Rehabilitación termo-energética de envolvente en vivienda barrial masiva. Localizada en clima semi-árido de Argentina

Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 305 13. Rehabilitación termo-energética de envolvente en vivienda barrial masiva, localizada en clima semi-árido de Argentina Blasco Lucas, Irene (*) (*) Instituto Regional de Planeamiento y Hábitat, Facultad de Arquitectura Urbanismo y Diseño, Universidad Nacional de San Juan, Av. Ignacio de La Roza y Meglioli, San Juan, C.P.5400, Argentina. [email protected]m.ar, tel: +54 264 4232395 int.318 Resumen Con el fin de proponer variantes que mejoren el comportamiento termo-energético de la envolvente en viviendas barriales masivas construidas en el Gran San Juan -ciudad oasis inserta en clima semi-árido de Argentina-, se realiza una investigación compuesta por tres instancias: a) Análisis climático de un año tipo conformado por el promedio de 10 años, efectuado con diferentes métodos para determinar las estrategias de diseño más apropiadas para la región; b) Diagnóstico y caracterización higrotérmica y energética de las viviendas, y de sus usuarios, a partir de cálculos estacionarios, mediciones y encuestas en tres añostestigo; c) Evaluación micro-económica en el ciclo de vida (EMECV) de las diferentes alternativas seleccionadas para contribuir a una mayor eficiencia termoenergética de la vivienda. Para ello, se desarrollan y aplican procedimientos y herramientas específicos, pasibles de utilizar en trabajos similares. En el período de 14 años abarcado (1999-2013), los consumos energéticos para climatización se incrementaron en el orden del 1121%, y el uso de equipos de aire acondicionado frío-calor creció en un 386%. Los ahorros energéticos edilicios factibles de obtener varían entre 20% y 60% según el nivel de inversión que se realice. Mientras que en los años 1999 y 2006 los índices de la EMECV no eran rentables, en la actualidad con el encarecimiento de los fluidos energéticos es más conveniente el panorama, con una amortización entre 8 y 14 años, calculado con una tasa anual del 2% en 25 años, y un valor de recupero del 15% de la inversión inicial. Palabras clave Rehabilitación barrial, Eficiencia termo-energética, Evaluación micro-económica Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 306 1 Introducción Argentina declaró en diciembre de 2015 estado de emergencia energética hasta fines de 2017, debido a que el sistema se encuentra al borde del colapso. Frente este preocupante panorama, el sector residencial se muestra como el más indicado para emprender políticas de eficiencia energética (Evans 2010, Czajkowski y Gomez 2011), pues por un lado, representa el 26% del consumo nacional de energía, y por otro, ha evidenciado el mayor incremento en el período 1999-2014, del orden de 59%. En la ciudad de San Juan su aumento varió entre un 25% para usuarios muy humildes y un 100% para aquellos de bajos y medios recursos. En esta ciudadoasis existen gran cantidad de barrios construidos con baja densidad edilicia, destinados a familias de nivel socio-económico medio y bajo. La característica telúrica de la zona, ha propiciado un descuido de la calidad de edificación en cuanto a las condiciones de confort higrotérmico, lo cual resulta crítico por el clima semi-árido del lugar. Ante este problema, se formulan variantes tecnológicas para mejorar el desempeño termo-energético de la envolvente (Blasco Lucas 2011) en un caso de vivienda barrial masiva representativa y se evalúa el rendimiento en cada una, asociado a su costo en la vida útil. 2 Metodología La investigación se compuso de tres instancias conformadas por varios aspectos: a) Análisis de un “Año Tipo Climático” (ATC) conformado por el promedio de 10 años, aplicando cuatro métodos para determinar las estrategias de diseño apropiadas para la región. o Elaboración del ATC: Se utilizaron las mediciones registradas durante los años 2002 a 2012 (Pontoriero y Hoesé 2013) con la estación meteorológica marca DAVIS instalada en el techo del Instituto de Energía Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de San Juan (IEE-FI- UNSJ). Los parámetros climáticos procesados fueron Temperatura, Humedad Relativa e Irradiancia Solar. Las bases de datos se conformaron en planillas electrónicas de MS-Excel programadas. o Definición de estrategias bioclimáticas: El cómputo de las necesidades temporales de climatización mediante estrategias de diseño adaptadas al clima se realizó aplicando los modelos Bruce Novell ampliado (BNA; Mesa 2002), Architectural Bioclimatic Classification (ABC; USC 2006), Método Mahony-Evans (MET-ME, Blasco Lucas 2013) y Givoni-Watson- Szockolay - Estrategias Bioclimáticas Horarias (GWS-EBH; Blasco Lucas 2013). Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 307 b) Diagnóstico y caracterización higrotérmica y energética de las viviendas, y de sus usuarios, a partir de cómputos estacionarios, mediciones, y encuestas. o Se aplican los procedimientos recomendados por la serie 11600 de IRAM (Instituto de Racionalización Argentina de Materiales), con el soporte informático elaborado “Modelo para cálculo de K y G” (KG-MOD) (Blasco Lucas 2013) en la vivienda original y en los casos mejorados. o Para la evaluación de los consumos se utilizan los registros provistos por las empresas distribuidoras de gas y electricidad, en tres años testigo (1999, 2006 y 2013). o La evaluación del monitoreo higrotérmico realizado con dataloggers tipo HOBO se hizo con el programa PROMEDI-HTL (Procesamiento de Mediciones Higrotérmicas y Lumínicas) (Blasco Lucas 2013) o El tratamiento estadístico de las encuestas de tipo demográfico y de opinión relevadas oportunamente sobre amplia muestra, permitió obtener información respecto la composición familiar, el equipamiento de la vivienda y las apreciaciones de los usuarios sobre su nivel de confort. c) Evaluación micro-económica en el ciclo de vida (EMECV) de las diferentes alternativas seleccionadas para contribuir a una mayor eficiencia termoenergética de la vivienda. o Se utiliza el método del Valor Presente (VP) (Sapag Chain 2008) también denominado de análisis de Costos en el Ciclo de Vida (CCV) (Duffy & Beckmann 1993). o Para comparar resultados se seleccionan tres Índices de Rentabilidad (IR): el Valor Actualizado Neto (VAN), la Tasa Interna de Retorno (TIR) y el Tiempo de Retorno o Recuperación de la Inversión (TR), dado que los tres en conjunto brindan una clara información para tomar decisiones bien fundadas. La interpretación de los resultados está sujeta a las condiciones de entorno y a las políticas que se derivan de ellas. 3 Año Tipo Climático y Definición de Estrategias Bioclimáticas Del ATC horario se obtienen días tipo mensuales, que se representan en gráficas lineales (Figs. 1 y 2) y de superficies (Fig. 3), en sus valores estadísticos mensuales medios, máximos y mínimos, como también los calculados en base a ellos, tales como las amplitudes de temperatura y humedad relativa, y las horas diarias de asoleamiento. Tres de los cuatro modelos utilizados para la definición de las estrategias bioclimáticas en base a los datos del ATC permiten obtener resultados cuali-cuantitativos en distintos niveles de desagregación, y uno solo cualitativos. El desglose de las estrategias es menor en BNA y mayor en MET-ME que es un buen complemento de los otros modelos, pues realiza recomendaciones edilicias y constructivas. En la Fig. 4 y la Tabla 1 se sintetizan los resultados obtenidos Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 308 ordenados de mayor a menor para cada método. Todos coinciden en las necesidades con cierto margen de diferencia en los valores. Fig. 1 Gráfica lineal de Temperaturas medias en días tipo mensuales del ATC Fig. 2 Gráfica lineal de Humedad Relativa media en días tipo mensuales del ATC Fig. 3 Gráfica de superficie de Irradiancia media en días tipo mensuales del ATC 0 10 20 30 40 50 60 70 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Humedad Relativa (%) Hora (h) Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre 0 5 10 15 20 25 30 35 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Temperatura (°C) Hora (h) Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Hora Oficial (h) 0-150 150-300 300-450 450-600 600-750 750-900 900-1050 0 8 16 24 32 40 48 56 E B C A H I G C A D B J E A D E B ABC GWS-EBH BNA Fig. 4 Validez anual de estrategias bioclimáticas según tres métodos, en base al ATC Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 309 Tabla 1 Síntesis de Estrategias Bioclimáticas según cuatro Modelos Modelo Código % Anual - Aspecto Estrategias ABC E 37.1 Confort térmico B 26.3 Calefacción solar C 14.4 Inercia térmica (Calefacción) A 10.8 Calefacción artificial H 3.8 Inercia térmica (Refrescamiento) I 3.8 Refrescamiento evaporativo G 3.8 Ventilación nocturna GWS-EBH C 29.9 Inercia térmica (calefacción) + ganancias internas A 22.2 Confort térmico + Sombra D 21.2 Inercia térmica (Calefacción) + ganancias internas + solar pasiva B 11.5 Confort térmico ampliado + sombra J 10.4 Inercia térmica (Enfriamiento) + enfriamiento evaporativo + ventilación selectiva E 4.9 Inercia térmica (Calefacción) + ganancias internas + solar pasiva + solar activa BNA A 52.0 Calefacción D 51.0 Sombra E 33.0 Confort B 15.0 Refrescamiento evaporativo MET-ME A Tipología Organización cerrada con patio interior, y edificio compacto B Muros, techos y pisos Pesados en el exterior y en el interior, con transmisión térmica diferida más de 8 horas C Ventanas 10% a 20% de superficie de muros, con protección sola, ubicadas al Norte y al Sur, a la altura del cuerpo y a barlovento para favorecer ventilación cruzada D Entorno Refrescamiento evaporativo Los colores destacan: verde el confort, rosa la calefacción y celeste el refrescamiento. 4 Diagnóstico Higrotérmico-Energético El caso seleccionado para realizar el estudio es el barrio Teniente General Pedro Eugenio Aramburu (Ar). Construido entre 1983 y 1985, dista 5 Km del centro en el suburbio Noroeste de la ciudad de San Juan, Argentina (Blasco Lucas 2011) Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 310 (Fig. 5). Las coordenadas terrestres de la ciudad son: Latitud -31° 32´; Longitud - 68° 71´, y ASNM 620 m. Ar está compuesto por 103 bloques edilicios con 226 departamentos y 383 viviendas individuales de 2, 3 y 4 dormitorios (Fig. 6). Se acota el análisis a la tipología aislada de 3 dormitorios, por ser la más numerosa (Fig. 7). Fig. 5 Zonas Bioambientales de Argentina según Norma IRAM 11603 (2012) con ubicación geográfica de la Provincia y la ciudad de San Juan (Izq.), y del barrio Ar en la misma (Der.) Fig. 6 Planimetría del Barrio Ar (Izq.). Vistas (Der.) de vivienda colectiva (Sup.) e individual (Inf.) N Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 311 La distribución de las viviendas en Ar es una “tira” contínua de edificación en la manzana, pues son apareadas y no dejan espacios libres laterales, pero cuentan con 3m de retiro en el frente, y un espacio semi-cubierto amplio en el ingreso. La tipología se implanta con su fachada orientada indistintamente hacia cualquier cuadrante, estando el 56% casi en partes iguales en dirección N-S y S-N, que son las óptimas para favorecer la ventilación cruzada, según se concluyó en el análisis bioclimático. La superficie cubierta es de 71.18m2 y el volumen de 170.83m3, con 0.75 m-1 de Factor de Forma, 19 % de Coeficiente de Fenestración, y 20.5% de volumen relativo de masa térmica (Blasco Lucas 2011). Fig. 7 Vistas, planta y fachada de las viviendas apareadas de tres dormitorios En la Tabla 2 se resume la Transmitancia Térmica K de los componentes constructivos y su desviación de los valores admisibles según la Norma IRAM 11605 (2002) para una calidad media de edificación (B) en la Zona Bioambiental IIIa donde se ubica el barrio (Fig. 5). Los K de los muros superan entre 22% y 133% los umbrales estipulados. Tabla 2 Transmitancia Térmica K de componentes y diferencias con los admisibles estipulados por la Norma IRAM 11605 (2002) para verano y para invierno COMPONENTE o MATERIAL Trasmitancia Térmica K Diferencia K Verano Diferencia K Invierno [W/m2°C] [W/m2°C] [%] [W/m2°C] [%] Muro Bloque 2.33 -1.08 -86 -1.33 -133 Muro Lindero 1.93 -0.68 -54 -0.93 -93 Techo 0.65 -0.14 -29 0.18 22 Piso 0.40 0.05 11 0.43 51 Puertas Madera 2.29 -1.04 -83 -1.29 -129 CASA 1 CASA 2 Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 312 Vidrio 5.75 -4.50 -360 -4.75 -475 Chapa Metálica 5.88 -4.63 -371 -4.88 -488 Los muros exteriores son de bloques huecos de hormigón de 19cm de espesor revocados en ambas caras, la cubierta está compuesta por 10cm de hormigón armado y 8cm de granulado volcánico, y las carpinterías son de chapa doblada de baja calidad y vidrio simple. El K total de la envolvente es de 1.69W/m2 °C. El Coeficiente Volumétrico Global de calefacción Gcal es de 2.87W/m3 °C, y el de refrigeración Gref es 40.83W/m3, y superan respectivamente en 69% y 54% los umbrales establecidos por las Normas IRAM 11604 (2001) y 11659-2 (2007). El cálculo de la carga térmica total anual resulta en total 21.36 MWh correspondiendo 14.99 MWh a calefacción (Qcal) y 6.98 MWh a refrigeración (Qref) (Fig. 8), para temperaturas de confort de 20°C en invierno y 24°C en verano, con 1000h de necesidad de refrescamiento (42 días). Sin embargo, los cómputos realizados en base a mediciones reales indican consumos menores en 76% y 82% respectivamente, sin alcanzar tales condiciones de confort, las cuales fueron relevadas mediante encuestas y contrastadas con el monitoreo térmico. Aplicando el procedimiento elaborado en Blasco Lucas et al. (2012) sobre los tres años testigo analizados se estima que mientras en 1999 el 81% de las viviendas carecían de equipos de aire acondicionado (AA), en 2013 el 83% poseían artefactos de AA con consumo normal e intenso, lo cual se tradujo en la demanda eléctrica, alcanzando incrementos de 1121% entre 1999 y 2013, y de 242% entre 2006 y 2013. El consumo de gas, mayormente utilizado para calefacción, tuvo un aumento de 30% entre 2013 y 1999, aunque descendió un 13% entre 2006 y 2013. En base al diagnóstico obtenido, en la Tabla 3 se proponen medidas constructivas sencillas de mejoras, que responden a algunas de las estrategias bioclimáticas antes detalladas (López Asiaín 2002). Las de validez anual aportan a la conservación energética mediante la incorporación de aislaciones térmicas y sellado de infiltraciones, mientras que las apropiadas solo para verano, proveen sombra, refrescamiento evaporativo, y ventilación cruzada selectiva mediante ductos en las viviendas orientadas hacia el Este o el Oeste, que representan el 44% del total. 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 Qcal [MWh] Qref [MWh] Qref adm [MWh] Masa Térmica [%] Fenestración [%] Gcal [W/m3°C] Gcal adm [W/m3°C] Gref [W/m3°C] Gref adm [W/m3] Fig. 8 Índices morfológicodimensionales y térmicos de calefacción y refrigeración Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 313 De este modo se conforman en total siete posibilidades, las cuales se combinan para dar lugar a ocho alternativas, cuatro de orientación al Norte y cuatro al Este, que se identifican con letras. A fin de facilitar el cómputo métrico se dibujan los detalles de cada variante, como lo representan las Figs. 9 y 10, para el caso F. Se realiza el cálculo térmico-energético de cada alternativa y se determina el porcentaje de ahorro posible comparado a la vivienda original. Estos valores relativos que varían entre 33% y 56% (Tabla 4) se aplican sobre los consumos reales incrementados en un 30% para gas y un 200% para electricidad, atendiendo parcialmente la tendencia creciente descrita en párrafos anteriores, y se multiplican por los costos unitarios de cada fluido energético. Tabla 3 Alternativas constructivas por Estrategia Bioclimática y orientación de la vivienda Orientación Vivienda Alternativa Conservación: Aislación Térmica Ventilación Sombras 1 2 3 4 5 6 7 Techo Muros Aberturas (Burletes) Ventanas (Persianas) Tubos Pérgolas Vegetación NS A X X X B X X X X C X X X X D X X X X EO E X X X X F X X X X X G X X X X X H X X X X X B B PATIO PATIO JARDÍN JARDÍN C1: Cocina C2: Comedor D1, D2, D3: Dormitorios L1: Lavadero V1,Vn: Ventana N S O Burletes Pérgola 2 310 Arbusto caduco Tubo inyector Tubo extractor E CASA 1 CASA 2 GALERÍA GALERÍA