i INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN CIENCIAS DE ADMINISTRACIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN CON ESPECIALIDAD EN ADMINISTRACIÓN DE PROYECTOS MARC LAURENT COLON MONTERREY, N. L., MÉXICO DICIEMBRE 2007
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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL
AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE
MAESTRO EN CIENCIAS DE ADMINISTRACIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN CON ESPECIALIDAD EN ADMINISTRACIÓN DE PROYECTOS
MARC LAURENT COLON
MONTERREY, N. L., MÉXICO DICIEMBRE 2007
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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
Los miembros del comité de tesis recomendamos que el presente proyecto de tesis
presentado por Marc LAURENT COLON sea aceptado como requisito parcial para
obtener el grado académico de:
Maestro en Ciencias de Administración de la Construcción con
M.C. Francisco Carlos Matienzo Cruz Dr. Enrique Aranda H.
Co-Asesor Sinodal Aprobado
___________________________
Dr. Francisco Ángel Bello Acosta
Director del Programa de Graduados en Ingeniería
MONTERREY, N. L., MÉXICO DICIEMBRE 2007
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Dédicaces et remerciements Dedicatoria y agradecimiento
A Suzanne et Jean Luc
Mes parents, pour m’avoir appuyé dans tout ce que j’ai entrepris, et particulièrement pour cette
expérience unique au Mexique. Merci.
A mes frères et sœurs,
Et tout particulièrement Lucie pour tous ses conseils de réussite.
A tous mes amis en France.
A Sébastien
Collègue ESTPien, avec qui j’ai partagé ces 3 semestres.
A mis amigos aquí en Monterrey.
Je voudrai remercier l’ESTP, ses professeurs et toute la direction, pour m’avoir permis
d’effectuer cette année et demi ici à Monterrey, et tout particulièrement Marie-Jo GOEDERT
directrice des relations internationales et Catherine LEBON pour son aide précieuse.
Quiero agradecer muy especialmente a todos los profesores que me brindaran su conocimiento
para poder realizar con éxito esta maestría.
Más especialmente:
Al ing. Carlos Matienzo para la realización de este proyecto.
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Índice
Introducción 1 A. Introducción 1
B. Pasos de la construcción de alta calidad ambiental 4
C. Metodología del trabajo 7
Capítulo I Diseño pasivo del edificio 11 A. Introducción 11
B. Reglas generales relativas al diseño de un edificio 12
C. Diseño integrado 13
D. Diseño verde 14
E. Conclusión y planteamiento de solución al caso del edificio estudiado en el área metropolitana de
Monterrey 17
Capítulo II La fachada del edificio: la frontera climática con el exterior 19 A. Definición del espacio acondicionado 19
B. Transmisión de calor: Fundamentos físicos 22
1) Transmisión por convección 22
2) Transmisión por conducción 22
3) Simulación de la transmisión de calor por convección y conducción 23
4) Efecto de masa térmica 25
5) Pérdidas por puentes térmicos 28
C. Nivel de aislamiento global de un edifico según norma NBN B 62 301 29
D. Impacto de las radiaciones solares en la frontera climática 32
1) Latitud y longitud 32
2) Posición del sol y declinación 33
3) Parámetros de tiempo 33
4) Diagramas solares 35
Capítulo III La fachada del edificio: la frontera visual con el exterior 39 A. Introducción 39
B. Daylight factor 40
a. Definición del “daylight factor” según IESSNA (Illuminating Engineering Society of North
America) 40
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b. Daylight factor average 41
c. “Daylight factor” método de los flujos. 42
d. Necesidades en daylight factor 43
e. Método del 2,5 A 44
C. Iluminación artificial 44
a. Introducción y origen de la luz artificial 44
b. Factores indicando la eficiencia de los sistemas de iluminación 46
c. El método de Lumen 46
Capítulo IV Aplicación al ejemplo de la ciudad de Monterrey 49 A. Datos del proyecto 49
B. Forma geométrica del edificio 50
1) Generalidades 50
2) Estudio del aislamiento térmico del edificio. 53
3) Iluminación del edificio 58
4) Estudio de las protecciones solares 61
5) Elección de las ventanas. 76
6) Promedio “Daylight factor” 80
Capítulo V Enfriamiento del edificio, diferentes estrategias de ventilación 83 A. Introducción 83
B. Ventilación cruzada 84
C. Ventilación por chimenea 85
D. Tubos enterrados de enfriamiento 86
E. Equipos eficientes de enfriamiento 87
Capítulo VI Agua y desechos del edificio 89 A. Introducción 89
B. Tratamiento de las aguas usadas, conceptos generales 89
1) Principios generales 90
2) Colecta de agua residual 90
3) Tratamiento mecánico de las aguas residuales 90
4) Tratamiento biológico y físico químico 91
a. Caracterización de las aguas residuales 91
b. Normatividad de las aguas residuales 93
c. Tratamiento biológico 93
vi
C. Aplicación al caso del edificio habitacional 93
1) Reutilización del agua en el sitio 93
2) Tratamiento local del agua 95
3) Dimensiones de las instalaciones 96
Capítulo VII Producción de energía 99 A. Introducción 99
B. Disminución de la demanda general 100
C. Energía solar fotovoltaica 101
1) Introducción 101
D. Energía solar térmica 103
Capítulo VIII Resultados generales del edificio habitacional 105 A. Comparativo de nivel de aislamiento 106
B. Comparativo del consumo global de agua 108
C. Verificación del promedio de “daylight factor” 110
Capítulo IX Conclusiones y recomendaciones 111 A. Conclusión 111
B. Recomendaciones y planteamiento de estrategias 112
ANEXOS
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Índice de figuras Fig 0.1 Combinación de conceptos para llevar a cabo un diseño ecológico 8
Fig I.1 Reglas generales relativas al diseño de un edificio 12
Fig I.2 Diseño integrado, estrategias pasivas y activas 16
Fig. II.1: Representación de las partes de un edificio cualquier en las cuales pueden ocurrir pérdidas de
calor 21
Fig II.2 Tabla con valores de conductividad térmica de algunos materiales 23
Fig II.3 Modelación de una pared en estado permanente 25
Fig II.4 Modelación de la oscilación de la temperatura de un edificio 25
Fig II.5 Modelación del gradiente térmico 26
Fig II.6 Dos tipos de pérdidas por puentes térmicos 29
Fig II.7 Encabezado de hoja de cálculo del nivel de aislamiento global 30
Fig II.8 Cuerpo principal de la hoja de cálculo del aislamiento global 30
Fig II.9 Cálculo de las pérdidas por puentes térmicos en el aislamiento global 31
Fig II.10 Resumen de la hoja de cálculo del aislamiento global 31
Fig II.11 Conclusión de la hoja de cálculo del aislamiento global 32
Fig II.12 Esquema del planeta con conceptos de latitud y longitud 32
Fig II.13 Latitud y longitud de la ciudad de Monterrey, Nuevo León, México. 32
Fig II.14 Método de cálculo del número del día en el año 33
Fig II.15 Diagrama de flujo para calcular las posiciones del sol 36
Fig II.16 Coordenadas del sol en Monterrey para las fechas de 1er y 15 de enero 37
Fig II.17 Diagrama solar de la ciudad de Monterrey 38
Fig III.1 Cálculo del ángulo vertical de vista al cielo 42
Fig III.2 Coeficiente de limpieza de las ventanas 42
Fig III.3 Diferentes componentes de la iluminación de día 43
Fig III.4 Recomendaciones en promedio de daylight factor 43
Fig III.5 Esquema representando el método del 2,5 A 44
Fig III.6 Eficiencia energética de diferentes luminarias 46
Fig IV.1 Parámetros Años, Máxima, Oscilación, Insolación, Precipitación, fenómenos para la ciudad de
Monterrey 50
Fig IV.2 Vista esquemática de la planta de un piso típico 52
Fig IV.3 Corte longitudinal en la parte más ancha 53
Fig IV.4 Geometría del aislante AISLAKOR 54
Fig IV.5 Características técnicas del AISLAKOR 55
Fig IV.6 Tabla comparativa de los aislantes térmicos más comunes 55
viii
Fig IV.7 Corte esquemático de una pared constituyendo el edificio 55
Fig IV.8 Esquema de una pared con las 4 capas componiéndolas 56
Fig IV.9 Cálculo de las características térmicas de una pared del edificio 57
Fig IV.10 Plan detallado de un piso típico 59
Fig IV.11 Representación de los flujos de iluminación adentro de un piso típico 60
Fig IV.12 Geometría protecciones solares fachada sur del departamento 5 61
Fig IV.13 Diagrama solar fachada sur departamento 5 62
Fig IV.14 Geometría protecciones solares fachada Este, departamento 5 63
Fig IV.15 Diagrama solar fachada Este, departamento 5 64
Fig IV.16 Geometría de las protecciones solares de la fachada Este del departamento 4 (Ventana de
arriba) 65
Fig IV.17 Geometría de las protecciones solares de la fachada Este del departamento 4 (Ventana de
abajo) 65
Fig IV.18 Diagrama solar de la fachada Este del departamento 4, ventanas de arriba 66
Fig IV.19 Diagrama solar de la fachada Este del departamento 4, ventanas de abajo 67
Fig IV.20 Diagrama solar de la fachada sur del departamento 4 (Ventana del medio) 68
Fig IV.21 Diagrama solar fachada Este del departamento 4, ventana lateral 69
Fig IV.22 Diagrama solar de la fachada sur del departamento 2, para las ventanas del cuarto 70
Fig IV.23 Diagrama solar de la fachada Este del departamento 2 71
Fig IV. 24 Diagrama solar de la fachada oeste del departamento 1 72
Fig IV.25 Diagrama solar de la fachada Sur del departamento 1 73
Fig IV.26 Diagrama solar de la Fachada oeste del departamento 3 ventana más arriba 74 Fig IV.27 Diagrama solar de la Fachada oeste del departamento 3 ventana más abajo 75
Fig IV.28 Diagrama solar de la Fachada oeste del departamento 5 76
Fig IV.29 Características y geometría de las ventanas Rivieria del Grupo Royal line Windows 78
Fig IV.30 Componentes de las radiaciones solares cruzando una ventana 79
Fig IV.31 Cálculo de las propiedades térmicas de las ventanas Rivieria del grupo Royal line
Windows 79
Fig IV.32 Ejemplo de cálculo de daylight factor average para el comedor del departamento 5 80
Fig IV.33 Ejemplo de cálculo de daylight factor average para la cocina del departamento 5 80
Fig IV.34 Ejemplo de cálculo de daylight factor average para el cuarto 1 del departamento 5 81
Fig V.1 Diseño esquemático de un sistema de ventilación cruzada 84
Fig V.2 Ventilación por chimenea 85
Fig V.3 Ejemplo de ventilación por chimenea en el BRE 85
Fig V.4 Sistema de tubos enterrados 86
Fig V.5 Sistema Breezair 87
Fig V.6 Características de enfriamiento del sistema Breezair 88
ix
Fig VI.1 Funcionamiento de un desarenador 90
Fig VI.2 Cantidades de diferentes componentes en una agua residual habitacional 91
Fig VI.3 Explicación de las demandas de oxigeno 92
Fig VI.3 Normatividad de las aguas residuales 93
Fig VI.4 Diseño esquemático del reciclaje del agua gris 94
Fig VI.5 Diseño esquemático del tratamiento local de las aguas negras 96
Fig VI.6 Diseño esquemático de la red de agua en el edificio 96
Fig VI.7 Consumo promedio en litros por día de una persona en edificio habitacional 97
Fig VI.8 Consumo global por día del edificio estudiado 97
Fig VII.1 Repartición del consumo eléctrico en un edificio habitacional 100
Fig VII.2 Funcionamiento de una instalación de producción de energía solar fotovoltaica 102
Fig VII.3 Ejemplos de integración arquitectural de paneles solares 103
Fig VII.4 Funcionamiento básico de una instalación de producción de energía solar térmica 104
Fig VIII.1 Cálculo del nivel de aislamiento térmico total del edificio estudiado. 106
Fig VIII.2 Cálculo del nivel de aislamiento térmico total del mismo edificio sin protecciones
térmicas. 107
Fig VIII.3 Consumo general de agua del edificio 108
Fig VIII.4 Diferenciación de las diferentes aguas 108
Fig VIII.5 tabla recapitulativa del consumo de agua, utilizando las tecnologías de ahorro. 109
Fig VIII.6 Tabla recapitulativa de los calculos de los promedios de daylight factor 110
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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MAESTRIA EN ADMINISTRACIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN CON ESPECIALIDAD EN ADMINISTRACIÓN DE PROYECTOS MARC LAURENT
Introducción
“There are two kinds of people in life: people who see the world as it is and wonder why. People
who imagine the world as it should be and wonder: Why not?”
« Dans la vie, il y a deux catégories d’individus : ceux qui regardent le monde tel qu’il est et se
demandent pourquoi. Ceux qui imaginent le monde tel qu’il devrait être et se disent : pourquoi
pas ? »
Georges Bernard Shaw, Literature Nobel price 1925
A. Introducción
A partir de fines de la década de los años 60, el siglo XX atestiguó el inicio de un crecimiento
explosivo de la población humana prácticamente en todo el planeta. A la par de este
crecimiento, los problemas derivados del impacto de esta explosión demográfica sobre los
recursos naturales, por una parte, y la generación de múltiples contaminantes ambientales, por
otra, se han incrementado exponencialmente. Al grado de que hoy en día existe una seria
preocupación en la mayoría de los gobiernos de los países por la sustentabilidad futura del
sistema social global.
Actualmente se calcula que más de la mitad de la población mundial vive en ciudades que se
consideran “de mediano tamaño”, hasta aquellas que son verdaderas megalópolis y ciudades
gigantes. Durante los próximos 25 años se pronostica que la mayoría del crecimiento
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demográfico va a ocurrir en las aéreas urbanas de los países en desarrollo. Las consecuencias
del impacto del crecimiento urbano en el medio ambiente y sus recursos, serán muy
importantes en el futuro inmediato.
En Europa, y en particular en los países del norte, cada día se promueven y expiden más y más
normas y reglamentaciones que toman en cuenta el impacto de los edificios sobre el entorno y
los recursos energéticos. Dado que existen métodos para calcular este impacto, las compañías
de construcción tienen ahora como objetivo primordial la reducción del impacto ambiental global
de su actividad. De esta manera se considera el impacto de un edificio durante toda su vida.
Esto es, desde el proceso de edificación hasta el reciclaje de los materiales que lo componen.
En México, un país cuya economía depende en mayor parte del petróleo y en menor medida de
gas y carbón, las construcciones recientes no tratan de salvar energía de manera eficiente (aire
acondicionado, protección del sol, no reciclaje de los materiales, etc…), ni consideran el destino
final de los materiales de construcción una vez que las edificaciones se vuelven obsoletas.
Proyectos de eco eficiencia en la construcción de edificios como los que se realizan en países
europeos pueden emprenderse en la ciudad de Monterrey tercera ciudad más poblada de
México. En la que existen planes conjuntos estado-municipio para construir edificios altos en el
llamado “primer cuadro de la ciudad”. Esto es, un área de casas y edificaciones viejas y con
frecuencia abandonadas, delimitada al norte por la Avenida Colón, al sur por la Avenida
Constitución, al oriente por la avenida Miguel Angel Conchillo, y al poniente por la calle
Venustiano Carranza.
Por el tamaño que muchas ciudades alcanzan actualmente, las ciudades, se convierten en
grandes consumidoras de recursos naturales, y generan múltiples desechos, tanto cualitativa
como cuantitativamente hablando. Producen la mayoría de los gases de efecto de invernadero,
también degradan la calidad del agua a nivel local e incluso regional, empobrecen el nivel de
agua en los acuíferos, contaminan el medio ambiente degradando la atmósfera y utilizan
espacios de terreno libre. Los edificios cuya construcción no ha sido planeada en la mayoría de
los casos utilizando criterios ecológicos, no conducen al ahorro de energía eléctrica y agua, por
ejemplo, y adicionalmente generan al final de su ciclo de vida importantes volúmenes de
materiales de construcción residuales. Estos por regla general no tienen uso alguno, e incluso
en ocasiones pueden ser peligrosos para el ambiente de las substancias y elementos que
muchas veces contienen. El empleo de criterios ecológicos en el diseño y construcción de
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edificios puede contribuir a mejorar ambos problemas: el uso ineficiente de recursos energéticos
y del agua, y la presencia de materiales de construcción residuales que se convierten en
basura.
El objetivo de este trabajo es básicamente implementar un modelo de edificio habitacional, que
respetaría más el medio ambiente comparando a todo lo que se construye en el área
metropolitana de Monterrey. No se va a desarrollar un modelo de edificio auto suficiente, pero
proponer uno que seria factible para la industria de la construcción mexicana. Hoy en día no se
puede pedir a una constructora, edificar un edificio totalmente ecológico, si no tiene los
conocimientos básicos de tal tecnología. Aquí es todo el propósito de esta tesis. No es de
proponer un modelo único de edificio responsable, pero proponer una referencia, un patrón de
diseño con el cual cada ingeniero cada arquitecto deseando implementar una parte de “green
design” podría sacar unas ideas. La idea es de proporcionar las herramientas básicas que le
serviría a un equipo de diseño ecológico. Se precisa que el estudio de la factibilidad económica
de tal proyecto no será abordado en este trabajo. Es decir en todos los resultados, no se
comparara el costo de las soluciones presentadas con unas tradicionales.
Muchas personas pueden pensar que tal trabajo no es totalmente factible dada la cantidad de
información que hay que proporcionar.
De hecho, el problema actual con la construcción sostenible es la falta de coordinación entre
cada área de trabajo. Definitivamente no se puede imaginar un edificio habitacional auto
suficiente solo utilizando unos paneles solares térmicos. La comprensión del diseño verde es la
comprensión de la necesidad de juntar toda la información proporcionada por cada parte de las
áreas de trabajo. El diseño verde es una ciencia de síntesis y no una de alta tecnología. Este
trabajo proporciona una base de trabajo para desarrollar proyectos verdes. Entonces se trata de
juntar toda la información que existe e implementar una síntesis de estos datos.
El propósito final es de proponer un diseño esquemático de lo que podría ser el principio de un
proyecto verde en el área metropolitana de Monterrey.
Los beneficios esperados de los resultados son los siguientes:
Reducción eficiente del impacto sobre el ambiente
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Economía en el consumo de energía eléctrica, agua y otros recursos
Reducción en la generación de desechos, tanto en el proceso de construcción como
en eliminación de los mismos al final del ciclo de vida de la edificación
Asegurar un ambiente sin riesgos para la salud (higiene)
Asegurar mayor confort en términos generales
B. Pasos de la construcción de alta calidad ambiental
El trabajo de esta tesis será basado en la norma francesa HQE (Alta calidad ambiental), la cual
incluye 14 pasos, cada uno detallado en conceptos. Aquí se presentan unos extractos de esta
norma. El objetivo de tal trabajo no es de obtener la certificación de esta norma, pero mas de
utilizarla como trama de trabajo sin enfocarse especialmente en cada paso.
1 Relación del edificio con su entorno
Utilización de las oportunidades ofrecidas por el sitio
Organización de las ventajas e inconvenientes del sitio
Reducción de las interacciones negativas entre el edificio y su entorno
2 Elección inteligente de los productos, sistemas y procesos de construcción
Elección de los procesos de construcción
Elección de los productos de construcción
Ahorrar energía a través de los procesos y productos Estudiar las posibilidades de reciclaje de los desechos de la construcción y demolición del edificio
3 Obras con impacto ambiental reducido
Diferenciación de la gestión de los desechos de la obra
Reducción de los ruidos de la obra
Reducción de la contaminación del terreno
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Integrar medidas de reducción de ruido y desechos en la planeacion estratégica de la obra Reducir consumo de energía y la contaminación del aire Reducir consumo de agua durante la fase de ejecución
4 Administración, gestión de la energía
Energías renovables
Aumentar la eficiencia energética de los proyectos Utilizar generador a combustión limpia
5 Administración, gestión del agua potable
Gestión del agua potable
Recurrir a agua no potable
Verificar el saneamiento del agua usada
Gestión del agua de lluvia en el terreno
Limitar el consumo de agua potable a través de equipos más eficiente Verificar el estado de las redes para evitar fugas inútiles Colectar agua de lluvia para el baño y el jardín
6 Gestión, administración de los desechos de actividad
Concepción de locales para la basura destinados al reciclaje
Tomar en cuenta las colectividades locales Diseñar cocinas y locales técnicos para clasificar la basura Diseñar el transporte de los desechos 7 Mantenimiento de las prestaciones ambientales
Optimización de las necesidades de mantenimiento
Diseño eficiente de la gestión técnica
8 Comodidades higrotérmicas
Zonas higrotérmicas
9 Comodidades acústicas
Aislamiento
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Corrección acústica
Disminución de los ruidos de impacto
10 Comodidades visuales
Iluminación de día máxima
Iluminación artificial para completar
Realizar estudio de sitio
Respetar las exigencias relativas a las instalaciones eléctricas
11 Comodidades olfativas
Reducción de los olores desagradables
Ventilación
12 Calidad sanitaria de los espacios
Higiene
Arquitectura ayudando la limpieza, los sistemas de salud, las personas a movilidades
reducidas…
13 Calidad sanitaria del aire
Gestión de los riesgos de contaminación por la construcción, los equipos, el
mantenimiento…
Ventilación adecuada para mejorar la calidad del aire
14 Calidad sanitaria del agua
Protección de red de agua potable
Mantenimiento de agua potable en los edificios
Mejorar la calidad del agua potable
Tratamiento de las aguas usadas no potables
No usar plomo en las canalizaciones Mantenimiento del agua caliente a 60°C y distribuirla a 50°C
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C. Metodología del trabajo
Basados en la mayoría de los pasos de la norma francesa de alta calidad ambiental, se va a
proponer un esquema general del estudio de un edificio ecológico. Como ya precisado, no se
trata de obtener la certificación de esta norma HQE, pero de utilizarla como la base del
planteamiento de solución.
Según toda la investigación, se implementan las áreas generales siguientes:
- Arquitectura bioclimatica, consiste en diseñar un edificio tomando en cuenta los datos
del clima local, permitiendo altos rendimientos. Los beneficios de tal arquitectura son
múltiples. En este estudio se consideran dos aspectos de la arquitectura bioclimatica, la
iluminación natural, y las protecciones contra el sol.
- Materiales y sistemas constructivos: Básicamente consiste en escoger los materiales
que se van a usar en la construcción. En este trabajo se estudiará la cuestión del
aislamiento, base de la eficiencia energética de un edificio. No se puede en el alcance
de este trabajo estudiar el impacto de los materiales utilizados en el ambiente (ciclo de
vida)
- Soluciones tecnológicas eficientes: Se podría considerar como la reingeniería de los
aparatos utilizados en el edificio. Concierna las áreas de iluminación artificial, la
ventilación, la climatización, y la calefacción.
- Integración, producción de energía renovable: Se hará en este estudio una breve
presentación de las ventajas de los sistemas de energías renovables, principalmente de
la energía solar dados la posibilidad de proveerse en Monterrey. Pero no se hará estudio
muy detallado dado la complicidad de tal tecnología.
- Gestión inteligente del agua: Básicamente se preocupa de ahorrar el agua, y de reducir
el impacto de las aguas usadas en el medio ambiente. Se presentarán diferentes
soluciones sencillas y más complicadas para aplicarlo en el caso del edificio en
Monterrey.
- Estrategia de competencia: Se presentarán ideas y estrategias para convencer a las
empresas constructoras y a los inversionistas las ventajas de la construcción sostenible.
La técnica de diseño puede ser una de las mejores, pero si no existe argumentos para
convencer la gente, no serviría para nada. Son ideas propias e ideas de consejeros
trabajando en Francia y en Alemania.
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Estos 6 conceptos son la base del éxito de un proyecto de diseño sostenible de un edificio, y
cada uno participa al nivel de “verde” que tiene el edificio. Y la estrategia es la clave para llevar
a cabo los 5 otros pasos. Básicamente se puede resumir según el diagrama siguiente en el cual
se ve la importancia de la estrategia pero también la importancia de cada concepto. Se ve
también la necesidad de combinar todos los conceptos para tener un diseño de calidad.
Fig 0.1 Combinación de conceptos para llevar a cabo un diseño ecológico
Este diagrama significa que cada concepto aporta una parte al diseño verde global, y el circulo
rojo representa la estrategia empleada para cada concepto. Si la estrategia es nula se puede
desarrollar todos los conceptos pero el resultado final no será viable. Pero se entiende que
existe un nivel mínimo común a cada concepto pero que se puede desarrollar nivel de
estrategias diferentes según cada área. Lo ideal es de tener un círculo rojo lleno a 100% y que
cada concepto exista. Así seria un diseño totalmente verde.
El edificio desarrollado en este estudio no será construido pero serán estudiadas todas las fases
del proyecto hasta el diseño esquemático. Este edificio comportara 6 departamentos de
tamaños diferentes, y una altura entre 5 y 10 pisos. El total máximo de habitantes será de 115
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personas. El terreno estudiado es totalmente ficticio, pero es considerado como ubicado en la
ciudad de Monterrey.
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Capítulo I
Diseño pasivo del edificio
A. Introducción
En términos físicos, un sistema pasivo es un sistema que utiliza solo los recursos locales, las
fuentes de energía disponibles en el sitio. De otra manera, es un sistema que no utiliza otros
componentes tecnológicos para producir trabajo o energía. En el área de la arquitectura, las
necesidades son generalmente, la calefacción, la climatización, y la iluminación de los espacios
cerrados.
Las fuentes de energía de un sitio son múltiples, incluyen las radiaciones solares, el
movimiento de aire debido a las diferencias de temperatura, la energía biomasa, la energía
subterránea, el viento… Pero esto no significa que tenemos que llenar el techo de paneles
solares, o instalar una central geotérmica en el jardín. En el sentido moderno del diseño pasivo,
no se usa sistemas de producción de energía.
Como se ha mencionado anteriormente, básicamente, la idea es de permitir la iluminación de
día, la calefacción y la ventilación solamente en los lugares que lo necesitan. Esto incluye el
almacenamiento de energía, para una distribución diferida por ejemplo. Las posibilidades de un
diseño pasivo exitoso son las siguientes:
- Buena orientación del edificio
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- Cantidad suficiente de ventanas, aperturas.
- Sombreado suficiente
- Un “envelope” eficiente
- Utilización máxima de la iluminación de día
- Nivel de masa térmica suficiente
- Utilización de energía sustentable
También se puede utilizar sistema de bajo consumo de energía que ayudan mucho a la
sostenibilidad del edificio (ventilación artificial, movimiento de sistema de sombreado)
En una primera parte se va a dar un esquema de diseño clásico de un edificio, y mostrar las
áreas en cuales tenemos que implementar estrategias de diseño pasivo y verde (Green design).
Luego seguiría una parte en la cual se definirá el concepto de diseño integrado, y en una
tercera parte se presentara con mas exactitud los pasos de un diseño verde. Esto con el
propósito de presentar una solución concreta de un edificio habitacional en el área de
Monterrey.
B. Reglas generales relativas al diseño de un edificio
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Fig I.1 Reglas generales relativas al diseño de un edificio
Los puntos en gris, representan conceptos que se debe agregar en el caso de un diseño
ecológico, propósito de este trabajo.
C. Diseño integrado
A partir de este esquema, vamos a definir las etapas de un diseño integrado. El propósito del
diseño integrado es de mezclar los conocimientos de cada materia y estudiar las interacciones
entre ellas mismas. La diferencia con un esquema tradicional de diseño, es el estudio de las
relaciones entre cada elemento del edificio, las cuales no estaban relacionados hasta hoy. No
es diseño “high tech”, porque ese tipo se podría definir como una alta especialización de cada
área, y no relacionada entre ellas mismas. El diseño convencional puede ser entendido como
conocimientos aplicados en serie, y el integrado como conocimientos aplicados en paralela. El
diseño integrado es una clave del éxito de un diseño ecológico.
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Las etapas del diseño integrado serian las siguientes:
1/ Establecer responsabilidades y obligaciones
2/ Formar un equipo que va a enunciar los objetivos. Este equipo de trabajo debe reunir todas
las capacidades.
3/ Junta de información, con objetivo de la mezcla de las informaciones, el intercambio de
conocimientos de cada grupo de trabajo.
4/ Diseño conceptual y esquemático como precedente.
5/ Prueba: Verificar la viabilidad técnica del diseño esquemático por medio de simulaciones.
Análisis de costo y modelos financieros. Esta etapa puede ser confundida con la del diseño
esquemático.
6/ Desempeño del diseño
7/ Documentos de construcción
8/ Construcción: En caso de un diseño integrado, un representante de la empresa constructora
debe ser parte del equipo de diseño para orientar las viabilidades técnicas de ejecución.
Las etapas de diseño son similares a las de un diseño clásico, pero para concluir, es muy
importante tener un equipo de diseñadores que trabajen juntos, que se comunicen, a cada
etapa del proyecto.
D. Diseño verde
Aplicando estas nociones vamos a desarrollar un esquema de diseño general a un edificio
ecológico o verde. Vamos a relacionar cada etapa del diseño verde a los pasos de la norma
francesa HQE planteada en la introducción. Ligando estos conceptos, nos permitirá distinguir
las etapas de diseño pasivo de las otras formas.
El diseñador verde no es un especialista sino una persona capaz de hacer una síntesis de los
datos técnicos, arquitectónicos, energéticos, proporcionados por su equipo de trabajo. Lo
podríamos definir como el medico general de los resultados de un edificio.
El equipo de diseño verde tiene que seguir estos pasos:
Esquema: Implementación de un plan de acción, definición de los objetivos y del
alcance para fijar los criterios.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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Intención: Definir las expectativas para los resultados del edificio, decidir lo mínimo a
cumplir, y un nivel de diseño verde.
Criterios: Que significa un edificio verde? Quien decide? Al lado de que normas
vamos a calificar nuestro edificio. Deben existir criterios realistas normativos para poder
cumplirlos, pero no demasiado para que exista un reto.
Validación: Ocurren problemas debidos a la interacción de las áreas de trabajo. El
diseño integrado exige la existencia de una relación entre cada concepto, pero eso hace ocurrir
imprevistos. Por eso existe la etapa de validación en la cual se verifica y se analiza con la
experiencia de proyectos anteriores, el diseño. Y se implementa una retroalimentación en el
diseño para actualizarlo.
Priorización: Al momento de la actualización, unas alternativas tienen que ser
canceladas. Entonces hay que tomar en cuenta las prioridades de cada objetivo planteado al
inicio del proyecto.
Para resumir con todas esas etapas, ligándolas con los pasos de la norma HQE, tomando en
cuenta el concepto de diseño integrado, y con objetivo de proponer soluciones viables de
diseño pasivo, se propone el esquema siguiente.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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Fig I.2 Diseño integrado, estrategias pasivas y activas
En la columna de izquierda aparecen las etapas de un diseño verde, y en la derecha los pasos
de la norma HQE. Las flechas relacionan cada concepto de la norma a una etapa del diseño.
Pero seguramente, indica el momento en el cual tiene la mayor importancia, pero hay que
recordar a cada paso del proyecto, como resolver un problema con una idea “verde”. El
concepto ecológico sigue todo el proyecto, y nunca hay que olvidarlo.
Las rayas derechas indican en cual concepto interviene el diseño pasivo y a la izquierda en cual
el diseño que se podría llamar activo interviene.
Las flechas del lado izquierdo representan la retroalimentación después del control.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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Con esta gráfica podemos ver toda la complejidad de llevar a cabo un diseño verde, dadas las
interrelaciones entre cada etapa, concepto…
E. Conclusión y planteamiento de solución al caso del edificio en el área metropolitana de Monterrey
Después toda este análisis por parte del diseñador, se plantean los pasos a seguir para el caso
particular de un edificio habitacional en el área metropolitana de Monterrey. En la siguiente
parte se proponen soluciones técnicas viables en la ciudad de Monterrey, midiendo su eficiencia
dadas las herramientas que desarrollamos en los capítulos I y II.
Se hará una parte del diseño pasivo por ejemplo sin tomar en cuenta el tratamiento de los
desechos, el reciclaje de agua, es decir solo se consideraran las partes estudiadas
anteriormente. Solamente se va a desarrollar un modelo conceptual de un edificio que
respetaría a lo máximo las normas franceses y americanas (LEED Construction).
Para resumir así se desarrolla el análisis.
1. Datos del proyecto
Hacer un análisis del sitio, exposición al sol, tipo de terreno, proximidad de selva, de carretera,
datos higrotérmicos…
2. Forma del edificio
Esta es la parte más importante del diseño pasivo. En esta etapa se analizan los niveles de
iluminación natural (capítulo II) los niveles de sombreado, la exposición a las radiaciones
solares… Aquí se usara el diagrama solar desarrollado precedentemente.
3. Organización del edificio
Es la manera de organizar los espacios internos, dependiendo de las necesidades de cada uno.
En esta etapa se toma también en cuenta los espacios de transición que se definiría como un
espacio que permite la conexión entre 2 ambientes diferentes, el patio de entrada de los
edificios altos es un buen ejemplo.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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4. Envelope y aislamiento
En esta parte se incluye todo lo estudiado en la parte I en el cual se consideran los materiales
no aislados y considerando las relaciones entre ellos.
5. Puntos del diseño pasivo estudiado en otras partes
Para simplificar el estudio y presentar de manera más clara no se tomarán en cuenta los puntos
de tratamiento de agua y de desechos, también considerados como diseño pasivo, se pueden
desarrollar de manera independiente.
6. Feed back loop o retroalimentación
Los resultados ambientales de un sistema son mucho más complicados a evaluar, como se
haría en el caso de cálculos de estructura. Por eso una vez el diseño pasivo ejecutado se va a
calificar la eficiencia de nuestro edificio y verificar las relaciones entre cada concepto y arreglar
los detalles priorizando unos conceptos.
Los conceptos de estructura no van a ser estudiados en este trabajo de tesis, solo se hará
referencia el impacto de la estructura en términos de masa térmica. Este caso seria
necesario desarrollarlo a parte.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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Capítulo II
La fachada del edificio: la frontera climática con el
exterior
A. Definición del espacio acondicionado
Un edificio constituye un ambiente en el cual el hombre busca más y más confort. El confort se
puede definir en tres grandes áreas. Primero el confort climático (Temperatura, humedad
relativa…), la calidad del aire interior, y las comodidades (domótica, robótica…). En esta parte
vamos a tratar el problema del confort climático. Para eso, hay que comprender la importancia
del aislamiento del edificio. De hecho, antes de diseñar tecnologías de climatización o
calefacción, hay que protegerse del medio ambiente y de sus temperaturas extremas. Pero
diseñar un edificio totalmente aislado no es una solución para permitir una calidad del aire
interior. Entonces hay que definir niveles de aislamiento térmico, y niveles de ventilación del
edificio.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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El objetivo de esa parte es proponer un modelo que permitiría cumplir con los objetivos de las
normas norteamericanas LEED CONSTRUCTION.
Extracto de las normas
EQ Credit 7.1 Thermal Comfort Design
Intent
Provide a comfortable thermal environment that supports the productivity and well being
of building occupants.
Requirements
Design HVAC systems and the buildings envelope to meet the requirements of ASHRAE
standard 55-2004, Thermal Comfort conditions for human occupancy. Demonstrate
design compliance in accordance with the section 6.1.1 documentation.
El aislamiento térmico es una parte crucial de un proyecto de construcción verde. Utilizar
materiales más eficientes para el aislamiento permite reducir la cantidad de éstos, entonces
permite conservar los recursos, reducir los desechos y también reduce el costo de la
construcción. Los materiales de aislamiento siempre han tenido un papel importante en la
historia de la edificación, porque antes de las soluciones tecnológicas de control de temperatura
era la única solución de protegerse del la agresividad del ambiente.
Las transmisiones de calor se pueden tratar en diferentes partes del edificio:
• Ventanas
• Techo
• Pared
• Pared de superestructura
• Pared de infraestructura
• Losas
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Fig. II.1: Representación de las partes de un edificio en las cuales pueden ocurrir pérdidas de
calor.
Entonces, las fuentes de transmisión de calor en edificios son:
- Conducción de calor a traves de las paredes opacas y ventanas
- Transmisión de la radiación a través de las ventanas
- Transferencia de calor por conveccion desde las paredes al aire
- Infiltración / ventilación controlada
- Radiación de onda larga entre los elementos internos
- Radiación de onda larga del edificio hacia sus alrededores
En la siguiente parte, se presentan las explicaciones fisicas de cada fenómeno de transmisión
de calor.
Espacio acondicionado
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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B. Transmisión de calor: Fundamentos físicos
Existen físicamente tres tipos de transferencias de calor. Se va a dar más importancia a los que
representan las pérdidas más importantes en las construcciones. El objetivo es proveer el
conocimiento suficiente para controlar el aislamiento térmico en una gran variedad de edificios.
Primero hay que recordar que el flujo de calor siempre se hace del lado caliente al lado frio. El
flujo evalúa la energía térmica transmitida en la unidad de tiempo a través de la unidad de
superficie del material dispuesta en la dirección normal al flujo térmico.
Existen tres tipos de transmisión de calor que son la convección, la conducción, y la radiación.
1) Transmisión por convección
La convección se produce únicamente en materiales fluidos. Éstos al calentarse disminuyen su
densidad y ascienden al ser desplazados por las porciones de menor temperatura que, a su
vez, descienden y se calientan repitiendo el ciclo. El resultado es el transporte de calor por
medio de las parcelas del fluido ascendente y descendente.
En el caso de un edificio las transmisiones por convección ocurren en la capa de aire cerca de
una pared o una ventana.
La transferencia de calor por convección se modela con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), As es el área del cuerpo en
contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura
del fluido lejos del cuerpo. En la modelación que vamos a desarrollar, solo vamos a tener en
cuenta el coeficiente h que depende de los dos materiales en contacto. Existen dos tipos de
convección, la forzada y la natural. En el caso de la edificación solo nos interesa la natural.
2) Transmisión por conducción
Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas que
reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean; estas a
su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por
esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con una flama, transcurre cierto
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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tiempo para el calor llegue a otro extremo. El calor no se transmite con la misma facilidad por
todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que son aquellos
materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los "malos conductores o aislantes"
son los que oponen mucha resistencia al paso del calor, esta propiedad se aprovecha en
recipientes para calentar líquidos, que se hacen aluminio.
La ley básica de la conducción establecida por Fourrier es la siguiente:
Qx = -k dt/dx
Donde k representa la conductividad térmica, una propiedad física de los materiales que mide la
capacidad de conducción de calor.
Material k Material k Material k
Acero 47-58 Corcho 0,04-0,30 Mercurio 83,7
Agua 0,58 Estaño 64,0 Mica 0,35
Aire 0,02 Fibra de vidrio 0,03-0,07 Níquel 52,3
Alcohol 0,16 Glicerina 0,29 Oro 308,2
Alpaca 29,1 Hierro 1,7 Parafina 0,21
Aluminio 209,3 Ladrillo 0,80 Plata 406,1-418,7
Amianto 0,04 Ladrillo refractario
0,47-1,05 Plomo 35,0
Bronce 116-186 Latón 81-116 Vidrio 0,6-1,0
Cinc 106-140 Litio 301,2
Cobre 372,1-385,2 Madera 0,13
Fig II.2 Tabla con valores de conductividad térmica de algunos materiales
3) Simulación de la transmisión de calor por conveccion y conducción
Utilizando la ecuación general de conducción e integrando los coeficientes respectivos de
convección, se ha desarrollado un modelo de cálculo para determinar el valor de la
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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transferencia de calor (U), la resistencia térmica de la pared, el flujo de calor, y las temperaturas
en cada capa de la pared.
A continuaron se presenta un ejemplo desarrollado en Excel para una pared de tres capas.
Composite wall with three sections
DATA Enter data
heat transfer coefficient, h1 [W/m2K] 1000 heat transfer coefficient, h4 [W/m2K] 200 contact resistance A-B, Rt,cont,AB [m2K/W] 0.001 contact resistance B-C, Rt,cont,BC [m2K/W] 0.002 length of section A, LA [m] 0.2 length of section B, LB [m] 0.2 length of section C, LC [m] 0.4 thermal conductivity of section A, kA [W/mK] 20 thermal conductivity of section B, kB [W/mK] 80 thermal conductivity of section C, kC [W/mK] 100 free stream fluid temperature Too,1 [K] 700 free stream fluid temperature Too,4 [K] 300 RESULTS
total thermal resistance, Rt,T [m2K/W] 0.0255 U = 39.216 overall heat flux qx [W/m2] 15686.27 free stream fluid temperature Too,1 [K] 700.00 temperature T1 [K] 684.31 temperature T2A [K] 527.45 temperature T2B [K] 511.76 temperature T3B [K] 472.55 temperature T3C [K] 441.18
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temperature T4 [K] 378.43 free stream fluid temperature Too,4 [K] 300.00
Fig II.3 Modelación de una pared en estado permanente
shelters, etc. Además es el líder en diseño y fabricación de perfiles para sistemas de ventanaje.
Esta compañía opera y produce en el estado de Tamaulipas. La compañía Royal Line Windows
propone ventanas de la gama Riviera que son de doble vidrio. La ventana Riviera es el modelo
de Royal Line, diseñado específicamente para aquellos clientes que buscan la más alta calidad
de producto en México. Diseñadas para alcanzar las necesidades más especializadas, están
disponibles en configuraciones de apertura como corrediza y guillotina en cristal doble o
sencillo. El modelo Riviera será del interés de los arquitectos y contratistas a cargo del
desarrollo de proyectos residenciales ambiciosos.
Estas ventanas presentan las características siguientes (datos proporcionados por la compañía)
• Marcos termo sellados.
• Una profunda cavidad de riel (1.16”) significa un sistema eficaz de dren.
• Hoja más ancha, para una mayor rigidez.
• Cámara con vacío, para el mejor aislamiento.
• Fácil de operar y de limpiar.
• Cristal con aislamiento (doble cristal) para una mejor conductividad térmica y acústica.
• Amplia cavidad de refuerzo en el poste, con opción de refuerzos metálicos.
• Manija integrada para fácil operación.
• Diseñadas para la mejor apariencia y máxima resistencia a la intemperie.
• Rodachinas duales, para una operación suave.
• Seguros anti levantamientos en la hoja, que previenen la remoción de la ventana desde
el exterior.
• Cerradura de zinc, para una mayor fuerza y seguridad.
• Tela de mosquitero (opcional).
• Retícula decorativa (opcional).
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Fig IV.29 Características y geometría de las ventanas Rivieria del Grupo Royal line windows
Las capas de doble vidrio se componen de dos vidrios de 6mm cada uno y una capa de aire de
7 Mm. lo que da un espesor total de 19mm de ventanas.
Para los modelos grandes de ventanas (como las del comedor del departamento número 5) se
solicita a la empresa hacerlas según las exigencias del proyecto. Igual se utilizaría doble vidrio y
estructura de PVC para asegurar que no haya ni un puente térmico debido a las ventanas. Así
que para el cálculo del aislamiento general del edificio no se tomará en cuenta las pérdidas por
puentes térmicos debido a las instalaciones de las ventanas.
Estas ventanas seguramente tienen un costo superior a las clásicas de aluminio y de vidrio
sencillo. Pero se acuerda que el aluminio es uno de los mejores conductores de calor, y no tiene
sentido instalar ventanas que provocarían puentes térmicos muy importantes en la estructura
general del aislamiento.
En el caso de radiaciones solares directas en una ventana, se considera que hay tres
componentes distintas. La parte reflejada, la parte absorbida por la ventana propia y la parte
integralmente transmitida la cual aporta la luz la más fuerte, y también el calor. Se puede
resumir básicamente con el esquema siguiente.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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MAESTRIA EN ADMINISTRACIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN CON ESPECIALIDAD EN ADMINISTRACIÓN DE PROYECTOS MARC LAURENT
Fig IV.30 Componentes de las radiaciones solares
cruzando una ventana
En el caso de un doble vidrio sin protecciones solares integradas se considera el factor de
transmisión igual a 76%.
Se hace un estudio del valor U igual al de la pared de la fachada. Se consideran los datos
siguientes de la ventana (conteniendo 3 capas, 2 de vidrio y una de aire).
RESULTStotal thermal resistance, Rt,T [m2K/W] 0,447142857 U = 2,2364overall heat flux qx [W/m2] 100,64 Fig IV.31 Cálculo de las propiedades térmicas de las ventanas Rivieria del grupo Royal line
windows
DATA Enter dataheat transfer coefficient, h1 [W/m2K] 50heat transfer coefficient, h4 [W/m2K] 50contact resistance A-B, Rt,cont,AB [m2K/W] 0,02contact resistance B-C, Rt,cont,BC [m2K/W] 0,02length of section A, LA [m] 0,006length of section B, LB [m] 0,007length of section C, LC [m] 0,006thermal conductivity of section A, kA [W/mK] 0,7thermal conductivity of section B, kB [W/mK] 0,02thermal conductivity of section C, kC [W/mK] 0,7free stream fluid temperature Too,1 [K] 350free stream fluid temperature Too,4 [K] 305
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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Se obtiene un valor de U bastante baja correspondiendo a lo que da unos proveedores de
ventanas doble vidrio.
6) Promedio “Daylight factor”
Ahora se hace la verificación para unos cuartos del valor promedio del daylight factor. Para eso
se utiliza el método explicado antes.
DFprom = Σ (W T Φ M) / (A*(1-R²))
Para simplificar el estudio general de esta tesis, se decide solo estudiar unos cuartos de
algunos departamentos, suponiendo que se pueda generalizar después.
Se presume que los colores escogidos para los acabados interiores son dominantemente
blancos así que se tiene un factor de reflectancia entre 0,8 y 0,9. Se considera en primer lugar
igual a 0,9 en el comedor del departamento número 5. Se obtiene los resultados siguientes.
W (m²) T Phi M Suma A (m²) R DF
Departamento 5 Comedor Sur 10,368 0,76 10 0,9 70,91712Este 10,368 0,76 30 0,9 212,7514
283,6685
4,432953336,79 0,90
Fig IV.32 Ejemplo de cálculo de daylight factor average para el comedor del departamento 5
Se considera después la cocina del departamento número 5. Para esto se considera la barra
como una ventana, aprovechando la iluminación aportada por el comedor. Pero se utilizan
coeficientes bajos para considerar que no toda la luz de las ventanas del comedor entra en la
cocina. Se obtiene los resultados siguientes:
Fig IV.33 Ejemplo de cálculo de daylight factor average para la cocina del departamento 5
W (m²) T Phi M Suma A (m²) R DFDepartamento 5 Cocina Sur 1,472 0,76 3 0,9 3,020544
Bar 9,275 1 1 1 9,27512,29554
0,556105116,37 0,90
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Ahora se analizara el cuarto número 1. Se obtienen los resultados siguientes:
Fig IV.34 Ejemplo de cálculo de daylight factor average para el cuarto 1 del departamento 5
Este procedimiento se continúa para cado cuarto del edificio y se presentarán los resultados
globales en la última parte de este proyecto.
W (m²) T Phi M Suma A (m²) R DFDepartamento 5 Cuarto 1 Sur 1,472 0,76 45 0,9 45,30816
045,30816
4,83405649,33 0,90
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Capítulo V
Enfriamiento del edificio, diferentes estrategias de
ventilación
A. Introducción
La manera más eficiente de ahorrar energía en los sistemas de enfriamiento de edificios
situados en zonas como la de Monterrey, en las cuales las necesidades de enfriamiento son
altas, es de disminuir estas necesidades estudiando sistemas de ventilación. Para diseñar
sistemas de enfriamiento eficientes hay que entender tres datos de un proyecto. Primero el
clima de la zona, es decir, se necesita realmente enfriar este edificio? Hasta que nivel de
enfriamiento se necesita desarrollar las estrategias? Segundo hay que estudiar que tipo de
edificio es. Por ejemplo un edificio habitacional como el de este estudio, no tiene muchas
fuentes de calefacción dadas por los ocupantes del edificio. A diferencia de un edificio de
oficina, que contiene muchos empleados, muchos aparatos como las computadoras que traen
mucha energía de calefacción adentro del edificio mismo. Y finalmente hay que verificar si dada
la utilización del edificio, cuales son las temporadas durante las cuales se necesita realmente
enfriar. En el caso de una escuela por ejemplo, no se necesitaría enfriar durante la temporada
del verano, la más caliente en un clima como Monterrey.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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Se desarrollará en esta parte diferentes estrategias de ventilación natural o forzada, y se
estudiará la factibilidad de aplicarlas al caso del edificio estudiado.
B. Ventilación cruzada
Este tipo de ventilación establece un flujo de
ventilación lateral dejando entrar aire fresco del
exterior y expulsando el aire sucio y caliente del
interior por otro lado del edificio. Es una alternativa
eficiente a un sistema mecánico dependiendo de las
condiciones climáticas exteriores.
Fig V.1 Diseño esquemático de un sistema de
ventilación cruzada
La capacidad de un sistema de ventilación cruzada depende básicamente de la diferencia de
temperatura entre el ambiente exterior y el interior. Tal sistema es factible y viable si la
temperatura exterior es más fría a lo menos de 1,7°C que la del interior. Diferencia de
temperaturas inferiores solo aportarán efectos mínimos. Otro aspecto que aumenta la eficiencia
de tal ventilación es la velocidad del flujo de aire. Más alta es esta velocidad mas eficiente es el
sistema. Por eso hay que orientar estas aperturas frente a los vientos dominantes.
En el caso del edificio estudiado, esta solución podría ser aplicada por ejemplo entre el aire del
patio interior y el aire de los departamentos. La condición es de poder bajar la temperatura del
patio de manera significativa. A parte, en este caso la ventilación entre el patio y los
departamentos debería ser apoyada por un sistema mecánico dado el hecho de que no hay
vientos en el patio.
Considerando el clima extremo de Monterrey este sistema instalado directamente entre el
ambiente exterior y el interior no seria viable durante las temporadas más calientes.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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C. Ventilación por chimenea
Es un sistema pasivo de ventilación que utiliza
la estratificación de las temperaturas. Se basa
sobre 2 principios:
1) Cuando el aire se calienta su densidad
disminuya y sube.
2) El aire del ambiente interior remplaza el
aire caliente que sale.
Fig V.2 Ventilación por chimenea
Igual que el sistema precedente, la ventilación por chimenea necesita diferencias de
temperaturas mínimas de 1,7 ° C. Entonces existen estrategias para aumentar esta diferencia
de temperatura.
Primero para aumentar esta diferencia se puede incrementar la altura de la chimenea. En
efecto, entre más alta es la chimenea más grande es la diferencia
debida a la estratificación de las capas de aire.
Otra manera de aumentar esta diferencia es utilizar la energía solar para calentar el aire arriba
de la torre. Por ejemplo orientar las
chimeneas al sur, utilizando ventanas arriba
de la chimenea, el aire se calienta mucho más
y el nivel de ventilación es mucho más alto. A
continuación se presenta por ejemplo el caso
del proyecto Building Research
Establishement (BRE) en el Reino Unido.
Fig V.3 Ejemplo de ventilación por chimenea en el BRE
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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MAESTRIA EN ADMINISTRACIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN CON ESPECIALIDAD EN ADMINISTRACIÓN DE PROYECTOS MARC LAURENT
Para tener una idea de las dimensiones de la chimenea, se puede implementar en primer lugar
una altura igual a lo menos a la mitad de la parte más alta del edificio.
En el caso del edificio estudiado, se podría implementar una chimenea así en el patio. Enfriando
el aire del patio, se podría después utilizar para enfriar cada departamento con sistemas
mecánicos de ventilación.
D. Tubos enterrados de enfriamiento
Este sistema se utiliza llevando aire del exterior hacia adentro del edificio con tubos enterrados.
El aire se enfría durante el viaje dentro de los tubos. La idea de tal proceso es de asociarlo a un
sistema de chimenea solar. Así que por abajo del edificio se lleva aire frió, y se expulsa el aire
sucio y caliente por arriba del edificio.
Un tubo es directamente introducido adentro del edificio, y ayudado por un ventilador, atrae el
aire del exterior para inyectarlo correctamente. Se utiliza básicamente para disminuir de manera
eficiente la temperatura del ambiente interior. Climatizar todo el edificio con este sistema no
seria factible desde un punto de vista económico. Pero en este estudio se combinará con el
sistema de chimenea solar, como se muestra en el diseño esquemático siguiente.
Fig V.4 Sistema de tubos
enterrados
La idea básicamente en este estudio es tener un nivel de ventilación por el sistema de tubos
enterrados igual a lo que escapa por la chimenea solar.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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E. Equipos eficientes de enfriamiento
Una vez establecidos todos los sistemas de ventilación, hay que implementar un sistema activo
de enfriamiento tipo aire acondicionado. No se va a desarrollar un estudio completo de los
sistemas existentes, pero se da a título de ejemplo una maquinaria eficiente que ya existe en el
mercado. El sistema que ahorra más energía hoy, es el de refrigeración evaporativa. Una
compañía australiana propone en todos lados del mundo el sistema Brezzair Icon 06.
Fig V.5 Sistema Breezair
Un sistema de este tipo permite ahorrar hasta 80% de energía comparándolo a un sistema
clásico de aire acondicionado. Las ventanas y puertas del edificio pueden quedarse abiertas sin
pérdida de eficiencia de la climatización, lo que asegura una calidad de aire interior óptima, y lo
que permite seguir ventilando el espacio acondicionado.
El principio de este sistema es muy sencillo. Se trata de un proceso que se ha utilizado desde
muchos siglos… Los árabes por ejemplo colgaban sabanas blancas a la entrada de sus casas y
los griegos ponían ánforas de agua en los pasillos.
Este proceso se produce naturalmente cuando el aire y el agua se encuentran. La evaporación
natural se hace, absorbe el calor y refresca el aire caliente unos grados.
En el caso de los sistemas Breezair, el aire caliente propulsado por un ventilador potente pasa a
través de diferentes capas de filtro conteniendo agua. Este absorbe una parte del calor y sale
un flujo de aire refrescante.
MODELO DE ECO DISENO DE UN EDIFICIO HABITACIONAL PARA EL AREA METROPOLITANA DE MONTERREY
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Fig VI.2 Cantidades de diferentes componentes en una agua residual habitacional
El debito máximo es generalmente calculado con la formula siguiente:
Qm = (1,5 + 2,5/√Qp) Qp
La materia orgánica se compone de materias vivas o no, o componentes que tienen carbono.
Esta materia orgánica es contaminante cuando se encuentra en cantidades excesivas en el
medio ambiente. Se diferencia:
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La materia orgánica biodegradable, que se descompone en el medio natural (residuos de
actividades agrícolas…)
La materia orgánica no biodegradable como los hidrocarburos.
La materia orgánica (MO) biodegradable, en contacto con el oxigeno y en presencia de
bacterias aerobias se transforma de la manera siguiente.
MO + O2 ------------- CO2 + H20 + Bact. Aerobias
Entonces se caracteriza la materia orgánica según dos principales parámetros:
DQO
Fig VI.3 Explicación de las demandas de oxigeno
La demanda bioquímica de oxigeno a 5 días (DBO5) corresponde a la cantidad de oxigeno
consumido durante 5 días, y la demanda química en oxigeno (DQO) es la cantidad que
necesaria para oxidar las substancias orgánicas en suspensión.
Las materias en suspensión son las insolubles, muy finas, minerales u orgánicas,
biodegradables o no. Son las causas de la turbidiad del agua y pueden provocar la
fermentación.
Los nutrimientos presentes en el agua son el nitrógeno y el fósforo. Estos elementos si son en
exceso en el medio natural pueden provocar una proliferación vegetal lo que puede ocasionar
una eutrofización del agua.
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b. Normatividad de las aguas residuales
Según las normas referidas a la calidad ambiental de un edificio en Europa, se caracteriza la
calidad sanitaria de un agua de la manera siguiente:
Calidad Excellente Buena Correcta Mala Inusable DBO5 (mg/l) < 3 3 a 5 5 a 10 10 a 25 DQO (mg/l) < 20 20 a 25 25 a 40 40 a 80 MES (mg/l) < 30 < 30 < 30 30 a 70
Fig VI.3 Normatividad de las aguas residuales
Las categorías Excelente y Buena son disponibles para cualquier uso. La categoría correcta es
suficiente para la irrigación, el uso industrial (enfriamiento..), puede ser tolerado el uso para dar
agua a los animales, y se puede usar para deportes en agua si no hay contacto de largo tiempo.
La categoría Mala solo permite la irrigación el enfriamiento y la navegación. La categoría Nula
constituye una amenaza para el medio ambiente y el ser humano.
c. Tratamiento biológico
El tratamiento biológico a cargas bajas es el proceso más empleado para tratar las aguas
residuales. Este tratamiento se puede adaptar bien para la mayoría de las aguas residuales de
los edificios habitacionales.
Tiene dos principales etapas:
La ventilación: El agua es dirigida hacia un estanque de ventilación en el cual en contacto con
bacterias y oxigeno, las materias orgánicas se transforman en una especie de lodo.
La decantación: El agua es dirigida hasta otro tanque en el cual el lodo se va a decantar.
En unos casos se necesita un tratamiento especial del nitrógeno y del fósforo. Pero eso
concierne solo las aguas residuales de la industria. En el caso de las instalaciones
habitacionales, este proceso es suficiente para tener una calidad del agua alta para desecharla.
C. Aplicación al caso del edificio habitacional
1) Reutilización del agua en el sitio
Esta primera propuesta es muy factible porque la manera de implementarla es muy sencilla. En
un edificio habitacional y de manera general se puede dividir las aguas en 3 categorías. El agua
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potable, el agua gris la cual corresponde al agua desechada de la ducha, del lavabo, de manera
mas general que no incluye desechos humanos o alimentarios, y por fin el agua negra la cual
contiene desechos orgánicos humanos… El reciclaje del agua gris es generalmente fácil, solo
necesita un sistema de filtración y a veces un sistema de bacterias pero muy simplificadas
porque esta agua no tiene muchos desechos.
La idea es de utilizar esta agua para un uso no potable como la irrigación del jardín o los baños.
Esto reduce de manera significativa el consumo general de agua potable del edificio. Para ser
muy eficiente un sistema como este, se necesita una demanda en agua potable bastante
grande para tener agua gris en grandes cantidades y de esta manera utilizarla sin problema.
Básicamente en el caso de una casa no seria tan factible dado el flujo bajo de agua durante el
día. En el caso de este edificio que contiene muchos departamentos, puede ser factible.
Este sistema se puede complementar con la utilización de la recuperación del agua de lluvia
para un uso en la ducha o el lavabo. Gráficamente, se podría desempeñar el diseño
esquemático siguiente para el edificio considerado.
Fig VI.4 Diseño esquemático del reciclaje del agua gris
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La colecta del agua de lluvia se hace en los techos con un impermeabilizante neutro para no
ensuciar el agua. El tratamiento básicamente consiste en un filtro de arena que necesita ser
controlado de manera seguida. La letra A representa los puntos de control. Por ejemplo podría
ser un control de presión, cuando la presión en el tanque 1 es demasiado baja (es decir que el
nivel de agua es bajo), la red de agua municipal ayuda para que siempre haya agua en la
ducha.
2) Tratamiento local del agua
Se trata de equipos “vivos” que harían el tratamiento mecánico y biológico del agua
directamente en el jardín del edificio. Se presenta esta solución, pero hay que entender que
tales sistemas tienen muchas desventajas.
Primero estos sistemas necesitan espacio libre bastante cerca del edificio. Este espacio desde
un punto de vista económico es espacio perdido, no puede servir para implementar una zona de
jardín u otros edificios los cuales permiten ingresos de dinero.
Segundo, este proceso necesita ser conservado en un ambiente entre 19 y 30 grados lo cual
significa un control de la calefacción durante el invierno por ejemplo con el sol.
Tercero es un sistema bastante complicado desde un punto de vista técnico, y aquí en
Monterrey, la gente no estaría dispuesta a estudiar tales sistemas. Son puras pérdidas de
espacio sin retorno de inversión. En efecto, este tratamiento solo mejora la calidad del agua
descargada en el rió. El dueño del edificio tiene que tener una gran conciencia ecológica para
tomar la decisión de usar este sistema.
Pero el diseño verde no debe reducirse a dejar las cosas como ya existen, entonces presentaré
esta solución en este trabajo.
El tipo mas común de estos sistemas es el hydroponic el cual contiene un filtro, 2 tanques
anaeróbicos, un tanque aeróbico cerrado, un clarificador, un terreno artificial saturado de agua
para limpiarla, y un filtro Ultravioleta. Dos soluciones existen. Esta agua limpiada puede ser
controlada por un organismo independiente y al caso que sea propia al consumo humano
descargada en la red de agua. La segunda opción es de considerar esta agua impropia al
consumo humano, entonces almacenarla y utilizarla como la de la lluvia. Y la parte que sobre
descargarla en el medio ambiente (después de un control). A continuación se presenta un
diseño esquemático de esta solución.
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Fig VI.5 Diseño esquemático del tratamiento local de las aguas negras
3) Dimensiones de las instalaciones
Fig VI.6 Diseño esquemático de la red de agua en el edificio
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Para tener una idea de las instalaciones del tamaño necesario en el edificio, se hacen las
consideraciones siguientes.
El consumo por persona (promedio) de un departamento son los siguientes.