Diseño de un modelo de vivienda de adobe utilizando un material de cambio de fase (PCM) para lograr el confort térmico en climas extremos fríos en el sur del Perú mediante la simulación con el software DesignBuilder

Abstract

En los últimos años, a consecuencia de los constantes cambios de la temperatura global, es decir, del incremento en verano, al descenso en invierno, a su inestabilidad de manera general, y a la poca preocupación de las constructoras por no realizar infraestructuras tomando en cuenta el tema de confort térmico y a los centros de investigación por no explorar a profundidad la mejora y el incremento de la temperatura interna de una vivienda, se ha generado un desmedido declive de la calidad de vida de las personas a un alcance mundial. Además, el no encontrar una solución viable para alcanzar un confort en la temperatura interna de las viviendas ha afectado a un gran número de ciudades alrededor del mundo; por ello, las principales potencias mundiales como China y EE. UU. han comenzado, hace algunos años, a buscar soluciones a mediano y largo plazo. Por ello, surgió como una de las más importantes y revolucionarias soluciones el empleo de los elementos de cambio de fase (PCM), conocidos por ser elementos que poseen un elevado calor latente, que cuando cambian de fase de sólido a líquido y viceversa, pueden liberar o almacenar energía, generando un ambiente ideal para vivir con normalidad.

Si bien es cierto, implementar el material de cambio de fase (PCM) en las ciudades del Perú no es una tarea sencilla, pero que, si fuera de la manera correcta con las condiciones adecuadas para su uso y funcionamiento, puede que produzcan una revolución en el mercado por su gran impacto en base a experiencias anteriores en varios países desarrollados. Por ello, en esta investigación se analizan 6 modelos de aislamiento destinados a las muros, techos y piso de una infraestructura existente de adobe y se establece como lugar de estudio la ciudad más fría de la zona sur del Perú (Imata). Conforme a la información recopilada, se devela que los sistemas de muro Trombe-PCM, pared de unidades de concreto translúcido-PCM, falso techo-PCM, techo de concreto-PCM, piso alveolar-PCM y piso láminas de yeso-PCM representan las alternativas elegidas para realizar el análisis de la investigación; sin embargo el modelo definitivo solo se encuentra con los mejores de cada ítem respecto al aumento de temperatura interna en una vivienda ubicada en Imata, es decir, en el caso de muro se escogió al Muro Trombe – PCM, respecto al techo, el Techo de concreto – PCM y finalmente en cuanto al piso, el Piso alveolar – PCM. Además, es importante indicar que el material de cambio de fase (PCM) es versátil, ya que propiedades térmicas se pueden adaptar a cualquier zona climática, construcción y situación. También, se realizó ensayos de compresión en laboratorio cuyo resultado fue mayor al mínimo establecido por la norma peruana E.080 (Véase anexo 5) y que sirvió como dato para incluir en la simulación en el DesignBuilder, software que permite evaluar el rendimiento energético del diseño. Por último, el modelo final evidencia un aumento promedio de las temperaturas interna de la vivienda en los días más fríos del año 2018 en 13.83°C. En relación a la humedad relativa, el modelo definitivo logra un disminuir el promedio de humedad relativa interna de la vivienda en los días más fríos del año 2018 en 15.38%. Asimismo, disminuye el promedio de horas de disconfort térmico de los habitantes en los días más fríos del año 2018, en el horario del inicio del día a 16:00 el grado de disconfort es 0 horas, mientras que de 16:00 a 23:00 el grado de disconfort es menor a 1 hora.

In recent years, as a result of the constant changes in global temperature, i.e., from the increase in summer to the decrease in winter, its instability in general, and the lack of concern of construction companies for not building infrastructures taking into account the issue of thermal comfort and research centers for not exploring in depth the improvement and increase of the internal temperature of a house, has generated an excessive decline in the quality of life of people worldwide. In addition, the failure to find a viable solution to achieve comfort in the internal temperature of homes has affected a large number of cities around the world; therefore, major world powers such as China and the U.S. have begun, a few years ago, to seek medium and long term solutions. For this reason, one of the most important and revolutionary solutions was the use of phase change elements (PCM), known for being elements that have a high latent heat, which when they change phase from solid to liquid and vice versa, can release or store energy, generating an ideal environment for normal living.

While it is true that implementing phase change material (PCM) in Peruvian cities is not a simple task, if it is done in the right way with the right conditions for its use and operation, it may produce a revolution in the market due to its great impact based on previous experiences in several developed countries. For this reason, this research analyzes 6 models of insulation for walls, roofs and floors of an existing adobe infrastructure and establishes as a study site the coldest city in the southern part of Peru (Imata). According to the information collected, it is revealed that the systems of Trombe-PCM wall, translucent concrete unit wall-PCM, false ceiling-PCM, concrete ceiling-PCM, alveolar floor-PCM and gypsum plasterboard floor-PCM represent the alternatives chosen to perform the analysis of the research; However, the definitive model is only found with the best of each item with respect to the increase of internal temperature in a house located in Imata, that is, in the case of the wall, the Trombe Wall-PCM was chosen, with respect to the ceiling, the Concrete Ceiling-PCM and finally with respect to the floor, the Hollow Core Floor-PCM. In addition, it is important to point out that the phase change material (PCM) is versatile, since its thermal properties can be adapted to any climatic zone, construction and situation. Also, compression tests were carried out in the laboratory and the result was higher than the minimum established by the Peruvian standard E.080, which served as data to be included in the simulation in DesignBuilder, software that allows evaluating the energy performance of the design. Finally, the final model evidences an average increase in the average internal temperatures of the dwelling on the coldest days of 2018 by 13.83°C. In relation to relative humidity, the final model achieves a decrease in the average internal relative humidity of the dwelling on the coldest days of 2018 by 15.38%. Likewise, it decreases the average number of hours of thermal discomfort of the inhabitants in the coldest days of 2018, from the beginning of the day to 16:00 the degree of discomfort is 0 hours, while from 16:00 to 23:00 the degree of discomfort is less than 1 hour.