Vigésima Edicion Agosto 2020

Grecia Díaz Muñiz. Mexicana. grecia.dmuniz@gmail.com. Facultad de Ingeniería. Universidad Autónoma de Querétaro. Cerro de las Campanas s/n, C.P. 76010, Santiago de Querétaro, Qro. México. Héctor Ortiz Monroy. Mexicano. hector.ortiz@uaq.mx Facultad de Ingeniería. Universidad Autónoma de Querétaro. Verónica Leyva-Picazo. Mexicana. veronica.leyva@uaq.mx   RESUMEN El confort higrotérmico es determinado por los parámetros ambientales: humedad y temperatura; cuando éstos se encuentran presentes en el ambiente en altos niveles se produce el denominado calor húmedo lo que provoca la inconformidad de los usuarios, algo característico en zonas de clima cálido subhúmedo. El presente artículo ofrece una visión sobre las ventajas y desventajas de diversas estrategias activas y pasivas de refrigeración, para este tipo de clima, buscando analizar ambas y proponer una como la más recomendable de utilizar tanto en espacios nuevos como en los ya existentes. Se determinó la ciudad de Poza Rica, Veracruz como caso de estudio y se analizó su tipo de clima y estrategias recomendadas para la temporada de verano, por medio del software Climate Consultant. Se propone la combinación de la VMC y la deshumidificación desecante para ventilar las viviendas sin introducir humedad al interior. Palabras clave: Confort higrotérmico, estrategias activas, estrategias pasivas, cálido subhúmedo.   ANALYSIS OF ACTIVE AND PASSIVE STRATEGIES USE IN HUMID WARM CLIMATE ABSTRACT The hygrothermal comfort is determinated by the enviromental parameters: humidity and temperature, when these parameters are present in high level in the enviroment at the same time, something commun in humid warm climate zones, the so-called humid heat is produced, cummonly known as sultriness, this sultriness affects the people´s termic comfort. There are active and passive refrigeration and deshumidification strategies that can be used to obtain/get the perfect comfort inside the spaces, but which are the more recommended, the passive or the active strategies? This document offers a visión about the both´s advantages and disventages, exposing criteria and studies done by different authors that can help to analyze both types of strategies and put foward one of them as the more recommended to use in both new and old spaces. Keywords: Hygrothermal comfort, active strategies, passive strategies, hot-humid weather.   1. INTRODUCCIÓN´ Al diseñar cualquier espacio siempre es importante considerar todos los parámetros relacionados con el diseño, desde lo estético y lo funcional hasta las necesidades fisiológicas de los usuarios, todo esto con el fin de brindar el mayor confort posible, pues es el confort el que ayuda a los espacios arquitectónicos a brindar bienestar físico y fisiológico, por todos los factores biofísicos y constructivos que incorpora (Arrieta & Maristany, 2018). El confort puede estar relacionado con diferentes parámetros de diseño, por ejemplo, con los ambientales, como la temperatura, humedad, iluminación, entre otros. Dependiendo del parámetro ambiental con el que se relacione, puede tratarse de un confort térmico, lumínico o acústico. Este artículo se centra en el confort térmico, definido por la ASHRAE (2004) como: “Aquella condición de la mente en la que se expresa satisfacción con el ambiente térmico”. El confort térmico es uno de los más importantes para este tipo de clima, específicamente el higrotérmico, que involucra los factores de temperatura y humedad, ya que el clima cálido subhúmedo se caracteriza por sus altas temperaturas diurnas y nocturnas en verano, y por su elevada humedad ambiental con precipitaciones constantes a lo largo del año, lo que causa inconformidad higrotérmica de los usuarios. El ser humano tiene la habilidad de adaptarse a las condiciones climáticas de la naturaleza y mantener su temperatura interior a 37°C gracias a mecanismos autorreguladores que generan respuestas fisiológicas para contrarrestar cualquier desequilibrio térmico, muchas veces estos no son suficientes; estos mecanismos autorreguladores son diferentes y dependerán del tipo de clima, es decir, si es un ambiente caluroso o frío, por ejemplo: En un ambiente caluroso: • Aumentará el flujo sanguíneo: la sangre actúa como el agua del radiador del coche, transporta el calor por nuestro organismo y se disipa a través de la piel al exterior. • Se activa la sudoración: si el incremento del flujo sanguíneo no es suficiente, se activa la sudoración y mediante su evaporación nuestro cuerpo se refrigera. Por cada gramo de sudor evaporado nos refrigeramos unas 600 calorías. En un ambiente frío: • Disminuye el flujo sanguíneo: para conservar más el calor interno • Temblamos para generar calor: El temblor es un mecanismo de defensa de nuestro organismo frente al frío (Universidad Politécnica de Catalunya, 2018). Como se entiende, el balance térmico depende principalmente del metabolismo, sin embargo, muchas veces estos mecanismos autorreguladores no son suficientes, sobre todo en lugares de climas cálido subhúmedo donde los niveles de temperatura y humedad son muy altos, estos niveles de humedad y temperatura ambiental afectan también el comportamiento humano, estudios como los realizados por Tsutsumi, Tanabe, Harigaya, Iguchi, & Nakamura (2007) han comprobado que una humedad neutra (40-70%) es preferible para mejorar el confort y la productividad del usuario, ya que unos niveles bajos también pueden afectarlos negativamente. La arquitectura bioclimática presenta alternativas pasivas aplicables para cualquier espacio arquitectónico, las cuales permiten mitigar la sensación de calor subhúmedo, es decir bochorno, lo lamentable es que la mayoría de esas alternativas deben aplicarse desde el inicio del diseño, ya que implementarlas en edificaciones ya construidas implicaría costosas modificaciones, que no toda la población puede permitirse. Por lo que la gran mayoría o todos estos criterios bioclimáticos son frecuentemente ignorados por razones económicas, de desconocimiento o a consecuencia de la globalización arquitectónica, donde muchas veces se diseña y construye replicando tendencias universales e ignorando el contexto natural (Bravo, 2014). De acuerdo con Godoy (2012), las soluciones a este tipo de confort se han visto influenciadas por los avances en ingeniería de refrigeración artificial en los últimos años, dejando de lado las estrategias pasivas durante el proceso de diseño, pensando que es fácil resolverlo después de construido por medios artificiales. Debido a lo anterior, se ha acrecentado el uso de sistemas activos de refrigeración, tanto de aires acondicionados como de ventiladores eléctricos que representan ya un 20% de todo el consumo mundial de electricidad, según datos de la IEA (Agencia Internacional de Energía), este aumento en el consumo de energía desemboca en un impacto económico y de huella de carbono negativo.   2. DESARROLLO 2.1 Caso de Estudio: Poza Rica, Veracruz, México Para obtener un análisis más detallado del problema de confort higrotérmico en las ciudades con climas cálido subhúmedos, se realizará un caso de estudio de la ciudad de Poza Rica, Veracruz, México. México es un país con una gran diversidad climática, al estar dividido por el Trópico de Cáncer es separado en dos zonas: una zona tropical y otra templada, esto junto con su relieve variado y la presencia de océanos, hace posible encontrar diversos tipos de clima, en él. El estado de Veracruz también presenta una gran diversidad climática en sí mismo, debido a su posición geográfica intertropical pero cerca del limite del Trópico de Cáncer, su altitud y relieve de grandes contrastes. Tiene un tipo de clima cálido subhúmedo Aw (de la clasificación Köppen), el cual comprende tres subtipos que se distribuyen a lo largo del estado, Aw0 que es más seco, Aw1 de nivel intermedio y Aw2 qué es el más húmedo (Soto, Gama, & Gómez, 2001). Poza Rica está ubicada en la zona centro del estado de Veracruz, en las coordenadas 20° 32” latitud norte y 97° 27” longitud oeste, a una altura de 50 msnm, una precipitación promedio de 1106 mm. Y su tipo de clima según la clasificación Köppen corresponde al Aw1 de acuerdo con Soto, Gama, & Gómez (2001), lo que lo establece dentro del tipo cálido subhúmedo de nivel intermedio.         De acuerdo con los datos arrojados por Climate Consultant la temperatura promedio anual de la ciudad de Poza Rica ronda entre los 24° y 27° C, sin embargo, la máxima puede alcanzar casi los 40° C. Las mayores temperaturas se registran entre los meses de abril y agosto, y un parte del mes de septiembre, lo que sería casi la mitad del año, en la cual el promedio de temperatura se encuentra fuera de la zona de confort marcada por el programa.         En cuanto a los datos de porcentaje de humedad se observa que todos los meses del año se encuentra entre el 60 y 90% de humedad relativa, sobre todo por las mañanas donde todos los meses sobre pasa el 80%, lo que la convierte ya en humedad absoluta. A pesar de que en México no existe por el momento un estándar para el confort térmico y mucho menos higrotérmico, el confort térmico ha sido ampliamente estudiado no solo en el ámbito de la arquitectura, sino también en otros campos, por lo que existen diversos estándares para lograrlo que han sido determinados por diferentes autores (Guzmán-Hernández, Franco, & Roset, 2019), como los que se muestran a continuación:       Como se observa en la tabla es Víctor Olgyay quien propuso los límites de confort térmico que mejor se adaptan al tipo de clima cálido subhúmedo, lo que lo convertiría en confort higrotérmico, pues está definido para los trópicos, y de acuerdo con este para que el usuario encuentre el ambiente confortable la temperatura debe rondar entre los 23.9° C y los 29.5 ° C, mientras que la humedad debe estar en los 20 y 75% de HR (humedad relativa). Se ingresaron los datos climáticos de la ciudad de Poza Rica, Veracruz en el diagrama psicométrico de Olgyay, y en los datos resultantes se observa como la mayor parte del año se encuentra en disconfort tanto en temporada de verano como invierno, de hecho, solo los meses de noviembre, diciembre y enero alcanzan a tener unos pocos momentos de confort climático, lo aplica únicamente para la temporada de invierno por lo que la temporada de verano es la más afectada en cuestión de confort higrotérmico. De acuerdo con Fernández (1994), cuando los niveles de humedad en el ambiente sobrepasan el 80% en un día con altos niveles de temperatura, la percepción de calor aumenta[VL1] [GDM2] , lo que afecta negativamente la sensación térmica en los espacios, y la termorregulación del cuerpo, ya que los altos niveles de humedad en el ambiente impiden la correcta evaporación de agua del cuerpo humano, dando paso al inconfortable calor húmedo, conocido coloquialmente como sensación de bochorno en temporada de verano y al frío húmedo en invierno, lo que no da paso a puntos intermedios (Guimarães Mercon, 2008). Para corroborar esta afirmación se realizó un cálculo de sensación térmica de la ciudad de Poza Rica, por medio de los índices de sensación térmica empírica Temperatura Efectiva (TE) propuestos por Missernard (1937) citado por Cervantes Pérez & Barradas Miranda (2010) los cuales se calculan con la siguiente ecuación:   TE= T – 0.4 (T-10) (1 – HR/100) [°C] Donde: T= Temperatura del aire (°C) HR= Humedad relativa del aire (%)   Se tomó un día promedio, de acuerdo con los datos de Climate Consultant la temperatura promedio es de 27°C y la humedad relativa de 80%, lo que arroja una Temperatura Efectiva de 25.64; ahora tomando un día más extremo de acuerdo con los datos anteriormente mencionados la temperatura máxima alcanzada es aproximadamente 38°C y la humedad relativa máxima es de aproximadamente 95% lo que arroja una Temperatura Efectiva de 37.44. En la Tabla 2 se muestran escalas de sensación térmica asociadas a este índice, y como podemos ver tanto el día promedio como el extremo se consideran fuera de confort térmico.         De acuerdo con los datos climáticos de la ciudad de Poza Rica obtenidos de la base de datos de Meteonorm el programa Climate Consultant nos arroja también un diagrama psicométrico donde se muestran distintas estrategias de diseño que se pueden implementar para mejorar el confort al interior de los espacios durante todo el año. Se obtiene un listado con 16 estrategias diferentes tanto activas como pasivas, siendo solo 9 las absolutamente necesarias para un confort 100% durante todo el año; estas estrategias incluyen tanto la temporada de verano como la de invierno, pero como en esta investigación solo está enfocada en la temporada de verano, se cambia la opción de todos los meses a solo los meses de mayo a septiembre, por ser los que registran las temperaturas máximas de acuerdo con la figura x reduciéndose a 5 las estrategias de diseño las necesarias para lograr el 100% de confort. A continuación, se analizan las estrategias arrojadas por el programa como el “mejor conjunto de estrategias de diseño” con sus pros y contras para todo tipo de construcciones, es decir construcciones nuevas y ya construidas.   Asoleamiento     Se recomienda la protección solar de ventanas como manera de evitar o minimizar las ganancias de calor por la radiación solar directa en la construcción. El programa arroja una serie de pautas de diseño que corresponden con las estrategias arrojadas en el diagrama psicométrico, en este caso para el asoleamiento se recomiendan: el uso de vegetación (árboles, arbustos, entre otros.) como protección del sol, específicamente en el lado oeste, también recomienda el voladizo en ventanas o sombrillas operables, la eficacia de dichas protecciones depende del ángulo de incidencia y la latitud de la ubicación, por lo que deben ser diseñadas específicamente para cada caso de edificación y su ubicación geográfica.     En algunos casos estás protecciones pueden representar un obstáculo para la correcta ventilación natural o la entrada del sol en época de invierno, por lo que si se opta por protección por vegetación lo correcto es elegir arboles de hoja caduca que protejan en verano pero permitan la entrada solar en invierno, en el caso de los volados o saledizos se debe estudiar profundamente el movimiento solar a lo largo del año para que igualmente permitan la entrada solar en invierno, mientras que en verano mantenga el interior correctamente protegido. Se considera que las sombrillas operables podrían ser la mejor opción, ya que estas además de estar diseñadas específicamente para cada edificación y ubicación geográfica pueden ser manipuladas a gusto del usuario o de manera automatizada por sensores de luz o movimiento. Ventilación natural (cruzada) Una buena ventilación natural puede ayudar a reducir o evitar el uso del aire acondicionado, sobre todo si las ventanas de la edificación están correctamente sombreadas y orientadas para permitir la entrada de los vientos dominantes. Para lograr una correcta ventilación es necesaria la ventilación cruzada (Fuentes Freixanet & Rodríguez Viqueira) la cual consiste en tener una o más aberturas en fachadas opuestas hacia el exterior, donde de preferencia una de ellas este orientada para permitir la entrada de corrientes de aire fresco que circulen por todo el espacio arquitectónico deshaciéndose del aire viciado que se encuentra al interior, lo que ayuda a higienizar el espacio; este tipo de ventilación si se implementa desde el inicio del diseño no requiere de ningún consumo energético por lo que no afecta la economía ni la ecología. La ventilación natural tiene dos problemas principales, uno de ellos es que es necesario que la temperatura exterior sea menor que la interior para generar un cambio positivo en el ambiente térmico, de lo contrario solo aportaría ganancia térmica al interior; y el segundo problema es que, aunque la ventilación natural sirve para renovar el aire viciado del interior, introduce humedad, lo que afecta negativamente el confort higrotérmico de los usuarios, produciendo el inconfortable calor húmedo; lo ideal para solucionar este último problema sería intentar deshumidificar el aire antes de su entrada a la edificación. Deshumidificación La deshumidificación es muy importante en este tipo de clima, ya que como se ha mencionado anteriormente se caracterizan por sus altos niveles de humedad. Existen diferentes tipos de deshumidificadores, por ejemplo, el método mediante serpentín de enfriamiento, el cual logra reducir los niveles de humedad hasta menores del 50% sin embargo, su costo comparable con los costos de sistemas HVAC en operación y mantenimiento, resulta altamente costoso (Fonseca Díaz, Niño Serna, & Gutiérrez, 2009). De acuerdo con Sánchez (2015), existen otros sistemas deshumidificadores de rueda desecante que ya han sido aplicados en países europeos, en la India, en China y en Estados Unidos, estos permiten reducir la humedad relativa del ambiente, sin embargo, su eficiencia es mejor en climas fríos ya que su proceso de refrigeración calienta los espacios lo que los descarta para climas cálidos, donde aparte de disminuir la humedad se busca mitigar las altas temperaturas, sin embargo, existen sistemas híbridos de enfriamiento con desecantes, que usualmente son una combinación del sistema de comprensión de vapor y la rueda desecante giratorio (Flores Ramos & Dibene Arriola, 2012) que si puede ser apto para el clima cálido subhúmedo. Enfriamiento El diagrama psicométrico de Climate Consultant la refrigeración acompañada con deshumidificación de ser necesario, tienen un porcentaje muy alto (76%) cubriendo un total de 2790 horas aproximadamente para mantener un confort higrotérmico en verano. Lo cierto es que los sistemas HVAC de climatización, ventilación y aire acondicionado de uso comercial y residencial son una opción muy común en la búsqueda de condiciones de confort térmico o higrotérmico, sobre todo en este tipo de climas Estos sistemas de refrigeración, por lo general no logran reducir los niveles de humedad por debajo del 60% HR, y la posibilidad de reducir aún más estos niveles implicaría un aumento de costo (Fonseca Díaz, et al., 2009).   COMPARACIÓN DE ESTRATEGIAS ACTIVAS Y PASIVAS RECOMENDADAS POR CLIMATE CONSULTANT PARA EL CASO DE ESTUDIO Las estrategias activas de refrigeración tienen la ventaja de poder implementarse tanto en construcciones nuevas como viejas sin que exista un costo tan elevado de modificación en la construcción, sin embargo, el verdadero costo de los sistemas HVAC se encuentra en el consumo de energía[VL3] eléctrica que requieren, lo que además trae consigo un impacto económico negativo, así como en lo ecológico. De acuerdo con datos de la IEA (International Energy Agency) el uso de energía para refrigerar se ha duplicado desde el año 2000, lo que ha convertido a este tipo de uso final de energía en el de más rápido crecimiento en edificios, tanto así que el uso de aires acondicionados y ventiladores eléctricos representa una quinta parte de la electricidad total en edificios en todo el mundo y el 20% de todo el consumo mundial de electricidad. Y según las proyecciones para el 2050 la demanda energética para refrigeración de hogares u oficinas se triplicará, siendo la de mayor crecimiento comparada con otros usos de energía eléctrica, tan solo durante el 2018 la demanda de energía para refrigeración fue de 2075 TWH, además este tipo de sistemas de enfriamiento son responsables de emisiones de HFC, otros refrigerantes, CO2 y carbono negro. Aunque actualmente existen nuevos equipos HVAC que ofrecen un menor consumo energético lo que implica una disminución en la huella de carbono, lo cual puede considerarse como una ventaja, el problema está en que la mayoría de los consumidores no los están comprando, si no que de acuerdo con datos de la IEA los aires acondicionados más consumidos son dos o tres veces menos eficientes que el mejor modelo que se encuentre disponible, también posiblemente debido a la falta de mejores estándares de eficiencia energética para los aires acondicionados, y a que muchos usuarios se ven obligados a utilizar sistemas de enfriamiento activo debido a la falta de implementación de estrategias activas de refrigeración en el diseño de sus viviendas. Por otro lado, los sistemas HVAC aunque permiten refrigerar el ambiente, el aire que arrojan se puede convertir en un aire viciado, es decir, en aire que no recircula naturalmente, como en el caso de la ventilación cruzada donde nuevas corrientes de aire fresco entran y circulan por todo el espacio arquitectónico, deshaciéndose del aire viciado que se encuentra al interior, lo cual resulta más higiénico, además de que no requiere de ningún consumo energético por lo que no afecta la economía ni la ecología. El punto en contra a considerar de la estrategia pasiva de ventilación natural es que, si no fue considerada desde el proceso de diseño, junto con la orientación correcta, asoleamiento, entre otros puntos de sustentabilidad, es difícil aplicarla después de construido el edificio o el espacio, ya que esto implica modificaciones que, dependiendo de las condiciones de cada proyecto arquitectónico, pueden resultar muy costosas. Es posible que se deba considerar algún método de deshumidificación o refrigeración más natural, o alguna combinación de estrategias activas y pasivas, de manera que se puedan unir las ventajas en salud, de la ventilación natural y la practicidad de manejo e instalación de los sistemas HVAC para obtener el confort higrotérmico requerido en las zonas de clima cálido subhúmedo, como por ejemplo la unión de dos sistemas activos que implican dos de las estrategias más importantes para este tipo de clima: ventilación y deshumidificación; como se mencionó anteriormente el problema principal de la ventilación es que las corrientes entrantes introducen humedad a los espacios, lo que provoca la incomodidad higrotérmica de los usuarios, por lo que lo recomendable es intentar deshumidificar el aire antes de su entrada, esto podría realizarse por medio del uso de un sistema de ventilación mecánica controlada (VMC) no central que incluyera un deshumidificador de rueda desecante, de manera que el aire entrante pase primeramente por el material higroscópico para que este absorba el vapor de agua, logrando así la entrada de aire sin aportar humedad al interior.   Conclusión Con todo lo anteriormente expuesto, se puede concluir que los factores importantes a controlar en los climas cálido subhúmedo, como lo es el caso de estudio, son los altos niveles de temperatura y humedad que se pueden alcanzar especialmente en la temporada de verano. Aunque existen diversos tipos de estrategias, como las mencionadas en esta investigación, tanto activas como pasivas, ambas pueden tener diversos inconvenientes, por un lado las estrategias activas de deshumidificación y enfriamiento cuentan con la ventaja de su practicidad de instalación y manejo, tanto en edificaciones nuevas como en las ya construidas, lo que las convierte en las preferidas a implementar por los usuarios, ya que las pasivas como la ventilación natural y asoleamiento sino son implementadas desde el proceso de diseño, difícilmente pueden adaptarse sin que impliquen altos costos en modificaciones comparados con los requeridos por un sistema HVAC. Por otra parte, debe considerarse que una circulación del aire de manera natural es mejor ya que si no se tiene un buen cuidado e higiene puede ocasionar enfermedades respiratorias a la larga, por lo que posiblemente se deba recurrir a una combinación de ambas, donde se busque obtener las ventajas sobre los temas de salud y bajo impacto energético, económico y ambiental de las estrategias pasivas y las ventajas de practicidad de manejo e instalación de los sistemas activos de HVAC o deshumidificación. El proyecto aún no se encuentra concluido, pero se ha delimitado a la combinación de las estrategias activas de ventilación mecánica y de deshumidificación para intentar lograr el confort higrotérmico en climas cálido subhúmedo, aun es necesario realizar diferentes tipos de simulaciones y experimentación detallada para comprobar la eficacia de las estrategias elegidas.   5. Agradecimientos Se agradece a CONACYT por su apoyo a todo lo largo de la investigación.   6. 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ORCID: 0000-0003-0006-7486; correo electrónico: grecia.dmuniz@gmail.com.   Héctor Ortiz Monroy El Mtro. Héctor Ortiz Monroy, docente investigador de tiempo libre de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Querétaro en la Licenciatura en Arquitectura y en la Maestría en Arquitectura. Se especializa en valuación Inmobiliaria, Diseño Sustentable y Eficiencia Energética de los Edificios. Correo electrónico: hector.ortiz@uaq.mx.   Verónica Leyva-Picazo La Mtra. Verónica Leyva-Picazo es docente investigadora de la Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro en la licenciatura en Arquitectura, en la Maestría en Arquitectura y en la Maestría en Valuación de Bienes. Maestra en Ciencias de la Valuación, con reconocimiento perfil PRODEP, miembro del Cuerpo Académico “Arquitectura y Diseño”. Se especializa en valuación inmobiliaria y economía urbana. Correo electrónico: veronica.leyva@uaq.mx.

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