El Sol en el laboratorio*

Autores: Jorge Rojas y Juan Tonda
07/10/2021

Desde 2018 se puso en operación el Laboratorio de Edificaciones Sustentables (LES) del Instituto de Energías Renovables (IER) de la UNAM que permite analizar cómo es el desempeño térmico de la envolvente de diferentes sistemas constructivos de manera artificial, emulando las condiciones del clima de cualquier ciudad en México, mediante un sistema de aire acondicionado para las temperaturas y de lámparas especiales para la radiación solar. Las lámparas, que se compraron a la empresa holandesa Eternal Sun (véase figura 1), son un equipo costoso y se adquirió gracias a que se pusieron de acuerdo los coordinadores de tres proyectos: los doctores Jorge Rojas y Guadalupe Huelsz, en la parte de diseño bioclimático, el doctor Roberto Best, para analizar calentadores solares, y el doctor Aarón Sánchez, para el análisis de paneles fotovoltaicos. Todos ellos, como parte de tres proyectos del Centro Mexicano de Innovación en Energía Solar (CeMIE-Sol) que coordinó el doctor Antonio del Río. Aquí nos dedicaremos exclusivamente a la parte del diseño bioclimático.

El diseño bioclimático de edificaciones es una disciplina que se encarga de diseñar de acuerdo a las condiciones climáticas de un lugar para que la vivienda o edificación que se habiten o en la que trabajen las personas se encuentren en condiciones térmica y lumínicamente confortables; es decir, con una temperatura agradable y buena iluminación.

Para lograrlo intervienen varias variables como la orientación de la edificación, los materiales con los que están hechos los muros, techos y pisos o entrepisos, el color con el que está pintada la envolvente, la trayectoria aparente del Sol, la magnitud y dirección del viento del lugar, la vegetación que posea alrededor de la edificación, los toldos, sombrillas o parasoles de ésta, entre otros.

En México predomina el clima cálido donde frecuentemente se emplean el aire acondicionado pero también hay lugares fríos donde se usa la calefacción para tener una temperatura confortable. Sin embargo, su uso conlleva un gran consumo de energía, en particular, energía eléctrica. Así que, si diseñamos una vivienda o edificación donde se logre tener de forma natural confort térmico y lumínico, tendremos grandes ahorros en la cuenta de electricidad. Para lograr confort térmico se requiere conocer cómo es la transferencia de calor en la envolvente en una edificación y para ello se tiene que resolver una ecuación diferencial parcial que es función del tiempo y del espacio, para una dimensión, que se puede aplicar a sistemas constructivos homogéneos de tres o más capas, como son los muros de tabique rojo con un aplanado interior y exterior. Los doctores Guadalupe Huelsz, Guillermo Barrios y Jorge Rojas desarrollaron un software que puede calcular en unos cuantos segundos cómo es la transferencia de calor unidimensional, dependiente del tiempo en los diferentes muros y techos de la envolvente de las edificaciones y se llama Ener-Habitat 1.0. Sin embargo, para materiales con huecos de aire se tiene que considerar la transferencia de calor por convección y radiación, además de la conducción, al menos en dos dimensiones. Así que se perfeccionó el software y ahora se tiene Ener-Habitat 2.0 que cuando se tienen muros o techos con materiales huecos como parte del sistema constructivo, los cálculos para conocer la transferencia de calor por conducción, convección y radiación pueden requerir más de 24 horas.

Sin embargo, faltaba una parte muy importante y era ver experimentalmente si los cálculos que proporciona Ener-Habitat se comprueban en un laboratorio que puede reproducir las condiciones reales.

Fue así como nació el Laboratorio de Edificaciones Sustentables (LES) que cuenta con varios componentes:

   1) Cámara climática donde se inyecta aire a una temperatura que varía con el tiempo, emulando lo que ocurre con el aire exterior de una edificación.

   2) Cámara habitable que representa el interior de la edificación.

   3) Guarda térmica; es un espacio que rodea la habitación por el techo, el piso y las paredes, exceptuando la pared del sistema constructivo que se desea analizar, que está en contacto con la cámara climática.

   4) Sistema para la inyección de aire a la cámara climática y otro para la guarda térmica.

   5) Sistemas de control y sistemas de medición (véase figura 2).

Todo el equipo cuenta con una patente otorgada en 2018. Se puede analizar, por ejemplo, un muro de 2X2 m2.

Así con el Laboratorio de Edificaciones Sustentables del Instituto de Energías Renovables de la UNAM se pretende ofrecer a los arquitectos y constructores un análisis muy completo sobre cómo es la transferencia de calor en los sistemas constructivos de cada uno de los muros de la envolvente de una edificación. Y de esta manera se puede escoger el sistema constructivo adecuado a las condiciones climáticas del lugar, y así evitar dentro de lo posible el uso de sistemas de climatización y en caso de requerirlos que consuman la menor cantidad de energía eléctrica para mantener una temperatura de confort al interior de la habitación. Esperamos que muchas constructoras lo utilicen.

*El presente texto forma parte del artículo: “El Sol en el laboratorio. El Laboratorio de Edificaciones Sustentables”, de Jorge Rojas Menéndez y Juan Tonda Mazón, próximo a publicarse.

Figura 1. Vista panorámica del Laboratorio de Edificaciones Sustentables (LES) con el simulador solar a la izquierda y la cabina a la derecha (Foto: Jorge Rojas).

ista panorámica del Laboratorio de Edificaciones Sustentables


Figura 2. Laboratorio de Edificaciones Sustentables. Arriba en forma esquemática a la izquierda simulador solar y a la derecha la cabina de pruebas donde se ve la cámara climática y el sistema constructivo para ser analizado. Abajo izquierda el simulador solar y la cabina de pruebas y a la derecha la cabina de pruebas. (Fotos y diagramas: Jorge Rojas).

Laboratorio de Edificaciones Sustentables

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