este aspecto dependerá el soleamiento que la edificación reciba al
año, la ubicación se puede marcar con las coordenadas (latitud, longitud) para así ubicar las
superficies vidriadas de forma eficiente. La ubicación geográfica envuelve además el clima al cual
está sujeto el edificio, ya sea clima costero, de valle o cordillerano.
5
Al proyectar la aislación de un edificio es imperativo examinar el entorno físico de la edificación, es
decir, donde está ubicado. Por ejemplo si esta frente a un lago o frente al mar, en una zona rural o
en medio de la ciudad, ya que estos factores cambian radicalmente aspectos climáticos como
temperatura y humedad relativa del medio.
Un punto de gran interés según investigaciones es el uso que se da al edificio, ya que este criterio
nos dice cuál será el tipo de aislación a colocar. Si el edificio es utilizado durante todo el día en
forma continua, lo ideal es utilizar un sistema de aislación exterior, permitiendo el aprovechamiento
de la inercia térmica del edificio; por el contrario, si el recinto se utiliza en forma esporádica por
algunas horas diarias, lo ideal es utilizar aislación interior, de esta manera se permite un
acondicionamiento térmico rápido del recinto. Sin embargo, hay que considerar las variaciones de
clima anual y estacional que pueda haber en la localidad donde se ubica el edificio.[Rodríguez.
Manual de aislación térmica exterior.2008.Pág. 76].
El uso de un edificio se caracteriza según los siguientes factores:

Escaso: Uso de recintos por periodos cortos, de hasta 8 horas, espaciados en el tiempo por
intervalos largos. Ejemplo: recintos deportivos, salas de espectáculos (cines, teatros).

Parcial: Determinado por el uso de un edificio durante periodos de hasta 12 horas continuas,
espaciados durante el día por intervalos de tiempo de hasta 16 horas. Ejemplo: oficinas,
escuelas.

Total: Uso de un recinto durante periodos largos de más de 24 horas seguidas, o por periodos
de 6 a 12 horas de forma relativamente continuada. Ejemplo: edificios habitacionales,
hospitales, hoteles, etc.
Partiendo de todos estos aspectos nace la mejor ubicación del material aislante en la envolvente
de un edificio. Las configuraciones existentes en este tipo de estudios son:

Aislación por la cara exterior de la envolvente.

Aislación por la cara interna de la envolvente.

Aislación al interior del cerramiento.

Aislación por ambas caras de la envolvente, en forma simétrica.

Aislación por ambas caras de la envolvente, de forma asimétrica
En algunos países como se ha mencionado con anterioridad, cuentan con normas de aislación
térmica para envolventes. Muchos lo han logrado mediante análisis de laboratorios tal es el caso
de argentina, a través de pruebas realizadas a diversos materiales (ASTM) han logrado
6
estandarizar un valor óptimo de espesor, pero no así el caso de Madrid (España), donde su
enfoque va más a la perspectiva económica, por ende su espesor óptimo es sacado a través de un
análisis económico mediante: AHORRO POR COEF. VAN MENOS COSTO E INCREMENTO DE
AISLAMIENTO.
Otros análisis de esta categoría son por ejemplo el LCC que en casos como los países de medio
oriente (Arabia Saudita) investigadores de la región usan dicho análisis para realizar estudios sobre
aislamiento y espesor óptimo, debido a que en estas regiones padecen de condiciones climáticas
muy cálidas, por lo que se vuelve de mucha importancia encontrar alguna forma de reducir los
costes de energía eléctrica por el uso de aire acondicionado. Según investigaciones, en estas
regiones, las construcciones se diseñan para que los ocupantes gocen de un nivel de confort
aceptable, sin embargo las condiciones climáticas no son de gran ayuda, por lo que se vuelve
necesario el respaldo de equipos de A/C. por tal razón se utilizó un análisis económico para poder
encontrar un valor mínimo de espesor y así poder suavizar los gastos de energía eléctrica en dicha
región (LCC). Se realizó este estudio para materiales como: la fibra de vidrio, poliuretano,
poliestireno expandido y bloque de concreto como elemento constructivo por si no se quisiera
hacer uso de aislamiento.[Dr. MohammadS. Al Homoud.2004.Pág.1-14]. Al final estas
investigaciones definieron este análisis como se muestra en la siguiente figura:
Figura 1.1.2 Análisis de LCC. [ Dr. Mohammad S. Pág. 12]
No se puede dejar de lado países como Estados Unidos que su enfoque va relacionado además a
la sustentabilidad. Cabe mencionar que la mayoría de los estudios realizados apuntan a análisis
hechos a la cubierta de los edificios, por ser la superficie que se encuentra más expuesta a la
radiación solar. Existe además una gran variedad de materiales aislantes que son utilizados para
este rubro entre los que se mencionan: el poliuretano y el polietileno.[IDAE.2000. Pág.34].
Las infiltraciones y puentes térmicos, según las investigaciones es casi imposible impedir la
existencia de estos, sin embargo para efectos de estudio se pueden tomar en cuenta mediante
factores o porcentajes recomendados, 10% de pérdidas por cavidades y 7-8% en puentes
7
térmicos, existen materiales constructivos tales como el hormigón y la arcilla que suavizan estos
efectos. La instalación del material aislante puede ayudar a la existencia de puentes térmicos, y
depende de la forma de sujeción a la pared, la mayoría de los estudios realizados sujetan el
aislante a la pared mediante tornillos o pernos, tal como se muestra en la figura:
Figura 1.1.3 Esquema del montaje de material aislante.[Rodriguez.2008. Pág. 41]
Otro tipo de aislamiento que debe ser tomado en cuenta es el conocido aislamiento reflectivo, este
es un material metálico cuya función es reflejar en una gran proporción la radiación solar, muchos
análisis de laboratorio proponen quela mejor ubicación de este tipo de material debe estar en la
cubierta ya que éste es el que más recibe radiación solar. Además debe cumplir lo siguiente:

Debe tener un alto factor de reflectancia

Debe tener un bajo factor de absortancia

Debe tener un bajo nivel de transmitancia
Prácticamente estos fenómenos están muy ligados al tipo de color de los materiales si son opacos,
negros o si en algún caso son reflectivos (superficies pulidas que no necesariamente poseen alta
reflectancia), así como también la emisividad.
En síntesis aislar la envolvente trae consigo muchos beneficios:

Como un principio físico. Utilizando el aislamiento térmico en la envolvente, se ayuda a los
sistemas de refrigeración y acondicionamiento humano a reducir la cantidad de calor que
deben remover.
8

Beneficios
económicos.
El
costo
de
energía
por
la
operación
de
sistemas
de
acondicionamiento reduce al utilizar aislamiento térmico de forma adecuada (ubicación
óptima).

Beneficios medioambientales. El uso de aislante térmico no solo ahorra costos de operación
sino también reduce porcentajes de contaminantes y emisiones de CO2. De esta manera
salvaguardamos el planeta del calentamiento terrestre.

Satisfacción propia y el bien nacional. Incrementando el uso del aislamiento térmico en la
envolvente nos conducirá a tener más energía disponible para otros que lo necesitan, y reducir
el costo en nuestra construcción.
1.2 IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
El análisis para la obtención de un espesor óptimo de aislamiento está dirigido hacia aquellas
entidades interesadas en reducir sus costes de energía eléctrica en sus empresas, llevando de la
mano la eficiencia energética de la envolvente y a la vez la sustentabilidad del mismo. Por tanto un
estudio de esta categoría puede ayudar a la existencia de nuevas normativas de construcción en
nuestro país, y así tener una mayor responsabilidad con el uso de la energía eléctrica y el cuidado
del ambiente.
Además dicho análisis servirá de guía a aquellos que deseen profundizar más en el tema, y que
estos resultados obtenidos sean un impulso para las futuras investigaciones.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVOS GENERALES
 Determinar mediante
simulaciones, con el uso de un software, la aplicaciónóptima de
aislamiento térmico para evaluar si en edificios de oficinas acondicionados en nuestro país,
existe rentabilidad económica al utilizar un tipo de aislamiento, así como, el impacto energético
y medioambiental.
 Determinar la decisión económica más rentable entre el uso del aislamiento óptimo y el uso de
equipos de alta eficiencia.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
 Simular un modelo constructivo con características similares a las de nuestro país.
9
 Determinar cuál debe ser la ubicación óptima del material aislante en la envolvente
 Establecer una metodología que nos permita analizar diferentes situaciones para determinar el
valor de espesor óptimo de material aislante.
 Analizar los resultados obtenidos en los diferentes casos de estudio, y en base a estos, sacar
conclusiones.
1.4 LIMITANTES DEL PROYECTO
 Para el estudio se utilizara únicamente el software EnergyPlus mediante la plataforma Design
Builder.
 La ubicación del edificio es dentro de regiones del país, sin dejar pasar que el software por
defecto permite ciertas regiones con la base de datos climáticos de cada una de ellas.
 Se tomarán en consideración los aspectos constructivos más básicos con que se construye un
edificio, es decir sin tomar en cuenta los criterios más profundos de este rubro.
 Se utilizó un diseño simple del edificio así como una organización del espacio sencilla debido a
que nuestra misión es realizar experimentos y así cumplir nuestros objetivos.
 Se analizara únicamente el funcionamiento del aislante como tal, sin agregar otros elementos
constructivos que mejoren el funcionamiento de este, como cortasoles, segundas pieles, etc.
 Para el análisis se usaran materiales aislantes que son aplicables para nuestro objetivo y que
además se encuentren a la venta en nuestro país.
1.5 DEFINICIÓN DE AISLANTE TÉRMICO
Un aislante térmico es un material cuya estructura microcelular y química opone cierta resistencia
al paso del calor en comparación con otros materiales. Se puede considerar entonces como
material aislante cualquier material con baja conductividad térmica. Existen muchos materiales que
sirven para la aislación térmica, que son capaces de resistir altas temperaturas y por ende el paso
de calor.
10
Figura 1.5.1 Aislante térmico. [Podex.2010. Pág.5]
1.5.1 AISLANTES DISPONIBLES EN EL SALVADOR
En nuestro país hay una diversidad de aislantes térmicos, y en su mayoría para aplicaciones
industriales, sin embargo para aplicaciones puramente de confort térmico existen dos materiales:
Figura 1.5.2 Fibra de vidrio y polietileno.[Fernandez.2002. Pág. 12]
Tanto la fibra de vidrio como el polietileno presentan propiedades térmicas y mecánicas que
pueden ser utilizadas para esta aplicación. Su presentación en rollos facilita la instalación en la
envolvente del edificio.
1.6 PROPIEDADES FISICAS DEL MATERIAL AISLANTE
Los aislantes térmicos en la envolvente deben poseer propiedades mecánicas considerables así
como físicas, ya que estos están expuestos a condiciones ambientales y a la vez sometidos a
esfuerzos normales de tensión y compresión. A continuación presentamos las características que
los materiales deben cumplir para un mejor desempeño.
Resistencia mecánica. La resistencia a los esfuerzos mecánicos se evalúa a través de la
resistencia a la compresión para una deformación teórica del 10%. Además la resistencia a la
flexión ya que si el material no es resistente a este tipo de esfuerzos no se lograría fijeza al
momento de instalarlo. La resistencia a la tracción o fricción, debe ser considerable en un material
de esta categoría ya que deseamos que se mantenga un alto coeficiente de fricción estática entre
11
la superficie del aislante y la envolvente. Y por último la resistencia a los esfuerzos cortantes ya
que debemos asegurarnos que al someter nuestro material a dichos esfuerzos las fibras no se
rompan.
Comportamiento frente al agua y vapor de agua. Básicamente el material que será utilizado debe
ser incapaz de absorber el agua de la humedad del ambiente, por lo que debe ser recubierto con
sellos de vapor y tomar en cuenta el factor de resistencia a la condensación que cada material
posee. De no ser así se da lugar a la creación de puentes térmicos, y mejorar el paso de calor a
través del material aislante. Es necesario tomar en cuenta la presión atmosférica del lugar, ya que
esta variable también afecta la humedad relativa del lugar.
Estabilidad dimensional. Que se refiere a que las dimensiones del material deben incluir
deformaciones por dilatación térmica ya que ningún material está exento de este fenómeno. Por
tanto al momento de ubicar el aislante no existe problema de sobredimensionamiento.
Estabilidad frente a la temperatura. Los materiales aislantes deben soportar variaciones de
temperatura entre aumentos y disminuciones, y que estos cambios no atrofien las propiedades
térmicas del material, y que el material deje de cumplir su objetivo.
Propiedades químicas. Cualidad de mucho interés ya que una reacción química entre los
componentes del aislante y alguna otra sustancia pueden ser perjudiciales para el ser humano y el
medio ambiente por lo que estos materiales deben ser inertes.
Resistencia al fuego. El aislante debe ser capaz de resistir el contacto al fuego y a la vez poseer un
bajo punto de inflamación, esto asegura menores índices de un posible incendio, con el material
aislante.
1.6.1 CONCEPTOS BÁSICOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR
Entre los conceptos básicos para la conocer las formas de transferencia de calor están:
Resistencia térmica. Capacidad de un material de oponerse al flujo de calor, esta se calcula a
través de la siguiente expresión:
x
K
donde K  Conductividad térmica W / m 2 .k
R
x  Espesor del material aislante mts
12
( Ec.1.6.1.1)
Coeficiente de conductividad térmica: propiedad física de todos los materiales que mide la
capacidad de conducción del calor, se calcula de la siguiente manera:

Q
k
T

Donde Q  Flujo de calor
J
 K .m 2 .s
Donde T  Delta de temperatura  K
( Ec.1.6.1.2)
Coeficiente de convección natural. Prácticamente cuantifica las propiedades del fluido, de la
superficie y del flujo cuando se produce una transferencia de calor por convección
h
dQ
dT * As *(Ts  Tin )
( Ec.1.6.1.3)
1.6.2 FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Transferencia de calor por conducción
Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, la experiencia muestra que hay una
transferencia de energía desde la región a alta temperatura hacia la región de baja temperatura. Se
dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es
proporcional al gradiente normal de temperatura:
q dT
~
A dx
( Ec.1.6.2.1)
Cuando se introduce la constante de proporcionalidad:
q  kA
T
x
( Ec.1.6.2.2)
Donde q es el flujo de calor y ∂T/ ∂x es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de
calor. La constante positiva k se llama conductividad térmica del material, y se ha puesto el signo
menos para satisfacer el segundo principio de la termodinámica; esto es, el calor debe fluir hacia
las temperaturas decrecientes.
13
Figura 1.6.2.1 Transferencia de calor por conducción.[Tapia.2008. Pág. 20]
Transferencia de calor por convección
La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y prácticamente se caracteriza
porque se produce entre medio de un fluido ya sea aire o agua, que transporta el calor entre zonas
con diferentes valores de temperaturas. La característica de la convección es que se produce
exclusivamente por medio de materiales fluidos. Estos, al calentarse, aumentar de volumen y, por
lo tanto, su densidad disminuye y ascienden transportando el fluido que se encuentra en la parte
superior y que está a menor temperatura. En la transferencia de calor por convección libre o
natural, un fluido se encuentra más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida,
causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de
temperaturas en el fluido.
Este fenómeno puede ser calculado de forma simple de la siguiente forma:
W  hs As (Ts  Tin )
( Ec.1.6.2.3)
En la expresión anterior hs es la conocida constante de newton de convección natural, y AS es el
área de la superficie sólida.
Figura 1.6.2.2 Transferencia de calor por convección.[Tapia.2008Pág. 22]
14
Transferencia de calor por radiación
Existen muchos tipos de radiación electromagnética; la radiación térmica es solo uno de ellos.
Independientemente del tipo de radiación, se dice que ésta se propaga a la velocidad de la luz,
3x10-3μm. Esta velocidad es igual al producto de la longitud de onda por la frecuencia de la
radiación La radiación térmica se encuentra en el intervalo que va desde 0.1.μm.
Aproximadamente, hasta 100 μm. Mientras que la porción de luz visible del espectro es muy
estrecha, extendiéndose desde 0.35 Pm aproximadamente, hasta 0,75 μm.
La propagación de la radiación térmica tiene lugar en forma de cuantos discretos, teniendo cada
cuanto una energía de
E  h.v
( Ec.1.6.2.4)
Donde h es la constante de Planck y tiene un valor de h = 6,625 x 1O-34J.s
Cuando la energía radiante incide sobre la superficie de un material, parte de la radiación se
refleja, parte se absorbe y parte es reflejada β, la absortancia α como la fracción absorbida, y la
transmitanciaλ como la fracción transmitida. Así:
     1
( Ec.1.6.2.5)
A partir de esta ecuación sale el factor que se conoce como emisividad, que da lugar a la ecuación
para calcular la trasferencia de calor por radiación:

Qe   A T
s
s
4
(Watts)
( Ec.1.6.2.6)
Prácticamente la emisividad se define como la proporción de radiación térmica emitida por una
superficie u objeto debida a una diferencia de temperatura determinada. En palabras simples esto
es:

Radiación emitida por una superficie
Radiación emitida si fuera un cuerpo negro
Donde σ es la llamada constante de Stefan Boltzmann equivalente a 5.67x10
-8
2
4
W/m K .La
transferencia de calor es un fenómeno intrínseco al medio porque es imposible evadirlo, gracias a
esto somos capaces de enfriarnos cuando tenemos calor, calentar nuestros alimentos, realizar
15
procesos industriales, etc. Todos los efectos combinados de la transferencia de calor se pueden
apreciar a continuación:
Figura 1.6.2.3 Combinación de los fenómenos de transferencia de calor. [Tapia. 2008.Pág. 25]
16
CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA
2.1 METOLOGÍA DEL ESTUDIO
Se realizaron distintas simulaciones en DesignBuilder, un programa de computadora, que utiliza el
Energy Plus como motor de simulaciones, con el objetivo de conocer el efecto que los aislantes
térmicos tienen sobre la carga de enfriamiento y el confort dentro del edificio, y de esta manera
encontrar un espesor óptimo que permita optimizar los costos relacionados al acondicionamiento
del edificio. Las consideraciones tomadas se presentan a continuación:
Primero se elaboró el diseño del edificio a ser utilizado como modelo para las simulaciones, debido
a que en el país no es común ver edificios altos, se creó uno de tres plantas, de 2.8 m de altura
cada una, lo cual es bastante común en nuestro medio, además se encuentra orientado de este a
oeste con 20m de ancho x 38m de largo. Se procuró que las ventanas cubrieran el 20% de las
fachadas, de tal manera que las ventanas no influyeran en gran manera en nuestros cálculos, y
que a la vez se acercaran a realidad.
Cada pared es perpendicular a los ejes de los puntos cardinales, de tal manera que se pueda
determinar el aislamiento necesario en cada pared tomando como referencia dichos puntos
cardinales. Se utilizaron los datos climáticos de Acajutla para realizar las simulaciones necesarias
ya que es una zona cálida de nuestro país, [SNET de El Salvador], por lo que es un lugar
representativo para analizar el efecto del aislante en la envolvente. Además de esto, el programa
solo permite dos regiones de nuestro país (Acajutla, departamento de Sonsonate e Ilopango,
departamento de San Salvador).
El modelo propuesto es un edificio de oficina, debido a que este tipo de uso de los edificios es muy
común en El Salvador, además todos los aspectos energéticos se han calculado bajo este criterio,
basándose principalmente en la ASHRAE HANBOOK OF FUNDAMENTALS 2009.
Se asume que las personas tendrán un horario de trabajo de 8:00 a.m. a 6:00 p.m. sin disminuir el
perfil de carga al mediodía ni a la hora de entrada y salida.
El edificio cuenta de tres a cuatro oficinas por planta donde se atenderá a las personas en privado,
un baño y sala de espera, un área de trabajo donde se localizarán cubículos y oficinistas, un área
de recepción antes de entrar a los cubículos y en la tercera planta se sitúa una sala de reuniones,
una cocina y otra de comunicaciones donde estará centralizada la red de las computadoras en el
edificio.
17
El equipo de aire acondicionado utilizado en todos los casos (excepto que se indique lo contrario)
es de tipo paquete con un COP de 3.3, el cual fue elegido en base al mínimo COP permitido por la
ASHRAE Standard 90.1-2004 (2.9), para considerar como eficiente a dicho equipo. El aire
acondicionado se enciende a la hora de entrada y se apaga a la hora de salida. Se asume un 10%
de pérdidas en la distribución del aire y otros.
Se asume que no existe ningún tipo de ventilación adicional a la que ofrece el equipo de A/C ya
que se pretende analizar únicamente el efecto del aislante en el mismo.
Las infiltraciones en la construcción son de 0.07 ac/h para el caso base para un edificio de oficinas,
dadas por el software, este valor puede parecer pequeño para el caso de El Salvador pero como se
mostrará más adelante, las infiltraciones no influyen significativamente en el resultado.
La temperatura a la que se programa el equipo de aire acondicionado es de 22 °C, medida en
base a la temperatura del aire dentro del edificio, dicha temperatura es la recomendada por la
ASHRAE para el confort humano. Las densidades de carga de las luminarias serán las
recomendadas por ASHRAE Standard 90.1-2004.
Todas estas consideraciones fueron tomadas en el llamado caso base ya que este cumple con
todas las características de eficiencia energética en todos los aspectos (personas, luminarias,
equipos de alta eficiencia, etc). La línea base fue simulada con el objetivo de obtener la carga por
refrigeración sin aislante, luego se realizaron múltiples simulaciones con aislante térmico,
aumentando la capa de aislante con multiplicidad de 5 mm en cada simulación, hasta obtener un
óptimo de aislante en base al Costo de ciclo de vida, explicado más adelante. A este caso se le
hicieron ciertas modificaciones para determinar la variación del espesor óptimo con respecto a
estas. Las modificaciones fueron:

Variación de cargas de internas.

Variación de uso del aire acondicionado

Variación del termostato del equipo de aire acondicionado.

Variación de la eficiencia del equipo de aire acondicionado.

Modelo sin paredes internas.

Uso de otro aislante.

Variación de infiltraciones
18
2.1.1 DISEÑO DE LA EDIFICACIÓN.
Para realizar las simulaciones de tal manera que sus resultados fueran representativos se hizo uso
de un edificio acondicionado de tres pisos, rectangular y con elementos de construcción
comúnmente utilizados en el país.
Paredes exteriores: Las paredes están construidas por un bloque de concreto de 15 cm. con
repello a ambos lados (20 mm).
Figura 2.1.1 Elementos constructivos de las paredes exteriores .
Techo: El techo está formado de hormigón, con repello a ambos lados, en la parte inferior se
encuentra una capa de aire y luego yeso (cielo falso).
Figura 2.1.2 Elementos constructivos del techo.
Particiones: Las particiones están formadas por doble capa de yeso con una capa de aire en su
interior.
19
Figura 2.1.3 Elementos constructivos de las particiones.
Piso: El piso está formado por 10 cm. de hormigón denso.
Figura 2.1.4 Elementos constructivos del piso.
Ventanas y puertas: Se colocaron ventanas dobles en el modelo, formadas por una capa interior y
exterior de vidrio transparente de 3 mm y una capa de aire de 13 mm. Las puertas del modelo tanto
internas como externas son de madera de 3.5 cm de espesor y 2 m x 1.80 m.
2.2 PRESENTACIÓN DEL MODELO DEL EDIFICIO.
A continuación se presentan imágenes del edificio y de la distribución de las distintas zonas dentro
del mismo:
20
Figura 2.2.1 Edificio modelo.
Figura 2.2.2 Primer nivel, edificio modelo.
Figura 2.2.3 Segundo nivel, edificio modelo.
21
Figura 2.2.4 Tercer nivel, edificio modelo.
Cabe destacar que el edificio cuenta con zonas comunes para edificios de oficina en nuestro país,
la idea no es hacer un modelo ideal ya que resultaría una tarea muy difícil, y lo que se busca es
acercarse lo más que se puede a un caso típico.
2.3 DISTRIBUCIÓN ENERGÉTICA.
Para la distribución energética de las luminarias, computadoras y otros aparatos eléctricos, se basó
en los valores recomendados por el manual de la ASHRAE HANDBOOK OF FUNDAMENTALS
2009 y ASHRAE Standard 90.1-2004, se es consciente que los edificios en el país no se basan en
estas recomendaciones para un diseño eficiente, de hecho se alejan considerablemente, pero
dado que la ASHRAE es un estándar internacional y una línea base establecida como referencia se
optó como guía para definir dichas distribuciones energéticas. Para determinar las densidades de
carga de los aparatos eléctricos se determinó la cantidad de estos en base a la función del edificio,
la potencia consumida por estos se obtuvo del manual de ASHRAE 2009, luego la potencia total de
cada zona térmica se divide entre el área de dichas zonas. Las densidades de cargas se dividieron
en equipos de oficina, luminarias, cocinas, computadoras y misceláneos. Como misceláneos no se
eligieron equipos específicos en sí, sino que se realizó un cálculo breve sobre los aparatos
eléctricos de uso ligero (celulares, agendas electrónicas etc.) y en base a este tipo de equipo
eléctrico se logró definir dicha carga. (Ver anexo A-1).
Se realizó una simulación al caso base para encontrar la distribución del consumo la cual es de
121.31 Kwh/m2, y este se encuentra dentro del rango de una oficina (de 100 a 500 Kwh/m 2).[UCA].
A continuación se presenta la distribución en porcentaje por recurso:
22
Distribución de energía
Luminarias
32%
Equipo de
oficina y
misceláneos
32%
A/C
36%
2
Gráfico 2.3.1 Distribución en Kwh/m
2.4 UBICACIÓN ÓPTIMA DEL AISLANTE
Definir la ubicación del aislante no es una tarea fácil, ya que no hay reglas ni fórmulas que nos
digan que es más conveniente, depende de muchos factores, los más remarcables son:

Uso del edificio.

Inercia térmica de los muros.

Comportamiento del clima durante el año.
Para nuestro caso se ubicó el aislante en la parte exterior debido al comportamiento climático de la
zona (clima cálido y tropical) y además del tipo de uso de nuestro edificio ya que es tipo parcial (de
8 a 12 horas de uso). Para nuestro estudio, la ganancia de calor por la masa térmica no será de
mucha ayuda ya que el material de construcción no permite absorber tanta energía debido a que
posee un bajo calor específico (bloque de concreto: 0.88 j /g.K). El uso de sello de vapor debe ser
necesario sin embargo en nuestro estudio no fue considerado debido a que la época de invierno
es de poca duración, [SNET de El Salvador].Cabe mencionar que existen de alguna y otra manera
ciertas ventajas y desventajas de aislar una envolvente presentándose a continuación algunas de
ellas:
Fuera del edificio:
Tabla 2.4.1. Ventajas y desventajas en aislamiento exterior. [Gaviria. AICIA]
Ventajas:
Protege contra la humedad interna.
Desventajas:
Instalación más complicada.
23
No reduce el espacio interior.
Requiere mayor material.
Se corrigen los puentes térmicos.
Puede haber una plaga de insectos y
otros organismos.
Puede no ser viable en el techo.
Dentro del edificio:
Tabla 2.4.2. Ventajas y desventajas en aislamiento interno. [Gaviria. AICIA]
Ventajas:
Desventajas:
Fácil Instalación.
Pueden ser inflamables, lo
cual representa un riesgo.
Costos relativamente bajos.
Reduce el espacio interior.
El área a acondicionar se
enfría más rápido, dado
que no se utiliza energía
para enfriar las paredes.
Genera incomodidad en
los habitantes No se
aprovecha la inercia o
volante térmico.
2.4.1 INSTALACIÓN DEL AISLANTE EN LA ENVOLVENTE.
La instalación del aislante depende en gran medida de la presentación de este, puede ser en
espuma, colchas, tablas, rollos, etc. Los aislantes cotizados vienen presentados en rollos, por lo
cual se ha elegido utilizar la fibra de vidrio como material aislante debido a que es el más barato
en nuestro mercado, y asfalto caliente como material de unión entre la superficie de la envolvente y
el aislante térmico, además estos materiales facilitan la instalación y son muy accesibles en
nuestro país. La ventaja de utilizar el asfalto es que sirve como aislante acústico y térmico, lo cual
ayuda a nuestros propósitos y disminuye el número de puentes térmicos. Se colocará una capa de
asfalto de 20 mm sobre el bloque de concreto, luego sobre este se instalará la capa de aislante.
2.4.2 ASPECTOS FÍSICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL ESPESOR ÓPTIMO.
Las propiedades térmicas del aislante son determinantes al elegir el espesor óptimo, debido a que
al tener una alta resistencia térmica se obtendrá un espesor menor y ahorros iguales o mayores,
esto también hace más atractiva la instalación ya que disminuye la dificultad de esta al necesitar de
un menor número de capas de aislante. Los materiales que serán utilizados para nuestros fines
poseen una conductividad térmica de0.04 W/m2.k y 0.03 W/m 2.k respectivamente. La resistencia
térmica dependerá del valor de espesor que obtenga en las simulaciones.
24
2.4.3 ASPECTOS ECONÓMICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL ESPESOR ÓPTIMO
Dentro de los aspectos económicos que se utilizaron para la obtención del valor de espesor óptimo
es la parametrización de precios. Esto consistió en cotizar el precio del aislante en existencia para
después calcular el volumen que dicho material posee, y luego expresar nuevamente el precio del
material aislante en dólares por unidad de volumen con el fin de tener una idea más clara sobre la
cantidad de dinero a requerir que dependerá del volumen de aislante a utilizar. Obviamente al
elegir un aislante con menor conductividad muy posiblemente nos encontremos con aislantes de un
mayor costo, esto nos indica que una mayor resistencia térmica no implica mayores ahorros, al
menos no en todos los casos, si la proporción entre resistencias térmicas es mayor que la de costo
por unidad de volumen, posiblemente nos encontremos con ahorros más grandes.
2.4.4 ASPECTOS CLIMÁTICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL ESPESOR ÓPTIMO
Los aspectos climáticos juegan un importante papel en la definición de un valor óptimo. La
temperatura ambiente donde se encuentra ubicado nuestro edificio tiene un valor de 28 a 30°C, la
humedad relativa de 70%. La velocidad del viento no es de importancia ya que no es una variable
que afecte nuestros experimentos. La energía solar que se estimó para el estudio fueron
calculados por fachada. Gracias a software meteonorm tales valores son:
 Para la pared norte son 38 Kwh/m 2
 Para la pared sur son
93 Kwh/m 2
 Para la pared este son 82 Kwh/m 2
 Para la pared oeste son 79 Kwh/m 2
La posición del sol es un factor determinante al calcular el espesor óptimo por pared, dado que no
se recibe la misma energía solar por pared se tiende a pensar que los resultados de espesor
óptimo deberán ser distintos.
2.4.5 ANÁLISIS ECONÓMICO.
A continuación se presenta una tabla resumen de los costos tomados en consideración para la
obtención del valor de aislante óptimo, sin dejar pasar por alto que en el costo de la energía
eléctrica se incluye ya el costo de demanda y comercialización. Para el caso del aumento anual
de energía se utilizaron los pliegos tarifarios proporcionados por la Superintendencia general de
electricidad y comunicaciones de El Salvador, [SIGET. Pliegos tarifarios a partir de 12/04/10 .12/04/11.Pág. 2. CLESA], para así generar un promedio del aumento de energía eléctrica:
25
Tabla 2.4.5.1 Consideraciones para el análisis económico.
Consideraciones
Energía eléctrica.
0.19 $/kwh
Fibra de vidrio
175.5 $/m
Polietileno.
483.9 $/m3
Asfalto.
3
3 $/galón
Aumento anual energía
11%
eléctrica.
Inflación.
4%
Instalación
20% del costo total del aislante.
Mantenimiento
1% anual del costo del aislante.
2.4.6ANÁLISIS DEL COSTO DEL CICLO DE VIDA (LCC).
Para calcular el espesor óptimo se hizo uso del costo del ciclo de vida, el cual consiste en sumar
todos los costos relacionados con el aislante térmico a utilizar. Generalmente el LCC se divide en
costos iníciales y los costos a futuro, en el caso de los aislantes térmicos los costos iníciales
corresponden a la compra y la instalación de este, mientras los costos a futuro, a reparaciones. El
LCC por lo general se realiza para el tiempo de vida del objeto en cuestión, o un poco antes de
este, en el caso de la fibra de vidrio el LCC se determina durante 15 años para la fibra de vidrio y
para el polietileno 20 años. Como es muy impreciso calcular costos por reparación, se añadió una
cuota mensual fija de mantenimiento, sustituyendo a estos.
Se realizó una suma de los costos de energía eléctrica del edificio para cada caso, sin y con
distintas capas de aislamiento, junto con los costos de instalación de este (lógicamente para los
casos sin aislamiento, el costo de instalación es de $0.00). El objetivo es sumar la curva de costos
de energía eléctrica (la cual disminuye de manera exponencial) con la de instalación del aislante (la
cual es asciende linealmente), como resultado se obtiene una parábola, donde el punto mínimo
26
corresponderá al espesor y ahorros óptimos. Todos estos costos proyectados a 15 o 20 años,
dependiendo del aislante.
2.4.7SOFTWARE UTILIZADO.
Se hizo uso del software Energy Plus como motor de las simulaciones, el cual es un software libre
descargable desde la página web de U.S. Department of energy. Este programa entrega como
salida, el consumo eléctrico del equipo de aire acondicionado (Kwh), el cual fue tomado y pasado a
Microsoft Excel para el análisis económico explicado anteriormente.
27
28
CAPITULO 3. CASOS Y RESULTADOS
3.1 CASOS DE ESTUDIO
Una vez que se tiene la metodología, se está en la capacidad de profundizar en los diferentes
casos y situaciones que hacen fluctuar los valores de espesores. A continuación se muestra la
gama de estudios y resultados, todos fundamentados en la teoría requerida. Cabe mencionar que
nuestro análisis ha ido más allá de los casos investigados por demás personas, el nuestro abarca
el análisis del edificio pared por pared y por último la cubierta, todos de forma independiente con el
simple hecho de tratar de investigar cual es la reacción que cada una de estas presenta ante las
condiciones de radiación y cargas internas del edificio.
3.1.1 CASO 1. LÍNEA BASE
Definimos línea o caso base al modelo que contempla características de diseño basadas en la
eficiencia energética. En este caso de estudio se asumen valores de eficiencia según la ASHRAE
90.1 2004 en todos sus puntos, desde las luminarias hasta la densidad de personas, así como
también el equipo de aire acondicionado tipo paquete, que para el caso cuenta con un COP de 3.3
equivalente a un EER igual a 12. Este análisis fue realizado tomando la base de datos climáticos
de la región de Acajutla (zona 3C según la ASHRAE). Para la mejor comprensión ver los anexos.
Este caso toma en cuenta además factores de infiltraciones (ac/h) cuyo valor es de 0.07. La
temperatura del termostato del equipo de A/C se ha fijado a 22°C, mientras que se despreció la
ventilación natural, con el objeto de analizar puramente el comportamiento del aire acondicionado.
Considerando estos aspectos procedemos a mostrar los resultados para cada fachada incluyendo
el techo, así como los ahorros, que van desde el año “cero” hasta los 15 años que es en base al
tiempo medio de vida del material aislante( Fibra de Vidrio).
29
Línea de alta eficiencia
$855,000.0
Espesor Óptimo
Techo
Espesor Óptimo
Sur
Espesor Óptimo
Oeste
Espesor Óptimo
Norte
Espesor Óptimo
Este
$850,000.0
Costos
$845,000.0
$840,000.0
$835,000.0
$830,000.0
$825,000.0
$820,000.0
$815,000.0
0
20
40
60
80
Espesor en mm
Gráfico 3.1.1 Espesores óptimos para la línea base
Una vez que tenemos los resultados óptimos de espesor, los ahorros obtenidos por aislar cada
fachada se muestran a continuación:
Ahorros línea de alta eficiencia
Ahorros
$40,000.0
$30,000.0
$20,000.0
$10,000.0
$0.0
Norte
Sur
Este
Oeste
Techo
Gráfico 3.1.2 Ahorros de línea base en valor presente durante la vida útil del aislante.
Al tener un edificio con equipos de alta eficiencia, luminarias eficientes, porcentajes de infiltración y
densidad de potencia tal y como la ASHRAE menciona, y además de esto, aislar cada superficie,
el ahorro se traduce a un 10% de la factura de electricidad solo por el efecto del material aislante.
3.1.2 CASO 2. VARIACIÓN DE CARGAS INTERNAS
30
Siguiendo nuestro estudio en este apartado presentamos un nuevo caso, en el cual se aumentaron
las cargas de equipo de oficina, así como también la cantidad de las personas por área y
luminarias, todo a un 50% respecto a los valores iniciales (ver anexos). Cabe mencionar que los
criterios de eficiencia del equipo de A/C se mantienen constantes así como las infiltraciones y los
demás aspectos. A continuación se muestran los valores de espesores.
Espesores óptimos variando cargas internas
$1,040,000.0
$1,035,000.0
Costos
$1,030,000.0
$1,025,000.0
Espesor Óptimo Techo
$1,020,000.0
Espesor Óptimo Sur
$1,015,000.0
Espesor Óptimo Oeste
$1,010,000.0
Espesor Óptimo Norte
$1,005,000.0
Espesor Óptimo Este
$1,000,000.0
0
20
40
60
80
Espesor en mm
Gráfico 3.1.3 Espesores óptimos variando cargas
Los ahorros obtenidos al variar las cargas se muestran para cada fachada y cubierta. Dichos
valores se muestran a continuación:
Ahorros
Ahorros variando cargas internas
$35,000.0
$30,000.0
$25,000.0
$20,000.0
$15,000.0
$10,000.0
$5,000.0
$0.0
Norte
Sur
Este
Oeste
Techo
Gráfico 3.1.4 Ahorros al variar las cargas internas en valor presente durante la vida útil del aislante.
31
cuando se aumentan las cargas internas a un 50% los ahorros que se presentan al utilizar
aislamiento en cada fachada y cubierta serían de un 7.54% en la factura eléctrica solo por efecto
del aislante, mencionando que se deben de cumplir todas las condiciones de la línea base, y que
únicamente esta variable está cambiando.
3.1.3 CASO 3. VARIACIÓN DE USO DE A/C
Al variar el uso del aire acondicionado se tienen diferentes resultados de espesores. Se parte del
supuesto que el edificio trabaja 33% del día (8 horas). Nuestro enfoque está dirigido a ver cuál es
la reacción del equipo al suponer el uso del equipo a un 100% (24 horas). Suponiendo que ésta es
la única variable en juego, a continuación se muestran los resultados de los nuevos espesores:
Espesores óptimos variando uso de A/C
$1,990,000.0
$1,980,000.0
Costos
$1,970,000.0
$1,960,000.0
Espesor Óptimo techo
$1,950,000.0
Espesor Óptimo sur
$1,940,000.0
Espesor Óptimo oeste
Espesor Óptimo norte
$1,930,000.0
Espesor Óptimo este
$1,920,000.0
$1,910,000.0
0
20
40
60
80
100
Espesor en mm
Gráfico 3.1.5 Espesores óptimos al variar uso de A/C
Así también mostramos sus respectivos ahorros por fachada:
32
Ahorros variando uso A/C
Ahorros
$80,000.0
$60,000.0
$40,000.0
$20,000.0
$0.0
Norte
Sur
Este
Oeste
Techo
Gráfico 3.1.6 Ahorros al variar uso A/Cen valor presente durante la vida útil del aislante.
La disminución en el costo de la factura de energía eléctrica por el uso del aislante se traduce a un
10.57% al utilizar las 24 h el equipo de A/C.
3.1.4 CASO 4. VARIACIÓN DEL TERMOSTATO DE EQUIPO DE A/C
Respecto al caso base el termostato se encuentra programado para que el equipo remueva el calor
a partir de la temperatura del reciento que es de aproximadamente 30°C y disminuirla hasta 22°C,
y tal temperatura se encuentra dentro del rango que la ASHRAE recomienda (22.2°C a 24.4°C).
Ahora en este análisis pretendemos ver cuál es el comportamiento del aislante al variar la
temperatura del termostato, con una temperatura un poco más baja a 20°C. A continuación se
presentan los resultados:
Costos
Espesores óptimos al variar termostato
$960,000.0
$955,000.0
$950,000.0
$945,000.0
$940,000.0
$935,000.0
$930,000.0
$925,000.0
$920,000.0
$915,000.0
Espesor Óptimo Techo
Espesor Óptimo Sur
Espesor Óptimo Oeste
Espesor Óptimo Norte
Espesor Óptimo Este
0
20
40
60
80
100
Espesor en mm
Gráfico 3.1.7 Espesores óptimos al variar termostato a 20°C
33
Los ahorros que presenta dicho análisis se muestran a continuación:
Ahorros al variar termostato
$50,000.0
Ahorros
$40,000.0
$30,000.0
$20,000.0
$10,000.0
$0.0
Norte
Sur
Este
Oeste
Techo
Gráfico 3.1.8 Ahorros al variar termostato a 20°C en valor presente en la vida útil del aislante.
El porcentaje de ahorros que el aislante térmico genera al cambiar el termostato de 22° a 20° es
12.17% sobre la línea base. Para este caso se ha extendido el análisis para apreciar mejor cómo
reacciona ante la variación del termostato de 20 a 26°C, los resultados manifiestan el siguiente
comportamiento:
Espesores óptimos al variar termostato
de 20 a 26°C
Espesor en mm
100
80
Pared Norte
60
Pared sur
40
Pared Este
20
Pared Oeste
0
Pared Techo
19
21
23
25
Temperatura en °C
Gráfico 3.1.9 Variación de termostato de 20 a 26°C
3.1.5 CASO 5. VARIACIÓN DE LA EFICIENCIA DEL EQUIPO DE A/C
34
Remitiéndonos al caso base la eficiencia del equipo como ya se había mencionado es de un COP
3.3 y un EER de 12 según lo recomendado por la ASHRAE. En esta sección se ha variado la
eficiencia a un 53% menos, equivalente a un equipo de baja eficiencia (COP 1.75). La importancia
de todo este análisis es ver nuevamente cuales son los valores óptimos de aislamiento
recomendables al tener una situación de esta naturaleza:
Espesores óptimos COP 1.75
$1,610,000.0
$1,600,000.0
Costos
$1,590,000.0
$1,580,000.0
Espesor Óptimo Techo
$1,570,000.0
Espesor Óptimo Sur
$1,560,000.0
Espesor Óptimo Oeste
$1,550,000.0
Espesor Óptimo Norte
$1,540,000.0
Espesor Óptimo Este
$1,530,000.0
0
20
40
60
80
100
120
Espesor en mm
Gráfico 3.1.10 Espesores óptimos COP 1.75
A continuación mostramos los respectivos ahorros que se obtendrian al considerar este caso de
estudio:
Ahorros
Ahorros COP 1.75
$70,000.0
$60,000.0
$50,000.0
$40,000.0
$30,000.0
$20,000.0
$10,000.0
$0.0
Norte
Sur
Este
Oeste
Techo
Gráfico 3.1.11 Ahorros al tener COP 1.75 en valor presente durante la vida útil del aislante.
35
El ahorro obtenido por usar dicho material al tener un equipo de baja eficiencia es de un 16%. Así
mismo se han obtenido los espesores que se tendrían al variar la eficiencia del equipo desde un
COP de 1.75 hasta el COP de 3.3 que para el caso es la mayor eficiencia para estas circunstancias
según la ASHRAE, todo con el objeto de investigar la tendencia a la que nos lleva dicho estudio.
Espesores óptimos al variar COP 1.753.3
Espesor en mm
100
80
Pared Norte
60
Pared sur
40
Pared Este
20
Pared Oeste
0
1.5
2
2.5
3
3.5
Pared Techo
COP
Gráfico 3.1.12 Tendencia del aislante al variar la eficiencia del equipo
3.1.6 CASO 6 MODELO SIN PAREDES INTERNAS
Al momento del diseño de la edificación, se recordará que está compuesto por tres niveles y cada
uno de ellos con una gama de oficinas, habitaciones, salas de trabajo y de espera para los
usuarios. Estos criterios de diseño y organización espacial son constituyentes de la línea base, sin
embargo, en este estudio se considera un diseño en el que se analiza un solo recinto por nivel, con
el objeto de ver la reacción del edificio sin la existencia de paredes internas o divisiones entre
oficinas:
36
Espesores óptimos sin paredes internas
$830,000.0
Costos
$825,000.0
$820,000.0
Espesor Óptimo Sur
$815,000.0
Espesor Óptimo Norte
$810,000.0
Espesor Óptimo Este
Espesor Óptimo Techo
$805,000.0
Espesor Óptimo Oeste
$800,000.0
0
20
40
60
80
Espesor en mm
Gráfico 3.1.13 Valores óptimos sin paredes internas
Los resultados de los ahorros para el caso se presentan de la siguiente forma:
Ahorros sin paredes internas
$25,000.0
Ahorros
$20,000.0
$15,000.0
$10,000.0
$5,000.0
$0.0
Norte
Sur
Este
Oeste
Techo
Gráfico 3.1.14 Ahorros sin paredes internas en valor presente durante la vida útil del aislante.
Un ahorro del 7.1% por el uso de dicho materiales el que se estima al tener esta configuración de
oficinas, lo cual implica menos consumo del equipo de A/C, esto se debe a que el balance térmico
creado cuando se analiza una sola zona, resta las cargas generadas por las fachadas, al tener
una pared que se encuentra más expuesta a la radiación solar (sur), y a su vez una pared con
menor radiación solar (norte), y que ademas ésta se encuentra removiendo ese calor proveniente
de la fachada más afectada por dicha radiación, esto hace que se resten algebraicamente las
cargas térmicas. Sin dejar de lado que en este caso noseestan enfriando paredes internas, lo cúal
ayuda a tener un mejor ahorro.
37
3.1.7 CASO 7. USO DE OTROS AISLANTES
Los casos anteriores han sido analizados con fibra de vidrio, es necesario conocer el
comportamiento físico y económico al sustituir dicho material por otro de igual aplicación. Para el
análisis se tomó el polietileno como aislante térmico así como también todos los aspectos de la
línea base es decir que en dicho estudio todo se encuentra regido con aspectos que consideran
eficiencia energética. Los resultados se muestran a continuación:
Espesores óptimos utilizando Polietileno
$1,600,000.0
Costos
$1,580,000.0
$1,560,000.0
Espesor Óptimo Techo
$1,540,000.0
Espesor Óptimo Sur
$1,520,000.0
Espesor Óptimo Oeste
$1,500,000.0
Espesor Óptimo Norte
$1,480,000.0
Espesor Óptimo Este
0
5
10
15
20
Espesor en mm
Gráfico 3.1.15 Valores de espesores con polietileno
Sus respectivos ahorros al considerar aspectos del caso base y utilizar dicho material se muestran
a continuación:
38
Ahorros utilizando polietileno
$100,000.0
Ahorros
$80,000.0
$60,000.0
$40,000.0
$20,000.0
$0.0
Norte
Sur
Este
Oeste
Techo
Gráfico3.1.16 Ahorros utilizando polietileno en valor presente durante la vida útil del aislante.
Utilizando este material de menos espesor (10 mm todas las fachadas y cubierta) los ahorros que
presenta equivalen a un 17%. Lo cual vuelve a este material más eficiente gracias a su resistencia
térmica (7.42 m2K/W polietileno y un rango de 1 a 2.38 m 2K/W para la fibra de vidrio en los casos
anteriores). Más adelante se presenta un gráfico que muestra las resistencias térmicas para todos
los casos de estudio.
3.1.8 CASO 8 VARIACIÓN DE INFILTRACIONES
En cualquier caso de estudio el efecto de las infiltraciones es casi imposible evitarlo ya que el
mismo edificio presenta entradas de aire, así como el mismo personal de una oficina permite el
paso de aire (los llamados cambios de aire por hora).
Hay un porcentaje máximo recomendable para estos análisis que es del 10%, para el cual nuestro
caso base cumple con esta condición,(0.07ac/h). Ahora tratamos de analizar cuál es el efecto que
este tendría al variar las infiltraciones a un 100% (5 ac/h).A continuación presentamos los valores
de espesores óptimos al cambiar tales infiltraciones:
39
Espesores óptimos al variar infiltraciones
$2,285,000.0
$2,280,000.0
Costos
$2,275,000.0
Espesor Óptimo Techo
$2,270,000.0
Espesor Óptimo Sur
$2,265,000.0
Espesor Óptimo Oeste
$2,260,000.0
Espesor Óptimo Norte
$2,255,000.0
Espesor Óptimo Este
$2,250,000.0
0
20
40
60
80
Espesor en mm
Gráfico 3.1.17 Valores de espesores al variar cambios de aire.
Los ahorros que se tienen al cambiar los porcentajes de infiltración se muestran a continuación:
Ahorros por infiltraciones
$30,000.0
Ahorros
$25,000.0
$20,000.0
$15,000.0
$10,000.0
$5,000.0
$0.0
Norte
Sur
Este
Oeste
Techo
Gráfico 3.1.18 Ahorros Infiltración en valor presente durante la vida útil del aislante.
Para este caso de estudio, variar las infiltraciones de un 10% a un 100% trae un 3.8%de ahorros
por efecto del uso del aislante. Anteriormente se mencionó el aspecto de la resistencia térmica,
dicho valor es diferente dependiendo del tipo de aislante que se utilice. A continuación se presenta
una variación de este valor para todos los casos de estudio tanto de la fibra de vidrio como del
polietileno:
40
Resistencia Térmica FV
2.50
2.00
Línea Base
m2K/W
Variando cargas Internas
1.50
Variando uso de A/C
Variando Termostato
1.00
Caso de baja eficiencia
Sin paredes Internas
0.50
Variando Inflitraciones
0.00
Gráfico 3.1.19 Variación de la resistencia térmica de fibra de vidrio.
Para el caso del polietileno es el mismo valor de resistencia térmica para todas las fachadas y
cubierta de 7.42 m2K/W. Queda claro que los ahorros que se deseen obtener dependerán en una
gran proporción del tipo de material que se piense utilizar.
Resistencia del polietileno
7.5
m2K/W
7.45
7.4
7.35
7.3
Gráfico 3.1.20 Variación de la resistencia térmica de polietileno
A manera de resumen se presenta a continuación los ahorros de cada caso analizado con
anterioridad:
41
Gráfico 3.1.21 Resumen de ahorros por caso de estudio.
3.2 EVALUACIÓN ECONÓMICA: USO DE AISLANTE VRS CAMBIO DE EQUIPO DE A/C
Uno de nuestros objetivos es investigar qué decisión es la más rentable en un edificio para reducir
los costes de energía eléctrica. Para nuestro estudio se tienen dos opciones: la compra de un
equipo de alta eficiencia y la instalación de aislamiento térmico. Partimos de la suposición que en la
edificación se cuenta con un equipo de baja eficiencia (COP 1.75). El consumo que se tendría con
este equipo y las dos propuestas se muestra a continuación:
Kwh
Consumo anual Kwh
300,000.0
250,000.0
200,000.0
150,000.0
100,000.0
50,000.0
0.0
Equipo
Equipo Eficiente Aislante FV Todo
ineficiente cop
cop 3.3
1.75
Gráfico 3.1.22 Consumo anual Kwh.
Del gráfico anterior se logra apreciar que hay un alto consumo de energía cuando se cuenta con un
equipo de baja eficiencia, además se estima una disminución de los costos al utilizar aislamiento, o
42
cambiar el equipo antiguo por uno de mayor eficiencia. Esto también se traduce a costos que se
tendrían en el presente, y que además se desean suavizar eligiendo una posible solución. A
continuación presentamos cuales serían los costos de energía eléctrica para cada situación a partir
del presente hasta los 15 años.
Costos
Costo de consumo anual
$300,000.0
$200,000.0
$100,000.0
$0.0
Equipo
Equipo Eficiente Aislante FV Todo
ineficiente cop
cop 3.3
1.75
Gráfico 3.1.23 Costo de consumo anual
Costos
Costo consumo a 15 años
$2,500,000.0
$2,000,000.0
$1,500,000.0
$1,000,000.0
$500,000.0
$0.0
Equipo
Equipo Eficiente Aislante FV Todo
ineficiente cop
cop 3.3
1.75
Gráfico 3.1.24 Costo de consumo a 15 años
Debemos mencionar que el costo de la energía eléctrica con sus respectivos cargos de
comercialización y demanda se asumio de 0.19 $/Kwh y en base a este precio de energía es que
se ha estimado el costo del consumo anual desde el presentehasta los 15 años, suponiendo que
existe un incremento anual del 11% de la energía eléctrica. De acuerdo con lo visto, al utilizar un
nuevo equipo de A/C o instalar aislante, los consumos tienden a disminuir un porcentaje
considerable, lo que se traduce a futuras disminuciones en la factura de energía eléctrica. Se
presenta a continuación los ahorros que se tendrian en el presente:
43
Ahorros presente
$25,000.0
Ahorros
$20,000.0
$15,000.0
$10,000.0
$5,000.0
$0.0
ahorro con uso de FV
ahorro con uso de A/C
efic.
Gráfico 3.1.25 Ahorros obtenidos en valor presente anual
Ahorros a 15 años
$1,000,000.00
Ahorros
$800,000.00
$600,000.00
$400,000.00
$200,000.00
$ahorro con uso de FV ahorro con uso de A/C
efic.
Gráfico 3.1.26 Ahorros obtenidos a los 15 años
El porcentaje de dinero ahorrado anualmente por utilizar aislamiento es de un 16% y obteniendo
una disminución de 46.7% al sustituir el equipo de A/C por uno de alta eficiencia. Hablando en
términos de cantidades, con uso de un equipo de alta eficiencia se tiene un ahorro alrededor de
$23,000.00 mientras que aislando todas las fachadas e incluyendo la cubierta los ahorros
obtenidos se traducen a $7,672.92, considerando que ambos ahorros son anuales. Un punto de
interés es saber cuál es la inversión inicial de cada propuesta. Se presentan a continuación los
costos iniciales de cada una de ellas:
44
Precio por activo
$160,000.0
$140,000.0
$120,000.0
$100,000.0
$80,000.0
$60,000.0
$40,000.0
$20,000.0
$0.0
Precio
Costo de aislar
todo el edificio
Costo de
equipo A/C
eficiente en
efectivo
Costo equipo
de A/C por
préstamo
Gráfico 3.1.27 Precio de cada activo
Para el caso del costo de aislar todo el edificio se asume que el material a usar es fibra de vidrio
con su respectivo valor óptimo de espesor, y que el precio que se muestra en el gráfico contempla
aspectos económicos tales como instalación y costo total por cada fachada y cubierta de
aislamiento, así como también el costo total del material de unión a la superficie de la envolvente
(asfalto).
Retomando el costo del equipo de alta eficiencia se comienza el análisis partiendo de dos
supuesto, del cual se elige el más apegado a la realidad nuestra. La primera suposición es que el
cliente está en la capacidad de pagar directamente el precio del equipo que según el gráfico
asciende a los $71,356.8, y la otra suposición es que se realiza un préstamo bancario, asumiendo
que el cliente cuenta con un capital de trabajo de $20,000.00 y el resto lo proporciona el banco
($51,356.8) con una tasa de interés del 13% anual, además al análisis se anexa un porcentaje de
depreciación anual del equipo del 10% respecto al precio del mismo, y también un costo fijo por el
mantenimiento del equipo de $713.00 y un pago mensual del préstamo para 15 años de $662.25 al
banco. Lo que resulta un costo total del equipo por medio de un préstamo bancario de $139,206.0
al cabo de los 15 años.
Este análisis nos ayuda a estimar cuál es retorno simple de cada propuesta y en base a esta
respuesta tomar la mejor elección para reducir los costes de energía eléctrica, tomando en
consideración que el cliente realiza un préstamo bancario para la posesión de un equipo de alta
eficiencia se estima:
45
Retorno simple
Años
8
6
4
2
0
Todo aislado
Equipo Eficiente
Gráfico 3.1.28 Retorno simple a la inversión
Del gráfico anterior se aprecia el tiempo de retorno a la inversión, donde se estiman 4 años al aislar
la envolvente y un periodo de 6 años si se desea la compra de un equipo de alta eficiencia.
46
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
4.1 ANÁLISIS DE LOS ESPESORES ÓPTIMOS POR PARED.
A continuación se analizaran de manera separada los resultados de espesores de cada pared y
cubierta de los diferentes casos de estudio.
4.1.1PARED SUR.
Casos de estudio.
Espesores óptimos pared sur.
Variando termostato
Caso simétrico
Variando infiltración
Caso sin paredes internas
Caso polietileno
Variando uso de A/C
Variando cargas
Caso ineficiente
Línea base
0
20
40
60
80
100
Espesores óptimos.
Gráfico 4.1.1 Variación espesor de la pared sur .
Como se puede ver en el gráfico anterior, la pared sur presenta espesores entre 45 mm y 95 mm,
siendo esta la pared que generalmente presenta un mayor espesor, esto se debe a que dicha
pared recibe, según datos obtenidos del software meteonorm, 80
de energía solar, la cual es
mayor que en cualquier otra pared.Además esta pared recibe radiación y energía solar tanto en la
mañana como al mediodía.
47
4.1.2PARED ESTE.
Espesores óptimos pared este.
Variando termostato
Casos de estudio.
Caso simétrico
Variando infiltración
Caso sin paredes internas
Caso polietileno
Variando uso de A/C
Variando cargas
Caso ineficiente
Línea base
0
20
40
60
80
100
Espesores óptimos.
Gráfico 4.1.2 Variación espesor de la pared este.
La pared este presenta una variación entre 40 mm y 80 mm, los cuales tienden a ser menores que
la pared sur, esto se debe a que la pared esto se debe a que esta fachada recibe 84
solar y 70
de radiación
de energía solar, lo cual es menor que la pared sur, además estos no son los únicos
factores que determinan el espesor óptimo, se debe tomar en cuenta que en la mañana el equipo
de aire acondicionado está apagado y el interior se encuentra a una temperatura mayor a la cual el
equipo de aire acondicionado trabaja, por lo tanto este debe remover todo el calor remanente de la
noche y parte de la mañana, además este debe vencer la inercia térmica y enfriar todo el edificio y
sus partes constructivas , mientras el sol se encuentra apuntando hacia la fachada este del edificio,
por lo que esta pared también necesita de un alto espesor.
48
4.1.3 PARED OESTE.
Casos de estudio.
Espesores óptimos pared oeste.
Variando termostato
Caso simétrico
Variando infiltración
Caso sin paredes internas
Caso polietileno
Variando uso de A/C
Variando cargas
Caso ineficiente
Línea base
0
20
40
60
80
100
Espesores óptimos.
Gráfico 4.1.3 Variación espesor de la pared oeste.
Los espesores para esta fachada varían entre 25 mm y 80 mm, ya que se sobre esta fachada se
tienen 82
y 69
de radiación y energía solar, respectivamente.Los gráficos siguientes se
realizaron con el objetivo de encontrar la diferencia entre el consumo eléctrico en la mañana y en
la tarde:
% Consumo A/C
Mañana - Tarde
Consumo
A/C
Tarde
45%
Consumo
A/C
Mañana,
55%
Gráfico 4.1.4. Porcentaje de Consumo durante un día
49
Consumo Kwh A/C
Mañana - Tarde
Tarde
41.84
KWH
Mañana
52.33
KWH
Gráfico 4.1.5. Consumo durante un día.
4.1.4 PARED NORTE.
Casos de estudio.
Espesores óptimos pared norte.
Variando termostato
Caso simétrico
Variando infiltración
Caso sin paredes internas
Caso polietileno
Variando uso de A/C
Variando cargas
Caso ineficiente
Línea base
0
10
20
30
40
50
60
70
Espesores óptimos.
Gráfico 4.1.6 Variación espesor de la pared norte.
La pared que presenta un menor espesor óptimo es la norte (entre 15 mm y 60 mm), debido a que
recibe poca radiación solar, solamente durante dos meses, por ende la cantidad de aislamiento
depende más de la diferencias de temperaturas entre el exterior y el interior que de la radiación.
50
4.1.5 TECHO.
Espesores óptimos techo.
Variando termostato
Casos de estudio.
Caso simétrico
Variando infiltración
Caso sin paredes internas
Caso polietileno
Variando uso de A/C
Variando cargas
Caso ineficiente
Línea base
0
20
40
60
80
100
Espesores óptimos.
Gráfico 4.1.7 Variación espesor del techo.
Los espesores óptimos para el techo varían entre 40 mm y 85 mm, debido a que cuando la máxima
radiación solar empieza a actuar sobre el techo, el edificio se encuentra ya enfriado. Sin embargo
los ahorros obtenidos con la cubierta son bastante considerables respecto a las demás paredes.
Estos grandes ahorros se deben a que el techo recibe una alta radiación y energía solar. El hecho
que el techo tenga una mayor área de contacto ayuda a reducir la cantidad material aislante, ya
que el espesor óptimo es sacado a partir de aspectos económicos, y al tener una gran capa de
aislante 5 mm adicionales generarán menores ahorros, sin embargo los costos aumentan de al
mismo ritmo.
4.2 ANÁLISIS DE LOS AHORROS ÓPTIMOS.
Las fachadas que generan más ahorros son la pared sur y la cubierta, ya que son las que reciben
una mayor cantidad de radiación y energía solar, generalmente la pared sur genera un poco más
de ahorros, sin embargo la facilidad de instalación en el techo puede hacer más atractiva la idea de
aislar solamente el techo, luego sigue la pared este ya que como se comentó anteriormente,
51
factores como la inercia térmica y el esfuerzo que hace el equipo para disminuir la temperatura
dentro del edificio a la deseada, hacen que se tenga un mayor consumo eléctrico en la mañana
que en la tarde, mientras que la pared norte y la oeste generan ahorros similares y menores a las
demás paredes, como se comprobará más adelante esto se debe a la distribución del edificio. Ya
que en los casos sin paredes internas y simétrico, la pared oeste genera más ahorros.
4.3 ANÁLISIS DE LOS CASOS DE ESTUDIO RESPECTO AL CASO BASE.
Variación de cargas de oficina.
Al aumentar las cargas internas en un 50%, los valores de espesores tienden a disminuir, debido a
que el aislamiento no solo representa una barrera para el calor exterior sino también para las
cargas internas, por lo que el equipo de aire acondicionado tiene que remover esa pequeña
cantidad extra de calor, además se debe tomar en cuenta la ubicación donde se encuentran
aquellos equipos que consumen más energía, así como las zonas con mayor concentración de
personas, las cuales se localizan del lado de la pared sur, razón por la cual esta pared presenta un
mayor espesor. La tendencia en los ahorros se mantiene respecto a la línea base, sin embargo los
ahorros disminuyen levemente debido al menor espesor necesario.
Variación de uso de aire acondicionado.
Debido a que el aire acondicionado trabaja todo el día, y en el exterior se tiene la mayor parte del
tiempo una temperatura mayor que la del aire acondicionado se necesita de un mayor espesor
dado que se obtienen más ahorros por milímetro de capa de aislante, de hecho estos se duplican e
incluso se acercan al triple en algunas paredes al compararse con la línea base, resulta lógico
tomando en cuenta que el tiempo de uso pasó de 10 a 24 horas. Se simuló este caso con la
intención de conocer los efectos del aislante durante la noche, ya que como sabemos la
temperatura disminuye respecto al resto del día, lo cual nos hace pensar que el edificio podría no
transmitir al exterior el calor ganado durante el día debido al retardo que genera el aislante en la
transferencia de calor por conducción, como se puede visualizar, este fenómeno no se da, o al
menos no influye considerablemente.
Variación del termostato del equipo de aire acondicionado.
Para el caso donde el termostato es ajustado a 20°C se obtienen mayores ahorros y espesor que
el caso base, esto se debe a que la diferencia de temperaturas entre el edificio y el exterior es
mayor, así como también el equipo de A/C debe trabajar más para llegar a una temperatura de 2°C
más abajo respecto a la que se encuentra programado el termostato en la línea base , por lo cual la
52
razón de la transferencia de calor será mayor, y por lo tanto el efecto de colocar aislante en las
paredes genera mayores ahorros.
Debido a que en el caso de 20°C se tienen variaciones considerables respecto al caso base, se
analizará el efecto de la temperatura en el interior con mayor profundidad, como se puede ver en el
gráfico 3.1.9, los espesores disminuyen drásticamente entre los 20°C y 26°C, la pared sur
disminuye su espesor óptimo en un 50%, la pared este y oeste en un 33% y 50% respectivamente,
mientras que el techo disminuye 50% y la pared norte 70%. Un hecho a resaltar es que para la
pared norte no se presenta un espesor óptimo cuando se tiene una temperatura de 26°C dentro del
recinto, esto se debe a que la pared norte, como se explicó anteriormente, depende más de la
diferencia de temperaturas que de la cantidad de energía solar que recibe, por eso al tener una
diferencia pequeña de temperaturas no se tiene un ahorro que compense el gasto en aislar el
edificio. Otro hecho interesante de estas pruebas es que las paredes este, sur y el techo presentan
el mismo espesor óptimo para una temperatura de 26°C, debido a la pequeña diferencia de
temperaturas, sin embargo los ahorros si se mantienen acorde a lo visto en los demás casos.
Variación de la eficiencia del equipo de aire acondicionado.
Como la lógica indica, al disminuir la eficiencia del equipo, se aumentan los ahorros y aumenta el
espesor necesario del aislante. El dato más interesante en este caso es que el techo presenta un
mayor espesor que las paredes este y oeste, esto se debe a que en todos los casos el techo
presenta mayores ahorros que estas paredes, por ende al aumentar estos, se necesita de un
mayor espesor en la cubierta para que esta llegue a converger.
Modelo sin paredes internas.
Se simuló este caso con el objetivo de poder determinar si la distribución espacial afecta el espesor
y ahorros óptimos. La pared norte menores ahorros que la pared oeste, contrario a lo que se ha
visto en los demás casos, lo cual nos indica que en los análisis anteriores la distribución afectó los
resultados, ya que si observamos
la distribución del edificio, adyacente a la pared norte se
encuentran los baños, oficinas, entradas a recepción, sala de reuniones y comunicaciones,
mientras que en el caso sin paredes internas las cargas están distribuidas equitativamente y estas
son un poco mayores a la línea base. Los ahorros se mantienen con una tendencia similar a la
vista en los casos anteriores. Esto nos deja claro que la distribución espacial o la forma de
organizar el lugar de trabajo genera diferentes resultados en ahorros y espesor.
Uso de otros aislantes.
Para este caso los espesores son de 10 mm para todas las paredes utilizando polietileno, quizás
esto sea lo más interesante de este caso, esto se debe a que este aislante presenta una
53
2
resistencia térmica mucho mayor que la fibra de vidrio (7.42 m k/W), además genera grandes
ahorros en la primera capa de aislante mientras que en la segunda y tercera capa los ahorros
disminuyen drásticamente. Otro factor de importancia es que el análisis LCC está realizado para 20
años ya que es la vida media del material, si este fuera para 15 años como en el caso de la fibra de
vidrio, las paredes oeste y norte presentarían 5 mm de espesor, sin embargo los ahorros muestran
siempre la misma tendencia que en los casos anteriores. Cabe mencionar que utilizar este material
genera la mayor cantidad de ahorros que en todos los casos estudiados (17%).
Variando infiltraciones.
En este caso se asumió un 100% de infiltraciones (5 ac/h). y prácticamente se deja un paso libre
de aire. Se tiene una leve disminución en los espesores óptimos para este caso (para todas las
paredes es cercano a 50mm) respecto a la línea base, esto se debe a que al tener una mayor tasa
de infiltraciones aumenta el calor a remover dentro del edificio, y debido a que el aislante
representa una barrera para la transferencia de calor, este calor ganado por las infiltraciones tiene
que ser completamente removido por el equipo de aire acondicionado ya que no se disipa
mediante las paredes, esto genera mayores costos y se resta al efecto positivo de colocar aislante
térmico. Tal afirmación se puede reforzar al observar el resumen de resultados, siendo este el que
menos ahorros deja, por lo que las entradas de aire no crean efectos de importancia al utilizar
aislamiento.
Análisis económico.
Al ver los resultados del análisis económico, se logra apreciar que la mejor fuente de ahorros es el
uso de un equipo más eficiente, sin embargo el costo inicial es considerablemente grande,
respecto al uso de aislamiento térmico. Cabe mencionar que ambas decisiones crean ahorros y
ninguno está exento de utilizarse, por otro lado, al tomar la decisión de aislar el costo inicial es
ligeramente menor que la compra de un nuevo equipo lo que sumaría ahorros aceptables de un
16% respecto al monto inicial, por lo que si se desea ahorrar energía eléctrica a un costo bajo, la
aislación térmica es la mejor decisión, teniendo un retorno simple de 4 años.
54
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
5.1 CONCLUSIONES
-El uso de aislantes térmicos puede reducir considerablemente los costos por facturación eléctrica,
por lo cual es de suma importancia considerar la correcta instalación de aislamiento en edificios o
incluso viviendas, tomando en cuenta que cada pared requiere un espesor óptimo distinto. De la
misma manera, cada una de estas generará ahorros distintos, de tal forma que el usuario pueda
elegir qué paredes desea aislar, ya sea para obtener un tiempo de retorno menor o para maximizar
los ahorros.
-El espesor óptimo no depende solamente de factores climáticos, físicos y económicos, sino
también de muchos factores arquitectónicos como la distribución espacial del edificio, eficiencia del
equipo de aire acondicionado, temperatura del termostato, entre otros. Por ende, dar un espesor
óptimo específico que involucre todas las variaciones antes mencionadas resulta
una tarea
imposible y además depende en cierta forma de las propiedades térmicas del material aislante, sin
embargo si se puede hablar de un espesor mínimo con una resistencia mínima, para el cual en
cualquier circunstancia posible se obtendrán ahorros. De acuerdo a nuestro estudio, un espesor
de 10 mm para la cubierta y la pared sur, y 5 mm para las demás fachadas (norte, este y oeste)
debería proporcionar un aspecto más eficiente a la edificación así como proporcionar ahorros
cercanos a los que se han mostrado en todo el análisis, considerando que todos los demás
criterios se encuentran bajo condiciones de alta eficiencia.
-Si bien se compara el ahorro y tiempo de retorno obtenido al aislar térmicamente un edificio con
cambiar el equipo de aire acondicionado por uno de mayor eficiencia, estas medidas no son
excluyentes, de hecho son complementarias, por lo tanto se concluye que utilizar un equipo
eficiente y aislar térmicamente el edificio se logra optimizar el consumo de energía eléctrica y
obtener ahorros, sin embargo, dependiendo de los intereses y del capital del usuario o empresa se
puede optar por cualquiera de las dos medidas, ya que ambas presentan resultados positivos.
55
-Se ha llegado a la conclusión que la geometría con la que cuenta un edificio, juega un papel
importante al momento de analizar un espesor óptimo de aislamiento. Esto puede verse con mucha
claridad al observar los valores de espesores obtenidos en la línea base y los obtenidos al analizar
un edificio cuadrado, ( ver anexo B), con lo que podemos ver una disminución de valores de
espesores en el edificio cuadrado con respecto a la línea base, y prácticamente es lógico este
comportamiento, ya que las áreas que serán aisladas cambian radicalmente puesto que al cubrir
un edificio cuadrado se requiere menos material aislante, por ende el costo por la materia prima es
menor, y sin olvidar que el análisis para obtener un valor óptimo es económico, por lo que se tienen
al final del experimento menores valores de espesor.
-A través de todo este estudio, apreciamos que cada caso de análisis proporciona un porcentaje de
ahorros que suavizan el costo en la factura de la energía eléctrica. Sin embargo se ha concluido
que de todos los resultados obtenidos, el uso del polietileno es el que más ventajas económicas
produce, sin dejar de lado que la vida útil de este material es ligeramente más grande que la fibra
de vidrio (20 años). Además es de especial interés mencionar que la conductividad térmica del
polietileno es menor que la fibra de vidrio (0.04 W/m2K para fibra de vidrio y 0.03 W/m2K para el
polietileno), y esto al final permite un menor uso de material aislante, logrando obtener una
resistencia térmica mucho más alta que la fibra de vidrio y un menor espesor de aislante, sin
olvidar que dicho material es de mayor costo que la fibra de vidrio, aunque mucho más efectivo.
5.2 RECOMENDACIONES.
-Se trató que el modelo simulado fuera lo más simplificado posible, de tal manera que los
resultados sean representativos, por ende no se tomaron en cuenta factores arquitectónicos que
pudieran afectar los resultados como otro tipo de techo, edificio en forma de “L”, distintas ventanas,
ventilación natural optimizada, entre otros. Se recomienda analizar con mayor profundidad el efecto
que estas variaciones puedan tener sobre el aislamiento térmico.
-Todos los casos fueron pensados para un edificio de oficinas, dejando de lado viviendas
bioclimáticas o de clase media y alta, resultaría de gran interés realizar una investigación para
estos casos, o para un edificio con un uso y distribución distintos al de oficina.
56
GLOSARIO
BARRERA DE VAPOR: Membrana delgada empleada para reducir la cantidad de vapor o
humedad de un espacio a otro donde pueda condensarse en agua.
CARGA TÉRMICA: Cantidad de energía que se necesita en un área para conservar determinadas
condiciones de temperatura y humedad para una aplicación específica.
CONFORT: Son aquellas condiciones que producen bienestar y comodidades.
DIFUSIÓN DE VAPOR: Movimiento del vapor de agua como resultado de la diferencia de presión
de vapor a través de un medio poroso.
DILATACIÓN TÉRMICA: Aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre
un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.
EFICIENCIA: Capacidad de disponer de alguien o de algo para conseguir un efecto determinado.
EMISIVIDAD: Capacidad de un material para emitir energía radiante.
HORMIGÓN: Mezcla compuesta de piedras menudas y mortero de cemento y arena.
INERTE: Característica de una sustancia o material de ser inactivo, ineficaz, incapaz de reacción
INFILTRACIONES: Flujo de aire que penetra en una habitación a través de rendijas u otras
aberturas en la carpintería o huecos bajo la puerta, etc.
INFLACIÓN: Crecimiento continuo y generalizado de los precios de los bienes y servicios y
factores productivos de una economía a lo largo del tiempo.
ORGANIZACIÓN ESPACIAL: Forma de colocar los elementos constructivos y distribuirlos de la
manera más óptima en el plano de trabajo
PERMEABILIDAD: Es la capacidad de poder ser penetrado o traspasado por el agua u otro fluido.
POLIETILENO: Polímero preparado a partir de etileno. Se emplea en la fabricación de envases,
tuberías, recubrimientos de cables, objetos moldeados, etc.
RADIACIÓN SOLAR: Es el flujo de energía que recibimos del sol en forma de ondas
electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarrojo y ultravioleta).
TASA DE INTERÉS: Porcentaje al que está invertido un capital en una unidad de tiempo,
determinando lo que se refiere como "el precio del dinero en el mercado financiero
57
TERMOSTATO: Aparato que sirve para mantener automáticamente una determinada temperatura.
.
.
58
REFERENCIAS
ILC. Ing. Fernando Guzmán. Ingeniero de suministros. Tel. 2231 5174.
UCA. Dr. Aarón Martínez. Catedrático de Termodinámica.
UCA. Ing. Javier Vadillo. Catedrático de Refrigeración y aire acondicionado.
UNAM. Dr. David Morillón Gálvez. Director del centro de investigación de la UNAM. Tel. +52 (55)
5623 3600 Ext. 8842.
59
60
BIBLIOGRAFÍA
ASHRAE, Application HandBook [2004]
Dr. Mohammad s. Al-Homoud. Performance characteristics and practical applications of common
building thermal insulation materials.Saudi Arabia.[May 2004]. Pág. 1-14.
Gabriel Rodríguez J.Daniela Burgos.,RolfSielfeld C. y Cristián Yáñez O. Manual técnico de
aislación térmica exterior. Primera edición. [Octubre 2008]. Santiago de chile.
J.P.HOLMAN. Transferencia de calor. Octava edición en español. [1998]. USA.
Kemal Comakli,BedriYuksel. Optimum insulation thickness of external walls for energy saving.
Turkey. [October 2002]. Pág.7.
Sitios Web
http://www.rae.es/rae.html
http://www.solarpedia.es/index.php/Radiaci%C3%B3n_solar
Meteonorm
http://www.parro.com.ar/definicion-de-difusi%F3n+del+vapor
http://es.wikipedia.org/wiki/Dilataci%C3%B3n_t%C3%A9rmica
61
ANEXO A
DISTRIBUCIÓN DE POTENCIA ELÉCTRICA Y TÉRMICA
Primer nivel
Area de trabajo 1
Baño 1
Oficina 1/Oficina 2
Fuente de potencia
Computadoras
Equipo Oficina
Miscelaneos
Personas
Personas
Miscelaneos
Computadoras
Equipo Oficina
Miscelaneos
Personas
Segundo nivel
Area de trabajo 1
Baño 1
Oficinas
Cantidad de equipos Watts/ equipo Watts totales
30
97
2910
Impresoras
10
74
Fotocopiadoras
3
550
2390
Margen de seguridad
2400
75
4
Margen de seguridad
45
4
97
388
Impresoras
1
74
Fax
1
90
Scanner
1
16
180
100
6
Fuente de potencia
Computadoras
Equipo Oficina
Miscelaneos
Personas
Personas
Miscelaneos
Computadoras
Equipo Oficina
Miscelaneos
Personas
Impresoras
Fotocopiadoras
Margen de seguridad
Margen de seguridad
Impresoras
Fax
Scanner
Margen de seguridad
A-1
Cantidad de equipos Watts/Equipo Watts Total
23
97
2231
10
74
2
550
1840
1800
65
40
45
4
97
388
1
74
1
90
1
16
180
100
8
Tercer nivel
Area de trabajo 1
Baño 1
Oficina 7
Fuente de potencia
Computadoras
Equipo Oficina
Miscelaneos
Personas
Personas
Miscelaneos
Computadoras
Equipo Oficina
Miscelaneos
Personas
Computadoras
Oficina 8
Equipo Oficina
Miscelaneos
Personas
Computadoras
Oficina 9
Equipo Oficina
Miscelaneos
Personas
Cocina
Miscelaneos
Cocineta y fotocopiadora
Equipo Oficina
Cantidad de equipos
Impresoras
Fotocopiadoras
17
5
2
Margen de seguridad
Watts/Equipo Watts Totales
97
1649
74
550
1470
1500
50
40
Margen de seguridad
4
1
1
1
Impresoras
Fax
Scanner
97
74
90
16
180
130
Margen de seguridad
7
4
1
1
1
Impresoras
Fax
Scanner
97
74
90
16
388
180
100
Margen de seguridad
7
3
1
1
1
Impresoras
Fax
Scanner
50
388
97
74
90
16
291
180
130
Margen de seguridad
7
Margen de seguridad
Multifuncional
Impresoras
Fax
480
100
1
1
1
30
137
90
257
Personas
Computadora
Equipo Oficina
Sala de comunicaciones
Miscelaneos
Personas
Computadoras
Miscelaneos
Sala de reuniones
Equipo Oficina
Personas
Impresoras
Margen de seguridad
Laptops
Margen de seguridad
Cañon
5
7
1
97
74
679
74
100
3
8
31
248
250
250
20
A-2
areas de analisis
area de trabajo 1
baño 1
entrada recepcion
Oficina 1
Oficina 2
carga comp (w). carga personas (pers) Luces (w/m2)
Miscelaneos (w) eq. Oficina (w) cocina
5.749
0.148
14.000
4.742
4.722
0.000
0.092
10.000
1.039
0.000
0.000
0.064
12.000
3.214
4.082
6.768
0.105
12.000
1.744
3.140
6.768
0.105
12.000
1.744
3.140
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
areas de analisis
carga comp (w). carga personas (pers) Luces (w)
area de trabajo 2
5.699
0.166
baño 2
0.000
0.924
entrada recepcion 2
0.000
0.129
Oficina 3
6.768
0.140
Oficina 4
6.768
0.140
Oficina 5
6.768
0.140
Oficina 6
6.768
0.140
14.000
10.000
12.000
12.000
12.000
12.000
13.000
Miscelaneos (w) eq. Oficina (w) cocina
4.598
4.700
1.039
0.000
3.214
4.082
1.744
3.140
1.744
3.140
1.744
3.140
1.744
3.140
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
areas de analisis
carga comp (w). carga personas (pers) Luces (w)
area de trabajo 3
5.816
0.176
baño 3
0.000
0.924
Cocineta y fotocopia
0.000
0.100
Oficina 6
4.898
0.088
Oficina 7
6.768
0.122
Oficina 8
3.673
0.088
Sala de comunica.
19.219
0.085
Sala de reuniones
2.517
0.203
14.000
10.000
13.000
12.000
12.000
1.616
13.000
14.000
Miscelaneos (w) eq. Oficina (w) cocina
5.290
5.184
1.155
0.000
2.001
5.142
1.641
2.272
1.744
3.140
2.272
0.000
2.831
2.095
2.538
2.538
0.000
0.000
9.603
0.000
0.000
1.000
0.000
0.000
A-3
ANEXO B
CASO SIMÉTRICO.
Para determinar si el hecho que el edificio sea rectangular afecta el espesor y ahorros por fachada,
se decidió realizar un estudio de un edificio cúbico, sin paredes internas para asegurarse que
todas las fachadas tengan iguales condiciones.
A continuación se presentan los resultados obtenidos:
Edificio simétrico
$130,000.0
$129,000.0
$128,000.0
Costos
$127,000.0
Espesor Óptimo Oeste
$126,000.0
Espesor Óptimo Sur
$125,000.0
Espesor Óptimo Este
$124,000.0
Espesor óptimo Norte
$123,000.0
Espesor Óptimo Techo
$122,000.0
$121,000.0
0
10
20
30
40
50
Espesor en mm
B-1
60
Ahorros edificio simétrico
$8,000.0
$7,000.0
Ahorros
$6,000.0
$5,000.0
$4,000.0
$3,000.0
$2,000.0
$1,000.0
$0.0
Norte
Sur
Este
Oeste
Techo
Como se puede ver los resultados varían un poco respecto a los casos anteriores (esta vez el
techo presenta un mayor espesor y ahorros), seguido de las pared sur, este, oeste y norte, en ese
orden, por lo cual se puede concluir que la geometría del edificio afecta los resultados obtenidos.
B-2