ANALISIS Y SIMULACION DE LA DEMANDA ENERGETICA DE CALEFACCION EN VIVIENDA TIPO CON SOLUCIONES DE ENVOLVENTE ESTRUCTURADAS EN PINO RADIATA DE ARAUCO DISTRIBUCION S.A. Consultora: Mandante:
Bustamante y Encinas. Asesorías en Sustentabilidad Ltda. Arauco Distribución S.A.
INFORME DE RESULTADOS Análisis y simulación de la demanda energética de calefacción en una vivienda tipo con soluciones de envolvente estructuradas en MSD y AraucoPly de Arauco.
1.
INTRODUCCION
El presente informe, solicitado por Arauco Distribución S.A., tiene por objetivo el establecer las demandas de energía de calefacción generadas por una vivienda tipo, utilizando soluciones de envolvente estructuradas en madera. La vivienda estructurada en madera, será supuesta con diferentes espesores de aislante térmico en la cavidad del muro envolvente y se compara con el comportamiento térmico de una vivienda con idéntica arquitectura pero con un muro perimetral de albañilería que cumple con el valor máximo de transmitancia térmica exigido por la Reglamentación Térmica de Viviendas vigente, para las ciudades consideradas en este estudio, las cuales son: Santiago, Concepción, Temuco y Puerto Montt. El comportamiento térmico de la vivienda se realizó a través de simulaciones con TAS 1, software en régimen dinámico que considera datos horarios de las variables que definen el clima de un lugar. Para cada uno de los casos considerados se determinó la demanda de energía de calefacción.
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2.
SIMULACIONES DE COMPORTAMIENTO TERMICO
2.1.
La vivienda.
La figura siguiente muestra la vivienda tal como ha sido modelada en el software TAS.:
Figura 1: “Planta de primer piso vivienda tipo”
Figura 1: Vista general de la vivienda.
A continuación se muestran las plantas de primer y de segundo piso:
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N
Figura 2.- Planta de primer (izquierda) y segundo piso (derecha).
La superficie total de la vivienda alcanza 89.1 m2. Las superficies de cada recinto de la vivienda se exponen en las tablas siguientes. Tabla 1: “Superficie recintos en primer piso vivienda tipo” Recinto
2
Superficie (m )
Living - comedor
22.9
Cocina
5.9
Hall 1º piso
6.9
Closet 1º piso
0.9
Baño 1º piso
3.8
Dormitorio 1º piso
11.8
Caja escaleras 1º piso
3.8
Total
56.0
3
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Tabla 2: “Superficie recintos en segundo piso vivienda prototipo” Recinto
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Superficie (m )
Baño 2º piso
4.4
Dormitorio 2º piso A
9.8
Dormitorio 2º piso B
7.1
Closet 2º piso A
0.7
Closet 2º piso B
0.7
Hall 2º piso
6.6
Caja escaleras 2º piso
3.8
Total
33.1
2.2. La envolvente de la vivienda 2.2.1 Envolvente en muros base de albañilería de ladrillo La envolvente de la vivienda base, con la cual se comparará el comportamiento térmico de la vivienda al suponer envolvente estructurada en madera es la siguiente para cada una de las ciudades consideradas en el estudio. 2.2.1.1.
Santiago (Zona 3)
Muros:
Albañilería de ladrillos de 290x140x94mm. Transmitancia térmica 1,9W/m2ºC.
Cielo:
Aislante térmico de poliestireno expandido 10kg/m3 de 80mm de espesor, sobre listoneado de cielo de 2x2, el cual será revestido de plancha de yeso cartón de 10mm de espesor. Transmitancia térmica 0,45W/m2ºC.
Ventanas:
Vidrio claro simple de 4mm, con marco de aluminio. Transmitancia térmica 5,80W/m2ºC.
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2.2.1.2.
Concepción (Zona 4)
Muros:
Albañilería de ladrillo de 290x140x113mm. Transmitancia térmica 1,7W/m2ºC.
Cielo:
Aislante térmico de poliestireno expandido 10kg/m3 de 100mm, sobre listoneado de cielo de 2x2, el cual será revestido de plancha de yeso cartón de 10mm de espesor. Transmitancia térmica 0,37W/m2ºC.
Ventanas:
Vidrio claro simple de 4mm, con marco de aluminio. Transmitancia térmica 5,80W/m2ºC.
2.2.1.3.
Temuco (Zona 5)
Muros:
Albañilería de ladrillo de 290x175x940mm. Transmitancia térmica 1,6W/m2ºC.
Cielo:
Aislante térmico de poliestireno expandido 10kg/m3 de 120mm, sobre listoneado de cielo de 2x2, el cual será revestido de plancha de yeso cartón de 10mm de espesor. Transmitancia térmica 0,32W/m2ºC.
Ventanas:
Vidrio claro simple de 4mm, con marco de aluminio. Transmitancia térmica 5,80W/m2ºC.
2.2.1.4
Puerto Montt (Zona 6)
Muros:
Albañilería de ladrillo de 290x154x113mm, con estuco térmico de 34mm por ambas caras. Transmitancia térmica 1,1 W/m2ºC.
Cielo:
Aislante térmico de poliestireno expandido 10kg/m3 de 140mm, sobre listoneado de cielo de 2x2, el cual será revestido de plancha de yeso cartón de 10mm de espesor. Transmitancia térmica 0,28W/m2ºC.
Ventanas:
Vidrio claro simple de 4mm, con marco de aluminio. Transmitancia térmica 5,80W/m2ºC.
Nota: Cabe señalar que en el caso de muros divisorios del interior se consideró en todos los casos panel estructurado en madera (MSD Cepilado de 2x3) con yeso carón de 10mm por ambos lados. Ello tanto en las viviendas de envolvente de albañilería de ladrillos como en el caso de envolvente estructurada en madera.
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2.2.2.
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Envolvente en sistemas estructurados con MSD y AraucoPly de Arauco
Las situaciones simuladas en su envolvente con los sistemas de muros estructurados en MSD y AraucoPly de Arauco. poseen idénticas características en cielo y ventanas que las enunciadas anteriormente para el caso de viviendas de albañilería de ladrillos. La especificación técnica del muro estructurado con productos de Arauco se detalla a continuación: Muro perimetral de 2,4m de alto x 2,4m de ancho, estructurado en madera MSD Cepillado de Arauco 2x3 ó 2x4 (cualquiera de las dos dimensiones pueden ser utilizadas para obtener el comportamiento térmico presentado en el estudio) , con pies derechos cada 40,5cm medidos a eje, cadeneta a eje en el punto medio de la altura del tabique, solera superior e inferior. Esta estructura de madera está forrada por su cara exterior con una placa arriostrante terciada AraucoPly de 9,5mm y densidad seca de 480kg/m3, que cumple una función netamente estructural, por lo que debe ser revestida exteriormente para dar la terminación final, quedando a elección del proyectista y/o calculista el material a utilizar para este fin. La cara en contacto con el espacio interior está forrada con yeso cartón estándar de 10mm de espesor y densidad de 700kg/m3. Entre el yeso cartón y la estructura del muro se instala una barrera de vapor correspondiente a polietileno de 0,1mm. La configuración anterior deja espacios libres en el interior entre estructura, en estos espacios se instala aislante térmico, el cual se ubica inmediatamente después de la placa arriostrante terciada; el espacio de aire restante entre el aislante y la plancha de yeso cartón forma una cámara de aire no ventilada. El tipo de aislante térmico a instalar en la cavidad del muro estructurado con productos de Arauco. determina las 4 soluciones a analizar y comparar con los muros de albañilería de ladrillo. Estas soluciones son: Solución 1: Muro estructurado en MSD y AraucoPly con aislante interior de poliestireno expandido de 10kg/m3 de densidad y 20mm de espesor. Transmitancia térmica 1,08W/m2ºC. Solución 2: Muro estructurado en MSD y AraucoPly con aislante interior de poliestireno expandido de 10kg/m3 de densidad y 50mm de espesor. Transmitancia térmica 0,66W/m2ºC. Solución 3: Muro estructurado en MSD y AraucoPly con aislante interior de lana mineral de 40kg/m3 de densidad y 60mm de espesor. Transmitancia térmica 0,58W/m2ºC. Solución 4: Muro estructurado en MSD y AraucoPly con aislante interior de lana de vidrio en panel rígido de 18kg/m3 de densidad y 60mm de espesor. Transmitancia térmica 0,55W/m2ºC.
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Figura 3: “Corte tipo de solución constructiva 1 y 2 de muro Arauco”
Figura 4: “Corte tipo de solución constructiva 3 y 4 de Arauco” 7
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Tabla 3: “Transmitancia térmica de los sistemas considerados en el estudio” Transmitancia térmica de los sistemas constructivos considerados Solución Base
Albañilería de ladrillo
Santiago Concepción Temuco Puerto Montt
1.9 1.7 1.6 1.1
Solución 1 Estructura Madera 20mm de Poliestireno Expandido 10kg/m3 1.08
Solución 2 Estructura Madera 50mm de Poliestireno Expandido 10kg/m3 0.66
Solución 3 Estructura Madera 60mm de Lana Mineral 40kg/m3
Solución 4 Estructura Madera 60mm de Lana de Vidrio 18kg/m3
0.58
0.55
La tabla 3 muestra el valor de transmitancia térmica de cada uno de los sistemas constructivos considerados en el estudio. En el caso de las albañilerías de ladrillos, éstas cumplen exactamente con el máximo permitido por la Reglamentación Térmica de Viviendas del MINVU. Se observa que en el caso de las soluciones de envolvente estructuradas en pino radiata, las respectivas transmitancias térmicas son significativamente inferiores a lo exigido por la indicada Reglamentación. La única excepción a ello es la solución 2, con 20mm de aislante térmico que cumple casi exactamente con lo que se exige en la ciudad de Puerto Montt. 2.3.
Condiciones de operación de las viviendas
Para realizar las simulaciones a través del software TAS se ha supuesto la presencia de 4 personas en la vivienda y un total ganancias internas de aproximadamente 120 Wh/m2día. Estas ganancias se distribuyen a lo largo de las 24 horas de cada día. La temperatura de confort para todos los recintos se fijó en los siguientes valores: 24:00hrs a 07:00hrs 17ºC 08:00hrs a 23:00hrs 20ºC La renovación de aire se considera de 1.0 (1/h). Es decir, cada hora se renueva completamente el aire de la vivienda con aire exterior para mantener un ambiente limpio de contaminantes y/o con exceso de humedad.
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3.
DEMANDAS DE CALEFACCIÓN ANUALES
3.1.
Demandas de energía de calefacción para vivienda con distintos sistemas constructivos.
La vivienda prototipo fue simulada con el software Tas para cada uno de los sistemas constructivos indicados, suponiendo la vivienda en cuatro orientaciones (norte, sur, este y oeste). A continuación se presentan las demandas de calefacción anuales para la vivienda orientada al norte (ver planos de planta). Tabla 4: “Demandas de energía de calefacción para la vivienda con diferentes sistemas constructivos en la envolvente” Demandas de calefacción en vivienda prototipo (kWh/m2año)* Envolvente Ciudad Santiago Concepción Temuco Puerto Montt
Muro de albañilería de ladrillo
Muro estructurado en MSD y AraucoPly
según Reglamentación Térmica vigente
20mm PE
50mm PE
60mm LM
60mm LV
(Solución 1)
(Solución 2)
(Solución 3)
(Solución 4)
130 145 147 159
123 135 144 ---
102 111 119 141
98 106 114 135
96 104 112 133
* Las demandas de calefacción anuales fueron consideradas entre los meses abril a octubre, periodos en que se hace efectiva la calefacción en las viviendas.
Se aprecia un significativa disminución en las demandas de energía de calefacción en el caso de considerar las viviendas con muros estructurados en MSD y AraucoPly., al compararlos con idéntica vivienda con albañilería de ladrillos que cumplen con lo mínimo exigido por la Reglamentación Térmica en las distintas ciudades consideradas. Ello se explica porque la transmitancia térmica de los sistemas de muros con estructura de madera permiten fácilmente la instalación de aislante térmico en la cavidad entre el recubrimiento interior y exterior, lo que facilita la generación de sistemas constructivos de buen comportamiento térmico y que fácilmente cumplen con la Reglamentación Térmica de Viviendas vigente. La figura siguiente muestra gráficamente la indicada disminución de las demandas de energía de calefacción en viviendas con envolvente estructuradas en madera respecto de las que usan sistemas constructivos de albañilería de ladrillos. 9
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Figura 5: “Demandas de energía de calefacción en vivienda tipo con diferentes sistemas constructivos en la envolvente” Los porcentajes de disminución de la demanda de calefacción obtenidos con cada una de las soluciones estructuradas con MSD y AraucoPly, en relación con la vivienda base con muros de albañilería de ladrillos se presentan en la siguiente tabla: Tabla 5: “Disminución porcentual en demandas de energía de calefacción para la vivienda con diferentes sistemas constructivos en la envolvente”
Envolvente Ciudad
Santiago Concepción Temuco Puerto Montt
Disminución de demanda de calefacción con estructura de MSD y AraucoPly 20mm PE 50mm PE 60mm LM 60mm LV (Solución 1)
(Solución 2)
(Solución 3)
(Solución 4)
11.3% 13.6% 9.3% ---
29.2% 33.3% 29.0% 19.5%
32.5% 36.9% 32.7% 23.6%
33.9% 38.4% 34.2% 25.4%
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Se observa que en la zona central y central sur del país (incluido Temuco), las disminuciónes en las demandas de energía son superiores al 30%. Ello se traduce en que independientemente del sistema de calefacción que se utilice y del tipo de energético considerado (gas, electricidad, leña), se obtendrán estos ahorros en el consumo de energía en las viviendas para mantenerlas calefaccionadas en el período de invierno. Cabe indicar que si bien las cifras mostradas consideran las demandas de energía al suponer la vivienda orientada al norte, en los restantes casos se obtienen ahorros similares. 3.1.
Ahorro anual en calefacción
Con el propósito de apreciar el ahorro de energía anual2 en U.F por el uso de los muros estructurados en MSD y AraucoPly en comparación con la albañilería de ladrillos., se analizan diferentes opciones energéticas para la calefacción. Los precios utilizados para calcular el ahorro en calefacción dependiendo del tipo de sistema energético a utilizar, se presentan en la tabla siguiente: Tabla 6: “Precio del kWh para diferentes tipos de calefacción” Sistema de calefacción Kerosene Gas Licuado Electricidad
Precio unitario
Precio por kWh ($)
Precio por kWh (UF)
680 $/lt 1000 $/kg 115 $/kwh
68 69 115
0,003 0,003 0,006
Conociendo los precios de la tabla anterior se presentan a continuación los ahorros anuales en calefacción (medidos en UF) para cada una de las soluciones de muro Arauco:
2
Los ahorros fueron valorados considerando un rendimiento para estufas tanto a kerosene como a gas de un 95% y
un 100% de rendimiento para sistemas eléctricos. Valor de UF al 13 de septiembre del 2008 $20882,05
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El ahorro para la ciudad de Santiago llegan a valores cercanos a los 16,6 U.F. anuales para el caso de solución de muro 4 en la envolvente de la vivienda y considerando calefacción con electricidad. Se logra un ahorro aproximado de 10 U.F. al utilizar estufas a gas licuado o kerosene como medio de calefacción. En el caso de Concepción se obtiene lo siguiente:
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Al valorizar el ahorro en la ciudad de Concepción se alcanza las 18,8 U.F. anuales en el caso de utilizar la solución de muro mas eficiente térmicamente (solución 4) y considerando calefacción con electricidad. Para el caso de gas licuado y kerosenne este ahorro bordea las 12 U.F. anuales. Las estimaciones de ahorro de energía para el caso de Temuco se muestran en el siguiente gráfico:
En el caso de Temuco se obtienen valores similares a los de Santiago para la solución 4 en la envolvente, con un ahorro de 16.8 U.F. anual en el caso de la electricidad y de aproximadamente 10 UF para gas licuado y kerosenne.
Para la ciudad de Puerto Montt se obtienen los ahorros presentados en la gráfica siguiente:
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El ahorro en esta ciudad alcanza las 12.5 U.F. anuales con la solución 4, al suponer electricidad como medio de calefacción y alrededor de 7 U.F anuales en el caso de kerosenne y gas licuado. El ahorro menor en esta ciudad comparada con las otras localidades, se explica porque la solución de ladrillo considera una transmitancia térmica de 1,1 W/m2°C de modo que cumpla con la Reglamentación Térmica (para lo cual se puede suponer aislante térmico o estuco térmico de alto espesor por ambas caras).
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COMENTARIOS FINALES.
El estudio muestra claramente el mejor comportamiento térmico que se logra con el uso de sistemas constructivos estructurados en madera con aislante térmico en la cavidad entre el recubrimiento interior y exterior. El ahorro significativo en calefacción justifica plenamente el uso de estos sistemas toda vez que permiten menores consumos de calefacción que sistemas constructivos basados en albañilería que cumplen con lo mínimo exigido por la Reglamentación Térmica vigente. Si bien el estudio se centra en 4 ciudades del país, los resultados de éste pudieran extenderse a ciudades de climas similares a las consideradas, ya sea en zonas costeras como del interior del territorio. Cabe indicar que en el cálculo de transmitancia térmica de las soluciones con estructuras de madera, se ha considerado la presencia de la estructura de madera (pie derechos, cadenetas y soleras). Dado que se ha usado MSD en la estructura, material que presenta una conductividad relativamente baja (conductividad térmica λ=0,104W/m°C), su presencia no afecta mayormente al comportamiento térmico del muro. Incluso, este material no presenta mayores riesgos de condensación superficial ni intersticial como ocurre con otros materiales de alta conductividad térmica, tal como el acero. Cabe señalar que para alcanzar un buen comportamiento térmico de la vivienda estructurada en madera, el aislante térmico en la cavidad del muro debe ser cuidadosamente instalado, evitando todo tipo de espacio sin cubrir y buscando la mayor continuidad con el aislante instalado en el cielo de las viviendas. Idéntico cuidado debe tenerse con la instalación de la barrera de vapor en el interior del muro envolvente. Adicionalmente y para lograr aun un mejor comportamiento térmico de la vivienda a los observados en el estudio se pueden tener en cuenta las siguientes recomendaciones: •
•
Diseñar la vivienda lo más compacta posible, de tal manera que la superficie de envolvente sea la menor posible (acercar la forma de la vivienda a un cuadrado). El uso de viviendas pareadas o continuas disminuyen la exposición de la envolvente hacia el exterior. Orientar recintos tales como living, comedor y dormitorios preferentemente al norte, para que se vean beneficiados con la radiación solar en invierno. En la medida de lo posible dejar la mayor parte del perímetro de la vivienda hacia esta orientación.
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Usar ventanas con doble vidriado hermético, complementando de esta manera el mejoramiento térmico realizado en los muros al utilizar las soluciones constructivas con productos Arauco Utilizar protecciones solares para evitar el sobrecalentamiento en verano. Ventilar entretechos en verano, en espacial en climas con altas temperaturas en este período del año. Se evita así la ganancia solar a través de la techumbre. Ventilar la vivienda para conseguir que el aire interior se mantenga con estándares de calidad adecuados y sin exceso de humedad. Esta ventilación, en especial en invierno, debe ser controlada de modo que no sea excesiva. Es decir que no sea superior a la necesaria para mantener la calidad del aire. Evitas las infiltraciones de aire a través de rendijas de la envolvente. El ahorro en el consumo de energía de calefacción en las viviendas de madera con respecto a las de albañilería de ladrillo, se puede ser aun mayor al usar una estructura de 2x4 se considere un aislante térmico de 90 mm de espesor.
Waldo Bustamante G. Ingeniero Civil Mecánico UCh Doctor en Ciencias Aplicadas Universidad Católica de Lovaina, Bélgica.
Santiago de Chile, Octubre de 2008
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