El estudio consistió en evaluar el impacto potencial de los sistemas constructivos PetroBloc y Estrutec en el desempeño ambiental y energético de una vivienda de interés social en la ciudad de Chihuahua. Se desarrolló en dos fases principales:

a) Cálculo de las propiedades térmicas de los sistemas constructivos, mediante simulaciones de transferencia de calor en dos dimensiones con el programa Therm.

b) Evaluación del desempeño ambiental y energético de una vivienda con los productos constructivos PetroBloc y Estrutec, mediante el programa DesignBuilder.

RESULTADOS MAS IMPORTANTES:
Los resultados obtenidos nos permiten establecer que el uso de los productos constructivos analizados ofrece una reducción cercana al 43% en los consumos energéticos totales (calefacción y refrigeración) respecto a los de una vivienda con los sistemas constructivos más comunes en Chihuahua.

Cálculo de las propiedades térmicas de PetroBloc y Estrutec

Actualmente los programas de simulación de edificios como EnergyPlus y DesignBuilder solo permiten definir la composición de los cerramientos mediante capas homogéneas de materiales. Esto significa que las capas en las que se combinan dos o más materiales deben representarse como un solo material con propiedades térmicas “equivalentes”. Estas propiedades equivalentes deberían producir, de la manera más ajustada posible, el mismo efecto que los materiales reales.

PetroBloc y Estrutec son productos de poliestireno expandido diseñados para facilitar la construcción de muros y losas de concreto con un buen nivel de aislamiento. La configuración geométrica de ambos productos hace que tanto en los muros como en las losas haya una capa intermedia en la que se alternan el poliestireno expandido y el concreto reforzado, formando este último una retícula estructural. La primera parte del análisis consistió en establecer la densidad, el calor específico y la conductividad equivalentes de esa capa. Los dos primeros parámetros se calcularon de manera simplificada, de acuerdo con los siguientes criterios:

a) La densidad equivalente se calculó como un promedio ponderado de las densidades del concreto reforzado y el poliestireno expandido, empleando el volumen de cada material como factor de ponderación. El valor obtenido para la capa intermedia de PetroBloc fue de 808 Kg/m³, mientras que para la de Estrutec fue de 675 kg/m³.

b) El calor específico equivalente se calculó como un promedio ponderado de los valores respectivos para el concreto reforzado y el poliestireno expandido, empleando el peso de cada material como factor de ponderación. El valor obtenido para la capa intermedia de PetroBloc fue de 1008 J/Kg-K, mientras que para la de Estrutec fue de 1011 J/kg-K.

La conductividad equivalente, por otro lado, se calculó con ayuda del programa Therm, un software especializado en el análisis de transferencia de calor en dos dimensiones. El procedimiento general consistió en modelar la capa intermedia de los sistemas, en la cual se alternan el poliestireno y el concreto, considerando tanto la configuración geométrica como la conductividad de cada material. A continuación se calculó su transmitancia térmica global (Valor U) de la capa y se dedujo la resistencia térmica global (valor inverso de la transmitancia). A la resistencia térmica global se le restaron las resistencias superficiales exterior e interior y el espesor de la capa se dividió por el valor resultante para determinar la conductividad equivalente. Los valores de conductividad calculados para las capas intermedias de PetroBloc y Estrutec fueron de 0.661 y 0.162 W/m-K, respectivamente.

Las Figuras 1 y 2 muestran los modelos bidimensionales empleados en el programa Therm para determinar las propiedades térmicas de PetroBloc y Estrutec, incluyendo la configuración geométrica (1) y los resultados de flujo de calor (2) y de distribución de temperaturas internas (3). Cabe señalar que en la definición de la configuración geométrica de las capas intermedias se llevó a cabo un proceso de compensación para considerar las franjas de concreto en una sola dirección (lo cual suele ser una limitante de programas como Therm).

Figura 1. Modelado de la capa intermedia de PetroBloc con el programa Therm.

Figura 2. Modelado de la capa intermedia de Estrutec con el programa Therm.

Una vez obtenidos los valores de densidad, calor específico y conductividad de las capas mixtas intermedias, fue posible modelar los cerramientos con PetroBloc y Estrutec en DesignBuilder. Las Tablas 1 y 2 muestran todas las capas de materiales de dichos cerramientos, así como sus correspondientes propiedades térmicas.

Tabla 1. Definición del muro exterior con PetroBloc.

Tabla 2. Definición de la cubierta plana con Estrutec.

Evaluación del desempeño energético de una vivienda

En esta fase se desarrolló una serie de simulaciones paramétricas con el programa DesignBuilder, con el objeto de evaluar el potencial desempeño energético y ambiental de una vivienda construida con los sistemas PetroBloc y Estrutec. Para ello se consideró, de acuerdo con los requerimientos del cliente, el modelo de una vivienda de interés social común en la ciudad de Chihuahua, la cual tiene una única planta y una superficie aproximada de 60 m² (ver Figura 3).

Figura 3. Modelo de la vivienda típica considerada en el análisis.

En las simulaciones paramétricas se evaluaron 5 soluciones constructivas, en las cuales los únicos cerramientos que varían son los muros exteriores y la cubierta. La Opción 01 representa un sistema constructivo sin aislamiento, muy empleado en Chihuahua aun hoy en día. Las Opciones 02 a la 04 representan sistemas constructivos mejorados en términos de aislamiento, mientras que la Opción 05 corresponde es la que incluye los muros PetroBloc y la losa Estrutec:

Opción 01. Muros exteriores de bloque de concreto de 15 cm, sin aislamiento. Cubierta de losa de concreto aligerada de 13 cm, con casetón de poliestireno expandido de 50 x 50 x 8 cm y capa de compresión de 5 cm, sin aislamiento.

Opción 02. Muros exteriores de bloque de concreto de 15 cm, con aislamiento mediante una capa externa de poliestireno expandido de 2.5 cm. Cubierta de losa de concreto aligerada de 13 cm, con casetón de poliestireno expandido de 50 x 50 x 8 cm y capa de compresión de 5 cm, con aislamiento mediante una capa externa de poliestireno expandido de 2.5 cm.

Opción 03. Muros exteriores de bloque de concreto de 15 cm, con aislamiento mediante una capa externa de poliestireno expandido de 7.5 cm. Cubierta de losa de concreto aligerada de 13 cm, con casetón de poliestireno expandido de 50 x 50 x 8 cm y capa de compresión de 5 cm, con aislamiento mediante una capa externa de poliestireno expandido de 2.5 cm.

Opción 04. Muro exterior de hormigón celular de 15 cm. Cubierta de losa de concreto aligerada de 13 cm, con casetón de poliestireno expandido de 50 x 50 x 8 cm y capa de compresión de 5 cm, con aislamiento mediante una capa externa de poliestireno expandido de 2.5 cm.

Opción 05. Muro de PetroBloc de 15 cm. Cubierta de losa Estrutec con capa de compresión de 5 cm.

La Tabla 3 muestra los valores de resistencia (valor R), transmitancia (valor U) y capacidad térmica de los cerramientos empleados en los modelos de simulación. Además de los muros y cubiertas, se incluyen los muros interiores y los suelos sobre terreno, que son iguales en todas las opciones.

Tabla 3. Características térmicas de los cerramientos en las diferentes opciones.

Resultados

La Figura 4 muestra los resultados de las simulaciones en modo mecánico, es decir, considerando el uso de sistemas de climatización. El indicador para comparar el desempeño de las diferentes opciones es el consumo energético teórico asociado a la calefacción y la refrigeración (kWh/m²-año). Estos consumos son los que se requerirían para mantener unas estrictas condiciones de confort en cada espacio de la vivienda, siempre que esté ocupado, asumiendo unos coeficientes de desempeño de 0.9 y 2.5 para los sistemas de calefacción y refrigeración, respectivamente.

Figura 4. Comparación de consumos energéticos.

Los resultados indican que los ahorros energéticos son siempre mayores en la calefacción que en la refrigeración. Esto es así debido a que aumentar el aislamiento de los cerramientos exteriores contribuye sobre todo a disminuir las pérdidas de calor durante los periodos fríos.

Por otro lado, la opción con muros PetroBloc y losa Estrutec ofrece los mejores resultados, al menos en el caso de vivienda típica que se ha analizado en este estudio. Los consumos energéticos con esta opción son incluso ligeramente menores a los calculados con el sistema de bloque de concreto con aislamiento exterior de 7.5 cm (Opción 03).

Nota: Es importante tener en cuenta que para otro tipo de edificios, como los de oficinas, donde prevalecen las cargas internas y los requerimientos de refrigeración, los resultados pueden ser bastante diferentes a los indicados aquí. En ese sentido, se recomienda desarrollar estudios específicos.

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