Sistemas pasivos para solucionar un problema añejo: ventilar y calentar edificaciones


Presentan sistema que combina un muro Trombe con una chimenea solar



Ciencias físicas

Según datos de la Secretaría de Energía (SENER, 2013), el consumo de energía en edificaciones en México representa casi una quinta parte de la demanda total nacional.

Lo relevante es que, gracias al desarrollo de nuevas tecnologías, este sector es uno de los que tiene mayor área de oportunidad para reducir el consumo energético a mediano plazo, de acuerdo con la Agencia Internacional de Energía.

Sin embargo, para fomentar la adopción de estas tecnologías, nuestro país no cuenta con instrumentos de regulación suficientes y actualizados, y el grueso de la población desconoce que se pueden utilizar procesos pasivos para reducir las ganancias de calor en edificios y racionalizar el uso de energía en los sistemas mecánicos de climatización, así como mejorar los materiales de construcción, desarrollos que han surgido a la par de la llamada arquitectura bioclimática.

Para entender el peso específico que tiene el subsector vivienda en el Balance Nacional de Energía, el Centro Mario Molina publicó los datos de la SENER donde se aprecia que el principal usuario final de la energía en México es el sector transporte (46%), seguido del industrial (33%), edificios (18%) y agropecuario (3%).

Considerando solo edificios, la UNAM (2010) divide en tres el consumo: el subsector vivienda, con 83% del total, el comercial, 14%, y el público, con solo 3%.

Por ello, el Conacyt lanzó en 2018 una convocatoria para atender problemas nacionales. En ella, la doctora Ivett Zavala Guillén, investigadora del grupo de Energías Renovables del CICESE, propuso desarrollar un “Módulo para evaluación de sistemas pasivos de ventilación y calefacción con propósitos de ahorro de energía en edificaciones”, cuya primera fase terminó en 2020.

“Lo que hicimos fue utilizar un sistema pasivo de doble propósito para atender el problema de calefacción y de ventilación. Implementamos una tecnología llamada muro Trombe, y le acoplamos otra componente llamada chimenea solar”, explicó la doctora Zavala.

El muro Trombe, agregó, es un sistema compuesto por un muro absorbedor que puede ser de concreto, piedra, incluso de agua o aceite. Ese muro debe tener la característica de absorber y almacenar gran cantidad de energía. Por eso se utilizan materiales un poco pesados en cuanto a masa térmica. Generalmente están pintados de negro, y la idea de esto es que esa pared de almacenamiento se cubra con una pared de vidrio (dejando un espacio de 15 centímetros, en el caso específico de Ensenada) para formar un canal.

“Cuando estamos en el hemisferio norte, la pared orientada al sur es la que recibe mayor cantidad de horas de sol. Vamos a asumir que yo tengo paredes de bloque; lo que puedo hacer es utilizar esa pared y perforar dos conductos, uno abajo y otro arriba, y posteriormente colocar un vidrio. El vidrio tiene la función de generar el efecto invernadero que mucho hemos escuchado. Es decir, permite que ingrese radiación solar de forma directa debido a sus propiedades ópticas, pero evita pérdidas de calor del muro hacia el ambiente exterior.

“La radicación solar que incide y que se transmite a través del vidrio es almacenada en el muro. En el invierno o bajo condiciones de climas fríos, esa cantidad de energía se transfiere al aire del canal y lo calienta. Al calentarlo, tiende a subir o a flotar, y regresa a la habitación a través de la apertura superior con una temperatura mayor (ver figura 1). De tal manera que al final tenemos un ciclo en donde, al ingresar aire caliente a la habitación, el aire frío también tiende a moverse al canal por la apertura inferior, generando así un ciclo convectivo. Así es como el muro Trombe calienta el interior del edificio durante el invierno”.

¿Cuánto tiempo se va a calentar una habitación? El tiempo que va a durar este calentamiento en ausencia de la radiación solar va a depender del material que tenga la pared absorbedora. Como ya se explicó, comúnmente se hacen de concreto, piedra y últimamente se han hecho de materiales más especializados, como materiales de cambio de fase, que pueden absorber mayor cantidad de energía, almacenarla y disiparla durante la noche.

¿Y en verano?

El sistema que propone Ivett Zavala busca inducir la ventilación natural en las edificaciones, principalmente en localidades donde la temperatura del aire no es extremadamente caliente, con máximas en verano alrededor de 30 o 32 °C (grados Celsius). Similar a lo que tenemos en Ensenada últimamente.

Para ello aprovecha la misma estructura del muro Trombe, solo que cierra las infiltraciones en la parte superior del muro, y se acopla una chimenea solar en la parte superior del canal (ver figura 2). La radiación solar incide en la misma placa absorbedora, lo que calienta el aire contenido en el canal. Ese aire caliente tiende a subir, succionando así el aire contenido en el canal y como las ventilas superiores del muro están cerradas, el flujo sube por toda la chimenea y sale al exterior, generando un flujo que permite la ventilación del edificio.

Para probar el sistema propuesto construyó dos módulos de madera: en uno adaptó el muro Trombe y la chimenea solar, utilizando vidrio, pintura negra y, en general, materiales económicos y fáciles de conseguir (ver figura 3 y 4). Como necesitaba medir la temperatura exterior e interior en cada pared, utilizó termopilas y termopares de alta precisión en todas las paredes. Para monitorear el flujo de aire tanto en el canal de la chimenea como en el interior del módulo, utilizó anemómetros de hilo caliente, que miden la velocidad del aire.

El otro módulo solo lo usó de referencia, por lo que ni siquiera se pintó pared alguna.

Figura 3. Prototipo para la evaluación térmica del sistema Muro Trombe - Chimenea Solar

Figura 4. Chimenea solar instrumentada

Ambos se probaron bajo condiciones de invierno y de verano en Ensenada. “No tengo manera de saber si un sistema va a funcionar correctamente si no lo probamos en las condiciones climáticas del lugar, porque dependiendo de la radiación, de la velocidad del viento, de la humedad y temperatura del ambiente, es el comportamiento del sistema pasivo”.

Descartó que pudiera utilizarse en una ciudad como Mexicali, donde se tienen temperaturas de más de 45 °C en verano: si ventilas con aire a esa temperatura tendrías que pre-acondicionarlo, de lo contrario estarías metiendo aire así de caliente al interior. En invierno, aquí no tenemos un frío extremo y no fue necesario usar un vidrio especial para el módulo, pero sí en ciudades que tienen inviernos más crudos.

Sobre los resultados, remarcó que el principal objetivo en verano fue ventilar, no mejorar la temperatura. “Si el aire que estoy ingresando tiene una temperatura adecuada, entonces va a bajar en el interior. Son dos cosas que van de la mano. En Ensenada, aunque la radiación solar sea alta, la temperatura del aire generalmente no es tan elevada. Además, cuando se presentan rachas fuertes de viento, mejora la succión de la chimenea y mejor funciona el sistema”.

Recordó que el principal problema de las casas habitación en verano es la alta radiación solar. La temperatura exterior puede estar cercano a 30 °C, pero por pocas horas al día. El asunto es que las casas absorben radiación durante toda la mañana y después del mediodía. “Cuando las personas regresan del trabajo en la tarde, ese calor se ha disipado hacia el interior, y eso es lo que percibimos. Pero si ventilamos, ese aire caliente que está contenido dentro de la vivienda se estará removiendo”.

Con este mecanismo, construido con materiales fáciles de conseguir y muy económicos, logró evitar que la temperatura interior fuera mayor que la exterior, igualando ambas.

- Entonces, si el costo de los materiales no es elevado, ¿cuáles son las principales limitantes para que la gente use este tipo de sistemas?

“El desconocimiento. La falta de divulgación a la sociedad. Muchas personas ni siquiera ubican cuál es la parte más soleada de sus casas o que para evitar la absorción en paredes y disipación del calor hacia el interior lo único que necesitan es un toldo para cubrir. Lo primero que piensan es que necesitan aire acondicionado”.

El prototipo que construyó para el proyecto, el cual sigue ahí, en el exterior del edificio de Física Aplicada del CICESE, permitió caracterizar la fachada solamente. Lo que sigue es conocer cómo se comportará una casa habitación que, además de la fachada, tiene ventanas, puertas, gente que entra y sale a diferentes horarios, probablemente tenga un segundo piso. De esta manera se podría conocer qué tan eficiente puede llegar a ser en una vivienda común, es decir, determinar la temperatura que podría alcanzar tanto en verano como en invierno, así como extrapolar la información para otros climas.

Pero en principio, indicó, “en estas investigaciones es importante caracterizar cómo se comporta la fachada porque determinando sus parámetros característicos se puede utilizar esta información para validar el código numérico que modela el comportamiento térmico del sistema. En materia de edificaciones estas son nuestra primera herramienta, porque no podemos hacer experimentos in situ en distintos edificios ni podemos ir a distintos climas”.

Además, estos sistemas no excluyen que las familias utilicen otros métodos pasivos para reducir las ganancias de calor en verano y mejorar las condiciones térmicas en invierno, como el aislamiento de techos y paredes, el uso de ventanas dobles, parasoles y vegetación, entre otros.

“Por sí solo, ningún sistema que trabaje con energía alterna logra subsanar el problema. Es la suma de sistemas lo que permite mejorar las condiciones al interior de la vivienda y disminuir el consumo de energía. El punto es que cada edificio constituye un problema diferente”.

- ¿Cómo consideras la adopción de la arquitectura bioclimática en las construcciones de Baja California y en el resto del país?

“Comparado con hace 9 o 10 años en que empecé a estudiar arquitectura bioclimática, ahora tenemos mayor difusión. Si has observado, en ese tiempo tú no sabías que una ventana de vidrio doble era mejor que una de vidrio normal. Ahora conocemos más sobre el uso de este tipo de ventanas, el uso de vidrios selectivos, techos verdes, los impermeabilizantes blancos llamados cool roof. Hace años no los teníamos y no había tanta difusión, ahora llegas a Comex y el proveedor ya te los está ofreciendo. No somos un mercado maduro ni estamos implementando lo que ya deberíamos en cuanto a arquitectura bioclimática, pero estamos en vías de desarrollo”.

- El gobierno de Baja California está por publicar el Programa Estatal de Vivienda que, por lo que se ve, no considera el uso de estas tecnologías alternas…

“En sexenios anteriores se impulsaron diferentes iniciativas y normas. Por ejemplo, la Comisión Nacional de Vivienda (Conavi) otorgaba cierto apoyo para quien utilizara paneles solares u otras tecnologías más conocidas, no necesariamente modificaciones en una vivienda. También impulsó que tuviéramos normas para aislamiento en México, para el uso de impermeabilizantes blancos, o en cuanto a cantidad de ventanas de acuerdo al clima, o un incentivo para el uso de techos verdes solamente en la Ciudad de México. En este sexenio no tenemos ningún incentivo o norma y al parecer se han dejado de lado”.

- Y las normas que existen, ¿se aplican?

“Eso es el problema, que generalmente no hay regulación en México. Tal vez en algunas ciudades las aplican y en otras no. También tenemos mucha autoconstrucción, pero eso viene del problema de la carencia de recursos, porque no le puedes exigir a alguien que gana un salario mínimo en una maquiladora, que se apegue a la norma ya que construyen con lo que tienen de acuerdo a su presupuesto. Lo que le vende el constructor, por así decir, es una jaulita con los materiales más baratos, diseñada como le conviene al que la vende, no a conveniencia de la persona que la construirá y habitará. Entonces no hay una regulación bien establecida”.

El trabajo que desarrolló Ivett Zavala para este proyecto fue en colaboración con investigadores de la Universidad de Sonora, del Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico y de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco; también participaron tres estudiantes de licenciatura y un técnico. “Nos interesa, como grupo, tener conocimiento de la mayor cantidad de climas en México. Participamos en una red con gente de Cuernavaca, Puebla, Campeche, Quintana Roo, Tabasco, Yucatán, Sonora y aquí de Ensenada. Probablemente el sistema sirva para un clima como el nuestro, donde no tenemos temperaturas extremas en invierno ni en verano, pero adicionando otro sistema como un intercambiador tierra-aire para pre acondicionar la temperatura del aire, tal vez sirva en el sur del país. Por eso es bueno que participen personas de diferentes instituciones distribuidas a lo largo de México”, concluyó.

 

Palabras clave: Arquitectura bioclimática, calefacción, ventilación, muro Trombe, chimenea solar, Ivett Zavala

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