Centro de Investigación en Materiales Avanzados,...

Centro de Invest igación en Materia les Avanzados , S .C.

M i g u e l d e C e r v a n t e s 1 2 0 C o m p l e j o I n d u s t r i a l C h i h u a h u a 3 1 1 0 9 C h i h u a h u a , C h i h . M é x i c o

( 6 1 4 ) 4 3 9 - 1 1 4 8 F A X ( 6 1 4 ) 4 3 9 - 4 8 8 4

ARGUMENTOS TÉCNICOS PARA SOLICITAR LA

REVISIÓN DE LA NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-020-ENER-2011

Preparada para:

Asociación Nacional de Fabricantes de Pinturas y Tintas A.C. (ANAFAPYT)

Gabriel Mancera 309 Col. Del Valle, Del Benito Juárez, 03100 México, D.F.

Tel. (55) 5682-7794 [email protected]

Preparada por:

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Departamento de Energía Renovable y Protección del Medio Ambiente

Chihuahua, Chih. Noviembre de 2011

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez ii

CONTENIDO

Introducción ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

ANTECEDENTES .......................................................................................................................................... 1

PARÁMETROS DEFINIDOS EN LA NOM-020-ENER-2011 .............................................................................. 1

Flujo de calor de referencia ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Método de cálculo de la Temperatura Equivalente ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Determinación de la Temperatura Equivalente en la NOM-020 ... . . . . . . . . 11

Concordancia de Te teórica con Te NOM-020 ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Implicaciones ocultas en la NOM-020 ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Temperaturas ambientales promedio en México ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Reflectividad solar de materiales para recubrimiento de techos de viviendas ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Temperaturas equivalentes considerando la absortancia solar superficial .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Resistencia térmica requerida en techos para cumpli r con los flujos de calor fijados por la NOM-020 ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

DEFINICIONES Y ECUACIONES TOMADAS DE LA NORMA ............................................................................... 20

Espesor de aislamiento térmico requerido ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Comparación de costos ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Referencias Bibliográficas ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Flujo de calor de referencia e irradiación solar para las capitales de los estados (NOM-020-ENER-2011) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Figura 2. Concordancia temperatura equivalente norma y teórica, con absortancia de 0.9 ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Figura 3. Concordancia temperatura equivalente norma y teórica, con absortancia de 0.6 ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Figura 4. Temperatura promedio e irradiación solar en capitales de estados ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Figura 5. Absortancia de diversos recubrimien tos comerciales vs. valor NOM-020-ENER-2011 ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Figura 6. Temperaturas equivalentes a diferentes absortancias, y ambientales promedio SMN .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Figura 7. Gradiente de temperatura en techos a diferentes absortancias 19

Figura 8. Espesor de aislamiento requerido en Hermosillo, Son. ... . . . . . . . . . 23

Figura 9. Espesor de aislamiento requerido en Monterrey, N.L. .. . . . . . . . . . . . 24

Figura 10. Espesor de aislamiento requerido en México, D.F. .. . . . . . . . . . . . . . 25

Figura 11. Comparación de espesores de aislamiento requeridos con absortancias de 0.9, 0.4 y 0.2. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Figura 12. Costo del aislamiento requerido para diferentes absortancias 27

Figura 11. Costo total requerido para diferentes absortancias ... . . . . . . . . . . . . 28

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez iv

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Temperatura media mensual en capitales de estados. Servicio Meteorológico Nacional .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Tabla 2. Resistencia térmica de la losa considerada ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez 1

INTRODUCCIÓN

El objetivo primordial de los edificios para vivienda es proteger a sus ocupantes de los peligros exteriores y de las inclemencias del tiempo. Para mantener condiciones de confort es necesario, en muchos casos, el uso de aparatos de climatización. Para reducir el consumo de energía de los mismos, es necesario minimizar el flujo de calor a través de la envolvente del edificio. México es un país predominantemente cálido y de inviernos moderados, por lo cual el control de las ganancias de calor en verano es de primordial importancia para lograr tal fin.

ANTECEDENTES

Atendiendo a dicha problemática, la CONUEE publico el martes 9 de agosto de 2011, en el Diario Oficial, la: NORMA Oficial Mexicana NOM-020-ENER-2011, Eficiencia energética en edificaciones.- Envolvente de edificios para uso habitacional.

La norma tiene por objetivo y campo de aplicación:

Para lograr lo anterior, la norma determina la eficiencia energética del edificio proyectado calculando la ganancia de calor a través de su envolvente, y comparándola contra la ganancia de calor que tendría un edificio “de referencia”. El flujo de calor en el edificio proyectado debe ser menor o igual al flujo de calor que tendría el edificio de referencia, para cumplir con la norma.

PARÁMETROS DEFINIDOS EN LA NOM-020-ENER-2011

El siguiente cuadro muestra algunas partes de la NOM-020-ENER-2011 que son pertinentes al propósito de éste escrito:


FLUJO DE CALOR DE REFERENCIA

Para el cálculo del flujo de calor de referencia la norma considera que existen 2 tipos de flujo de calor al interior de las edificaciones, calor conductivo a través de las porciones opacas de la envolvente y calor radiante a través de las porciones translucidas de la misma, como ventanas y tragaluces. Los flujos de calor conductivos a través de las componentes opacas de la envolvente del edificio de referencia se calculan de mediante las ecuaciones mostradas en la sección 7.1.2.

Para el caso del techo de la vivienda se tiene que para cualquier ciudad del país todos los términos de la ecuación, a excepción del área del techo, están ya determinados en la Tabla 1 de la norma. Por ello, los flujos de calor de referencia están también determinados implícitamente en la norma, y en la siguiente Gráfica se muestra los valores resultantes para las capitales de los estados y el D.F. (junto con los valores de irradiación solar que también se dan en la Tabla 1 de la norma)

Figura 1. Flujo de calor de referencia e irradiación solar para las capitales (NOM-020-ENER-2011)

De la figura se observa que los flujos de calor, en techos, máximos permitidos por la norma para las capitales de los estados, son en general diferentes para cada ciudad. Los valores obtenidos van desde 6.36 hasta 11.9 W/m2. La norma no explica por qué diferentes ciudades pueden, o deben, soportar diferentes flujos de calor a través de sus techos.

Se observa también que solo existen 4 diferentes niveles de insolación en todas las ciudades mostradas, según la norma.


Para el cálculo de los flujos de calor de referencia, la norma especifica los valores del coeficiente global de transferencia de calor del techo, K, la temperatura interior de la vivienda, t, y el valor de la temperatura equivalente, Te. Todos dados en la Tabla 1 de la norma.


MÉTODO DE CÁLCULO DE LA TEMPERATURA EQUIVALENTE

La temperatura equivalente es una temperatura ficticia que se usa para simplificar el cálculo el flujo de calor promedio, usando la ecuación de flujo de calor instantáneo.

Para superficies opacas, la temperatura equivalente es un promedio de las temperaturas sol-aire superficiales debidas a la temperatura ambiente e irradiación solar durante la temporada en que se requiere enfriamiento.

El manual de Fundamentos, de la ASHRAE, en su capítulo 18, explica el concepto de temperatura Sol-Aire de la siguiente forma:


En lo anterior, la ecuación (29) muestra como calcular la densidad de flujo de calor, o flux (W/m2), convectiva en la superficie exterior expuesta al sol de la envolvente, en términos de la temperatura sol-aire instantánea y la temperatura de la superficie exterior de la envolvente. La norma extiende este concepto, incluyendo la resistencia térmica de la envolvente y el coeficiente convectivo interior de la vivienda, para poder utilizar la temperatura interior en vez de la temperatura superficial de la envolvente, como se muestra en las secciones 7.1.1.1 y 7.1.2.1 de la norma.


Como lo explica ASHRAE, para llevar a cabo el cálculo de la temperatura sol-aire se requiere información detallada y continua de temperatura ambiente e irradiación solar, así como conocer la absortancia de la superficie expuesta al sol. Con ello se determinan los valores instantáneos de sol-aire a lo largo del día, y se puede llegar a tener un valor representativo que permita utilizar la ecuación (29).


DETERMINACIÓN DE LA TEMPERATURA EQUIVALENTE EN LA NOM-020

La NOM-020-ENER-2011 no explica cómo se llevó a cabo la determinación de las temperaturas equivalentes, presentadas en la Tabla 1 de la misma. Sin embargo se tiene el antecedente que dicha norma se desarrolló siguiendo la misma metodología utilizada para la elaboración de la NOM-008-ENER-2001 (Huang, et al., 1998), donde se explica lo siguiente:

Según Huang et el. (1998), debido a que en México no existía una disponibilidad suficiente de datos históricos de irradiación solar para todas las ciudades de país, se calculó la carga de enfriamiento total para los meses de abril a octubre (temporada de enfriamiento típica en México), utilizando el paquete DOE-2 y los datos de diseño bio-climático de 4 ciudades del país: Ciudad de México, Monterrey, Mexicali y Mérida.

Con los valores de flujo de calor total para las ciudades mencionadas, se derivaron las temperaturas equivalentes para cada componente de la envolvente dividiendo el flujo de calor entre el área, conductancia térmica y las horas normales de operación del sistema de enfriamiento:

Una vez obtenidas las temperaturas equivalentes para estas 4 ciudades, se compararon contra las temperaturas medias y máximas mensuales de los datos históricos climatológicos disponibles y se encontró la mejor correlación con la temperatura media mensual de bulbo seco.

Se realizó una regresión para obtener los parámetros de ecuación para los diferentes elementos de la envolvente, y se extrapolaron las temperaturas equivalentes para 65 ciudades usando las temperaturas históricas mensuales de bulbo seco obtenidas del servicio meteorológico nacional.


CONCORDANCIA DE Te TEÓRICA CON Te NOM-020

Las temperaturas sol-aire y las cargas de enfriamiento, se determinan considerando una cierta absortancia y emisividad superficial. Diferentes recubrimientos que exhiben diferentes valores de absortancia solar, resultan en diferentes valores de cargas de enfriamiento. Consecuentemente, las temperaturas equivalentes derivadas de ello deberían de ser diferentes. El hecho que la temperatura equivalente anotada en la Tabla 1 de la norma sea un valor único, implica que solo se consideró un valor único de absortancia solar para su derivación.

Debido a lo anterior, en éste trabajo se calcularon las temperaturas sol-aire promedio, con la ecuación sugerida por la ASHRAE. Para ello se utilizaron los valores de temperatura de bulbo seco

promedio mensual (to), obtenidas de la página web del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) para las capitales de los estados (Tabla 1 y Figura 4). Se utilizaron también los valores de irradiación solar (Et) anotados en la misma NOM-020-ENER-2011, y mostrados en la Figura 4. Se consideró que el

coeficiente de transferencia de calor exterior (ho) tendría el valor de 13 W/m2 K, como lo indica la misma norma. Para determinar el efecto del enfriamiento infrarrojo debido a la emisividad de las superficies, se tomó la indicación de la ASHRAE, que considera un valor de 4°C de enfriamiento para superficies horizontales. Con todo esto, la única variable faltante en la ecuación es la absortancia solar

().

La absortancia solar puede variar desde 0.14 hasta 0.95, según el material y el color utilizados como recubrimientos, ver Figura 5 más adelante.

Para estimar el valor de absortancia solar que resultaría de los datos de temperatura equivalente

dados en la norma, se procedió a calcular los valores de te a diferentes valores de absortancia, y a comparar las temperaturas obtenidas contra las temperaturas equivalentes especificadas en la norma.

Se encontró que la mejor correlación entre los valores teóricos y los de la norma se obtiene

cuando se toma un valor de absortancia solar de = 0.9, que es precisamente el valor convenido por ASHRAE para superficies oscuras. La Figura 2 muestra la concordancia mencionada en forma gráfica, en la cual se aprecia que la mayoría de las ciudades se ajustan bastante bien. A modo de comparación, la Figura 3 muestra los resultados obtenidos al considerar una absortancia solar de

= 0.6. De lo anterior se demuestra que la NOM-020-ENER-2011 considera que la absortancia solar

es de = 0.9, que corresponde a tener colores muy obscuros, casi negro ( = 0.95), para el cálculo de los flujos de calor de referencia.


Figura 2. Concordancia temperatura equivalente norma y teórica, con absortancia de 0.9

Figura 3. Concordancia temperatura equivalente norma y teórica, con absortancia de 0.6


IMPLICACIONES OCULTAS EN LA NOM-020

La NOM-020-ENER-2011, calcula el flujo de calor de referencia considerando que tanto los techos como los muros de los edificios son negros, absortancia 0.9, lo que es probablemente adecuado, puesto que así se determina el flujo de calor alcanzable bajo las peores condiciones posibles, que resultan de tener superficies de colores muy obscuros y por lo mismo con una alta absortancia solar. Sin embargo en el cálculo de los flujos de calor del edificio proyectado (edificio real a construirse), la norma exige que se utilicen LAS MISMAS TEMPERATURAS EQUIVALENTES para el cálculo del flujo de calor. Dicha exigencia equivale a considerar que el edificio proyectado estará pintado de negro, o casi, y obligará a los usuarios a tener que agregar aislamiento térmico para protegerse de los flujos de calor que de esa forma se generarían.

En la actualidad existe un gran número de recubrimientos, impermeabilizantes, pinturas y sistemas de tejado, que presentan valores de absortancias solares sustancialmente inferiores al valor de 0.9 que considera la norma.

Se considera, por lo tanto, que la norma cumple su cometido al prever la posibilidad de que una vivienda tenga superficies con muy alta absortancia solar, y para ello establezca un flujo de calor de referencia (flujo máximo permitido), obligando al usuario a contar con un valor de conductancia térmica en muros y techos adecuado para prevenir que dicho flujo de calor máximo se alcance. Sin embargo, basándose en los mismos principios técnicos y científicos bajo los cuales se desarrolló la norma, es igualmente conocido el hecho de que el flujo de calor a través de la envolvente no solo es función de la conductancia térmica, sino también es función de la absortancia de las superficies exteriores expuestas al sol. Una envolvente dotada de baja absortancia solar en sus superficies exteriores requiere un menor valor de resistencia térmica en sus elementos constructivos para permitir el mismo flujo de calor.

El diseñador de una vivienda debería de poder elegir el método más práctico o económico para que la envolvente de su vivienda cumpla con los requerimientos de flujo de calor máximo establecidos por la norma. Así como la elección del tipo de aislamiento térmico a utilizarse en una vivienda determina el espesor necesario para tener un cierto flujo de calor bajo un diferencial de temperaturas dado, la elección del tipo de recubrimiento a utilizarse en la envolvente también determina la magnitud del flujo de calor de origen solar que se generará.

El efecto de la absortancia solar de las superficies se puede incorporar fácilmente en la metodología establecida por la norma. Para ello basta con adoptar la metodología establecida por la ASHRAE para el cálculo de la temperatura equivalente, que se utilizaría en el cálculo del flujo de calor del edificio proyectado, y que considera el valor de absortancia solar de las superficies.

Para lo anterior se requiere considerar lo siguiente.


TEMPERATURAS AMBIENTALES PROMEDIO EN MÉXICO

El Servicio Meteorológico Nacional tiene publicado en su página web los valores de las temperaturas medias mensuales de las ciudades capitales de los estados del país.

Para los cálculos llevados a cabo en éste estudio se tomaron los valores máximos anuales presentados por cada ciudad, debido a que dichos valores ocurren en diferente mes para las diferentes ciudades. La última columna de la derecha de la Tabla 1, muestra los valores considerados.

Tabla 1. Temperatura media mensual en capitales de estados. Servicio Meteorológico Nacional

En la Figura 4 se muestran gráficamente dichos valores de temperatura, junto con los valores de irradiación solar que especifica la norma para las mismas ciudades. En la figura es posible apreciar que la NOM-020-ENER-2011 considera solo 4 diferentes valores de irradiación solar para cualquier ciudad. Adicionalmente se puede apreciar que no existe concordancia entre los valores de irradiación y las temperaturas promedio mensuales reportadas por el SMN. Esto se puede deber a la altitud sobre el nivel de mar de las ciudades, o a la simplificación de considerar irradiaciones fijas.


Figura 4. Temperatura promedio e irradiación solar en capitales de estados


REFLECTIVIDAD SOLAR DE MATERIALES PARA RECUBRIMIENTO DE TECHOS DE VIVIENDAS

Existen recubrimientos para techo con muy diversos valores de absortancia solar, que van desde 0.14 para un impermeabilizante acrílico celular nuevo, hasta 0.9 para un impermeabilizante asfaltico negro. A los materiales que tienen una absortancia menor a 0.45 y una emitancia mayor a 0.8 se les califica como Cool Roofs. Existen diversos laboratorios en EU y próximamente en México que pueden medir la absortancia solar y emitancia térmica de los recubrimientos de forma fácil y económica. De hecho muchos de los recubrimientos considerados reflectivos ya cuentan con dicha medición y la han certificado ante ONNCCE mediante dictámenes de idoneidad técnica. (DIT).

En la Figura 5 se muestra gráficamente la distribución de valores de absortancia solar que puede encontrarse en diferentes tipos de recubrimiento para techos. Se observa también que la norma considera que todos los recubrimientos tienen un valor de absortancia de 0.9.

Figura 5. Absortancia de diversos recubrimientos comerciales vs. valor NOM-020-ENER-2011


TEMPERATURAS EQUIVALENTES CONSIDERANDO LA ABSORTANCIA SOLAR SUPERFICIAL

Usando los diferentes valores de absortancia de los recubrimientos para techo, se pueden calcular temperaturas equivalentes nuevas, usando los mismos valores de irradiación solar que los usados en la NOM-020, y las temperatura ambientales reportadas por el SMN. Como se puede observar en la Figura 8, las temperaturas equivalentes así calculadas se reducen dramáticamente conforme se reduce la absortancia solar, en algunos casos llegando a ser menores que las temperaturas interiores (Tint) presentadasen la norma.

Figura 6. Temperaturas equivalentes a diferentes absortancias, y ambientales promedio SMN

En la gráfica se observa que la elevada reflectividad solar (reducida absortancia solar) de los recubrimientos acrílicos celulares, aún envejecidos (α = 0.2), sumada al efecto de enfriamiento pasivo producido por su emisividad, reduce la temperatura equivalente hasta casi el mismo valor que la temperatura ambiental exterior de la vivienda. Ello significa que prácticamente se cancela el efecto de la radiación solar, y el flujo de calor se debe solo al efecto convectivo provocado por la diferencia de temperaturas entre el aire exterior y el interior de la vivienda.

Lo anterior es muy importante, ya que en muchas ciudades del país la temperatura ambiental exterior promedio es inclusive inferior que la temperatura interior de confort, anotada en la NOM-020, lo que tiene como consecuencia que en dichos casos la baja absortancia solar del techo


provoque flujos de calor negativos. Esto es, que en lugar de tener ganancias de calor se tengan pérdidas, que contribuyen a disminuir la carga de enfriamiento que de otra forma tendría que afrontar el equipo de acondicionamiento climático de la vivienda.

Lo anterior se aprecia claramente cuando se calculan los gradientes de temperatura que provocan los flujos de calor, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Gradiente de temperatura en techos a diferentes absortancias

En la figura se observa que la baja absortancia de los recubrimientos no solo reduce los valores positivos del gradiente, sino inclusive lo vuelven negativo en muchas ciudades. Un gradiente negativo provoca un flujo de calor desde el interior de la vivienda hacia el exterior, bajo condiciones climáticas de asoleamiento, reduciendo el costo de operación de los equipos de climatización. Éste efecto ha sido medido experimentalmente y está reportado en la literatura (Lucero-Álvarez et al., 2011)

Los recubrimientos con baja absortancia solar no solo reducen las ganancias de calor en verano (efecto similar al del aislamiento térmico conductivo), sino que en muchas ciudades provocan enfriamiento pasivo en las viviendas durante los periodos de asoleamiento, éste efecto no ocurre con el uso de aislamiento térmico conductivo que incluso evita que llegue a ocurrir.


RESISTENCIA TÉRMICA REQUERIDA EN TECHOS PARA CUMPLIR CON LOS FLUJOS DE CALOR FIJADOS POR LA NOM-020

El objetivo de la norma NOM-020-ENER-2011 es garantizar que los flujos de calor que se generen en las viviendas situadas en las diferentes ciudades de México no sobrepasen los valores máximos implícitos en los datos anotados en la Tabla 1 de la misma norma. Dichos valores se obtienen mediante la siguiente ecuación:

Con ésta ecuación y utilizando los valores de K, te y t anotados en la Tabla 1 de la norma, para cada ciudad, se obtienen los valores que se muestran en la Figura 1.

Al tomar en cuenta el efecto de la absortancia solar de los recubrimientos para techos, los valores de la temperatura equivalente cambiarán en función de dicha variable, reduciéndose en magnitud. Consecuentemente el valor de K requerido para obtener el mismo flujo de calor deberá de aumentar. El aumento en K (coeficiente global de transferencia de calor conductivo), significa simultáneamente una reducción en la resistencia térmica del techo, que es su inversa (ver extracto de ecuaciones de la norma en párrafos siguientes).

Tomando los flujos de calor de referencia (que resultan de la norma), las temperaturas interiores del edificio (dadas en la norma), y las temperaturas equivalentes calculadas en éste trabajo para las diferentes ciudades capitales de estados, para las diferentes absortancias consideradas, se pueden recalcular los valores de K (y M) necesarios para obtener dicho flujo de calor a las diferentes absortancias.

DEFINICIONES Y ECUACIONES TOMADAS DE LA NORMA


Una vez obtenidos los valores necesarios de resistencia térmica en los techos, se procedió a calcular el espesor del aislamiento térmico que se requería considerar, considerando que el techo mismo presenta un cierto valor de resistencia térmica, que se suma a la resistencia térmica del aislante.


ESPESOR DE AISLAMIENTO TÉRMICO REQUERIDO

Con los valores de resistencia térmica, y los valores de conductividad térmica del material aislante (placa de poliestireno expandido EPS para este estudio) se pueden calcular los espesores de aislamiento necesarios para alcanzar los valores de K de la norma, así como los espesores necesarios para tener el flujo de calor de referencia cuando se usan diferentes absortancias.

El aislamiento y los recubrimientos van instalados sobre el techo, el cual por sí mismo presenta una cierta resistencia térmica. En éste trabajo se consideró un techo con las siguientes características constructivas y de resistencia térmica:

Tabla 2. Resistencia térmica de la losa considerada

Con todo lo anterior se procedió a calcular el espesor de aislamiento térmico que resultaría necesario instalar sobre los techos de viviendas situadas en las diferentes capitales estatales.

Con los espesores de aislamiento térmico presentados a continuación se garantiza que los flujos de calor resultantes corresponden a los derivados de la norma.

Al tomar en cuenta los valores de la absortancia solar de los recubrimientos, los espesores de aislamiento disminuyen apreciablemente, como se puede observar en las siguientes tres figuras, que muestran los resultados obtenidos para las ciudades de Hermosillo, Son., Monterrey, N.L. y México, D.F.. Los resultados obtenidos para las demás ciudades capitales se encuentran en el anexo de éste trabajo.


Figura 8. Espesor de aislamiento requerido en Hermosillo, Son.

Como se puede observar en la Figura 8, para las condiciones ambientales de Hermosillo la norma obliga a que se instalen 2.25” de aislamiento térmico (EPS en éste trabajo), independientemente de las características superficiales del recubrimiento utilizado. Se observa también que de instalarse un recubrimiento con una absortancia solar de 0.2 (proporcionada por ejemplo por un impermeabilizante acrílico celular, ya envejecido), solo se requiere instalar ½” de aislamiento térmico para obtener el mismo flujo de calor.


Figura 9. Espesor de aislamiento requerido en Monterrey, N.L.

En la Figura 9 se observa que para el caso de monterrey no se requiere la instalación de aislamiento térmico adicional, el recubrimiento acrílico celular por si solo proporciona el mismo efecto que las casi 1.9” de aislamiento que pide la norma para éste caso.


Figura 10. Espesor de aislamiento requerido en México, D.F.

Para el caso de la ciudad de México, D.F., Figura 10, se observa que no se requiere instalar aislamiento adicional si la absortancia solar del recubrimiento es igual o menor a 0.4. La norma exige para éste caso la instalación de 0.9” de EPS (o su equivalente en otro tipo de aislamiento).

En la Figura 10 se muestran los espesores de aislamiento requeridos para todas las capitales estatales, comparando lo requerido por la norma contra lo requerido si se utilizan recubrimientos con absortancias de 0.4 (por ejemplo un acrílico normal ya envejecido), y de 0.2 (acrílico celular envejecido).

La grafica muestra que la norma exige la instalación de aislamiento térmico en las 32 capitales analizadas, con espesores que van de poco menos de 1” hasta 2.25”.

De instalarse recubrimientos con absortancia de 0.4, solo en 13 ciudades se requeriría la instalación de aislamiento térmico adicional, y en espesores mucho menores.

De instalarse recubrimientos con absortancia solar de 0.2, solo sería necesario instalar aislamiento térmico adicional en 5 ciudades, y en espesores menores a ½“.


Figura 11. Comparación de espesores de aislamiento requeridos con absortancias de 0.9, 0.4 y 0.2.


COMPARACIÓN DE COSTOS

La Figura 11 muestra los costos incurridos para suministrar el aislamiento requerido en las ciudades analizadas.

Figura 12. Costo del aislamiento requerido para diferentes absortancias

Debe considerarse que adicional al costo de adquisición del aislamiento se requiere adquirir otros insumos para su instalación y protección, y mano de obra para todo ello. La Figura 12 muestra el comparativo de costos que incluye los conceptos anteriores para cada ciudad analizada. En ello se considera que el EPS tiene un costo de 45 $/m2 por pulgada de espesor, y requiere 25 $/m2 por concepto de materiales requeridos en su instalación, así como otros 20 $/m2 por mano de obra.

Para el caso de los recubrimientos impermeabilizantes se consideraron los siguientes costos:

Recordando que también sobre el aislamiento térmico se requiere aplicar un impermeabilizante, habiéndose considerado en éste caso la aplicación de un acrílico normal obscuro.


La Figura 12 muestra que de considerarse la absortancia solar de los recubrimientos se obtendrían ahorros substanciales en los costos de construcción de techos para viviendas, sin afectar los valores de flujo de calor que la norma exige que se respeten.

Figura 13. Costo total requerido para diferentes absortancias

Adicional a lo anterior se debe mencionar que la utilización de recubrimientos altamente reflectivos, además de reducir los costos de construcción de los techos, proporciona en muchos casos una reducción en los costos de operación de los equipos de acondicionamiento climático, como se mencionó en párrafos anteriores, debido a que permite el enfriamiento pasivo. Dicho ahorro no está cuantificado en éste estudio, pero debe considerarse que es un ahorro en gastos de operación, que ocurrirá durante la vida útil de la vivienda, a diferencia de los costos de adquisición que solo se tienen inicialmente. Considerando que los equipos de acondicionamiento climático consumen energía eléctrica, al requerirse menos acondicionamiento climático no solo el usuario de la vivienda se ahorrará el costo de la energía eléctrica no consumida, sino que también se contribuye efectivamente a disminuir la emisión de gases de invernadero, que ambos son temas de interés nacional


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASHRAE Fundamentals Handbook. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. Atlanta, GA. USA. 1993

Huang, J.; Warner, J.L.; Wiel, S.; Rivas, A. y de Buen, O.

A comercial building energy standard for Mexico. Summer Study on Energy Efficiency in Buildings. ACEEE 1998

Lucero-Álvarez, J.; Martín-Domínguez, I.R.; Rubín-Zacarías, F.; Ledezma-Gallegos, A. y Alarcón-Herrera, M.T.

Experimental comparison of heat flow through concrete roofing flagstones with different coatings. Memorias del ISES Solar World Congress. Kassel, Alemania. Agosto 28 – Septiembre 2, 2011

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