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Estrategias de calefacción pasiva y el confort térmico en
viviendas altoandinas en Apurímac - Perú
ABSTRACT
Keywords:
RESUMEN
Palabras clave:
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Introducción
El hombre desde sus orígenes siempre ha buscado la
necesidad de encontrar en su vivienda las condiciones
mínimas de confort interior, de no sentir ni frío ni calor,
que lo ha llevado a través de los años hacia la búsqueda
de diversos sistemas o estrategias de climatización
pasiva que lo protejan del frío del microclima al que está
expuesto y que repercute en su bienestar térmico.
Según el Servicio Nacional de Meteorología e
Hidrología del Perú (SENAMHI), las llamadas heladas se
producen en zonas sobre los 3000 m.s.n.m. de nuestra
serranía. Los meses de bajas temperaturas pueden ser
extremadamente intensos llegando a afectar la vida
y salud, en especial en la población más vulnerable
(INDECI, 2020)
Molina (2016) considera que en la zona rural existe
un predominio del uso del adobe y tierra en los muros y
suelo de las viviendas, respectivamente. El uso del adobe
es bueno si no fuera por un inadecuado manejo del
material, debido al mal cierre con otras componentes
de la envolvente de la vivienda que ocasionan pequeñas
grietas o agujeros por donde se pierde calor por
mayor o menor acceso a la radiación solar en función
de cuatro factores: la latitud, la pendiente del terreno
orientación (citado en Franco-Medina y Bright-Samper,
2016). En su trabajo de investigación Javanroodi y Nik
climáticas principales (velocidad del viento, dirección
del viento, temperatura del aire, presión del aire,
humedad relativa, radiación global y cobertura de
nubes) a microescala con un intervalo de tiempo por
hora para generar datos meteorológicos de microclima a
través de un estudio de simulación CFD (Fluidodinámica
computacional).
El uso de materiales de aislamiento térmico y el
diseño de la estructura de aislamiento térmico a través
de la envolvente externa se llevan a cabo para mejorar
el rendimiento del aislamiento térmico de la habitación.
Al mismo tiempo, tecnologías como el diseño de
calefacción solar pasiva de la habitación combinado con
la recolección de calor y la pared de almacenamiento y
la luz solar adicional se adoptan para cumplir con los
requisitos de confort térmico interior (Li y Zou, 2022).
El aislamiento térmico de la envolvente es necesario
para garantizar el buen funcionamiento de los sistemas
de calefacción solar pasiva; plantear aislamientos
térmicos en muros y techo reduce las pérdidas térmicas
en las noches frías, y de esta manera el calor acumulado
brindará las condiciones adecuadas para la comodidad
de los ocupantes al mantener las temperaturas interiores
dentro del rango de confort térmico (Giraldo y Arango,
2020).
Medina y Escobar, citando a Ogunkah y Yang (2012)
señalan que como respuesta a las condiciones del
clima es imperante la selección de los materiales de las
estrategias a aplicar y, además, esta información debe
(Medina y Escobar, 2019).
Las estrategias de calefacción pasiva son elementos
constructivos que adecuadamente diseñados y con una
correcta tecnología solar pasiva acorde al clima dan
lugar a un confort higrotérmico o reducen la demanda
de energía para calefacción (Rivasplata, 2018). Las
estrategias bioclimáticas pasivas tienen cuatro pilares
sobre la energía solar en los cuales se fundamentan:
su captación, su acumulación, su distribución y su
almacenamiento; según Neila (2004) “al fallar uno de
estos pilares la estructura bioclimática se derrumbaría
“(Pari et al., 2021, p.71).
Según Müller (2002) la climatización pasiva y el
aprovechamiento de la energía solar en la vivienda ya sea
para refrigerar o calentar, son estrategias de uso cada vez
más frecuente en el diseño de viviendas sustentables,
tanto en países ricos como en vías de desarrollo:
permiten el mejoramiento de las condiciones de confort
térmico a bajo costo ecológico como económico y por
lo tanto viable a largo plazo y accesible para la mayoría
de las personas. Los principales sistemas de calefacción
pasiva son el invernadero adosado a la vivienda
conocidos también como solariums que representan
zonas de amortiguamiento al proteger el espacio
interior adyacente calentado contra cambios externos
repentinos (Vukadinovic et al., 2018); las claraboyas o
tragaluces cenitales, ventanas, el muro Trombe, entre
los más usados para calefacción pasiva.
Mamani (2022), propuso el mejoramiento en
los componentes de la envolvente, en donde la
orientación de las viviendas debe ser de sur a norte su
eje longitudinal, el muro de mayor área, las ventanas
hacia el este y oeste. En muros añade un material
llamado aislante térmico con doble capa de aluminio
adherida a burbujas de polietileno con un espesor de
6 mm (milímetros). En la cubierta añade una capa de
paja de 2 cm, otra de estera de totora de 1cm y aislante
térmico con doble capa de aluminio adherida a burbujas
de polietileno con un espesor de 4 mm. En la cubierta
amplia el área de policarbonato translucido en 4.01 m2
para obtener una mayor ganancia de calor por radiación
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solar. Para la protección en ventanas, añade poliestireno
expandido dentro de la contraventana.
En la investigación realizada por Zhao et al. (2022)
mencionan que la aplicación de calefacción pasiva de un
espacio solar adjunto juega un papel importante en la
reducción de carbono de la construcción rural en China.
Cuando la radiación solar es intensa, los adjuntos
sunspace (espacio solar) tienen una excelente captación
de calor y por efecto de calentamiento pueden crear un
interior satisfactorio.
Beyraghshamshir y Sarkardehei (2023) evaluaron los
efectos de un atrio en el patio central en el rendimiento
Simularon dos modelos hipotéticos que involucraron
ciudad de Belgrado obteniendo como resultado que el
Cuando un atrio recibe la luz del sur, a través de la cual
absorbe el calor del sol como un invernadero, reduce así
la energía de calefacción.
Según Arrieta y Maristany (2018) citando a
Nematchoua et al. (2014) señalan que el confort
térmico no solo depende de factores ambientales sino
y psicológicas del ser humano. Es por lo que su
Pari et al. (2021) señalan que es importante que los
estándares internacionales que regulan los límites de
confort no pueden abarcar especialidades para cada tipo
de clima, así como las preferencias de cada población,
la aclimatación y sus expectativas cambian, por lo que
es necesario determinar condiciones particulares para
cada lugar.
El objetivo del presente estudio fue determinar
en qué medida las estrategias de calefacción pasiva
se asocian con el confort térmico de los pobladores en
viviendas altoandinas, y plantear las estrategias de
calefacción pasiva que puedan implementarse en las
viviendas altoandinas en Sabaino -Apurímac.
Método
La investigación es de tipo descriptivo correlacional
grado de asociación que exista entre las variables para
determinar el grado de confort térmico que se logra por
las estrategias de calefacción pasiva en las viviendas
rurales. Asimismo, el diseño de la investigación es no
experimental porque se realiza sin la manipulación
deliberada de variables y en los que solo se observan los
fenómenos en su ambiente natural y el estudio es de
corte transversal.
La población objetivo está constituida por las viviendas
que no cuentan con bienestar térmico (se estima en más
de 400 viviendas en el distrito de Sabaino-Apurímac). Se
utilizó el muestreo no probabilístico, ya que la elección
se realizó a conveniencia del investigador. La muestra
se determinó en 34 profesionales especialistas en el
área de Arquitectura Sostenible y Energías Renovables
de la Universidad Nacional Federico Villarreal y la
Universidad Nacional de Ingeniería
Los instrumentos aplicados son el cuestionario
técnicas: la encuesta y la observación. La encuesta estuvo
dirigida a evidenciar las estrategias de calefacción pasiva
óptimas a plantearse para viviendas rurales altoandinas
para la mejora del confort térmico del poblador por
medio de preguntas a docentes especialistas en el área,
mientras que la observación fue dirigida a conocer
algunas características de la vivienda para dar las pautas
de adecuación de estrategias de calefacción pasiva a
las viviendas altoandinas en Sabaino-Apurímac. Para
alfa de Cronbach en una prueba piloto, el valor obtenido
del alfa de Cronbach fue de 0,866 lo cual nos indica
además fue validada por tres expertos.
El procedimiento consistió en el análisis climático
del lugar de estudio (mediciones los días 14 y 15 de junio
de 2022 de temperatura, humedad relativa, radiación
solar, dirección y velocidad de vientos). Luego se
analizó la situación actual de las viviendas rurales
en Sabaino- Apurímac (orientación, materiales de la
envolvente, etc.) y se realizó una encuesta (utilizando
la herramienta digital Google Forms) la cual se validó
mediante juicio de expertos y se efectuó de manera
virtual a los 34 especialistas del área en el año 2022.
Las preguntas que se desarrollaron en la encuesta
están vinculadas a las dimensiones de las variables
(las estrategias bioclimáticas de calefacción pasiva y
el confort térmico). Los datos fueron recogidos a
través de una encuesta y diversas investigaciones con
el objetivo de analizar la relación entre las estrategias
bioclimáticas de calefacción pasiva y el confort térmico.
Para ello, se utilizó la prueba de Spearman con el objetivo
de determinar la correlación entre ambas variables
for the Social Science).
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Resultados
Ubicación del área de estudio y características
climáticas exteriores
El centro poblado de Sabaino se localiza en el
departamento de Apurímac, provincia de Antabamba,
m.s.n.m.
tipo lluvioso, frío y con otoño e invierno seco. Esta región
presenta temperaturas máximas de 19°C en promedio
durante el año y temperaturas mínimas de hasta-3°C
en el mes más frío de invierno; con precipitaciones
acumuladas anuales que van desde los 500 mm. hasta
los 1200 mm. aproximadamente (SENAMHI, 2020). La
temperatura media anual en la zona es de 6,61 °C, con una
temperatura mínima promedio de 1.30°C y temperatura
máxima promedio de 13.94 °C y salto térmico del mes
más frío en julio con un valor de 13.61°C. La precipitación
es de 45,15 mm. al año, con bajas precipitaciones en los
meses más fríos: junio, julio y agosto (se obtuvo los
siguientes datos climatológicos en el periodo de años
Tabla 1
Parámetros climáticos en Sabaino Apurímac (Latitud -14.3136, Longitud -72.945)
Datos
climáticos Ene
Nota. Datos promedios del 2010 al 2019 obtenidos de Nasa Power https://power.larc.nasa.gov/
De los datos mostrados en la Tabla 1, el lugar de
estudio presenta una irradiación total incidente
considerable con valores entre 5 KWh/m2 a 6 KWh/m2.
Además muestra temperaturas mínimas promedio
entre -0.09°C a 2.18°C y una humedad relativa entre
59% a 78%. En la tabla señalada, se observa que la
temperatura promedio exterior es de 6.61°C y según la
ecuación de confort de Humphreys (temperatura neutral
o de confort) se obtiene una temperatura de confort de
15.42°C con margen de error de ± 3°C, obteniéndose un
rango de confort térmico entre 18.43°C y 12.43 °C para el
lugar de estudio en Sabaino.
Análisis de la situación actual de las viviendas
en la zona de estudio
Las viviendas rurales predominantes en el lugar
de estudio en Sabaino Apurímac, son de adobe y los
muestran en la Figura 1.
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Figura 1
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Análisis del factor ambiental en el lugar de
estudio
Se presentan resultados de mediciones de las
variables ambientales en el interior de la vivienda y
del ambiente exterior para analizar las condiciones
climáticas en la zona de estudio en Sabaino Apurímac
año 2022.
Temperatura interior y exterior
Se realizaron las mediciones de la temperatura
interior y exterior en una vivienda típica en el lugar de
investigación los días 15 y 16 de junio de 2022, los datos
Tabla 2
Temperatura exterior y temperatura interior en el lugar de estudio
Horas del día
15-Jun 16-Jun
Temperatura exterior
(ºC)
Temperatura
interior (ºC)
Temperatura
exterior (ºC)
Temperatura
interior (ºC)
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Figura 2
Temperatura exterior y temperatura interior en el lugar de estudio
En la Tabla 2 y Figura 2, se puede observar que la Tint
oscila entre 6.3°C a 21.8°C con un salto térmico de 15.5°C
y la Tex oscila entre 2.3°C a 23.6°C con un salto térmico
de 21.3°C. La temperatura promedio exterior e interior
del día 15 fue de 9.93°C y 12.36°C respectivamente y del 16
de junio fue de 9.88°C y 12.22°C.
Se observa que el 15 de junio la temperatura exterior
llega a un pico a las 15 horas con un valor de 22.3°C y un
descenso de temperatura a las siete horas con un valor
de 2,3ºC. La temperatura interior alcanza un pico a las
14 horas con un valor de 21.80ºC y un descenso a las siete
horas con un valor de 6.3°C.
Humedad relativa
Se realizaron las mediciones de la humedad relativa
interior (H.R. int) en una vivienda típica y la humedad
relativa exterior (H.R. ext) en el lugar de investigación
los días 15 y 16 de junio de 2022. Los datos obtenidos
observa que el 15 de junio H.R. exterior llega a un pico a
las seis horas con un valor de 81.7% y un descenso a las 15
horas con un valor de 24.6%. La H.R. interior llega a un
pico a las ocho horas con un valor de 69.1% y un descenso
a las 14 horas con un valor de 36.6%.
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Tabla 3
Humedad relativa interior y exterior en el lugar de estudio
Horas del día 15-Jun 16-Jun
H.R. ext (%) H.R. int (%) H.R. ext (%) H.R. int (%)
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Figura 3
Humedad relativa interior y exterior en el lugar de estudio
Irradiancia solar
Se realizaron las mediciones de la irradiancia
solar, para evaluar el potencial solar, utilizando el
fotoradiómetro Deltaohm, en la zona de investigación,
considerando la posición horizontal del equipo. Los
datos obtenidos se muestran en la Tabla 4 y Figura 4.
Hora 15-Jun
Irradiancia (W/m²) Irradiancia (W/m²)
Tabla 4
Irradiancia solar en el lugar de estudio
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Figura 4
Irradiancia solar en el lugar de estudio
En la Figura 4, el día 14 de junio se observa que la
mayor cantidad de energía captada se da entre las 9 a 15
horas, teniendo una irradiancia mínima de 231 W/m2 y
un máximo de 877 W/m2 al medio día, obteniendo una
irradiación total de 5.57 kWh/m2/día. Y el día 15 de junio
se observa que la mayor cantidad de energía captada
se da entre las 10 a 15 horas, teniendo una irradiancia
mínima de 136 W/m2 y un máximo de 782 W/m2,
obteniendo una irradiación total de 4.51 kWh/m2/día.
Contrastación de Hipótesis
se aceptará la hipótesis nula (Ho); pero, si el valor p
calculado es < 0.05, se aceptará la hipótesis alterna (Ha).
Hipótesis General
Ho: Las estrategias de calefacción pasiva no se
los pobladores en viviendas altoandinas en Sabaino-
Apurímac, año 2022.
Ha: Las estrategias de calefacción pasiva se
los pobladores en viviendas altoandinas en Sabaino-
Apurímac, año 2022.
Según los resultados obtenidos de la encuesta se
comprobó que la hipótesis general obtuvo un valor
la hipótesis alterna, que las estrategias de calefacción
pasiva se asocian con el confort térmico de los pobladores
en viviendas altoandinas en Sabaino-Apurímac, año
2022.
Ho: Las estrategias de calefacción pasiva considerando
con el confort térmico de los pobladores en viviendas
altoandinas en Sabaino-Apurímac, año 2022.
Ha: Las estrategias de calefacción pasiva considerando
con el confort térmico de los pobladores en viviendas
altoandinas en Sabaino-Apurímac, año 2022.
Según los resultados obtenidos, se comprobó que
menor a 0.05, aceptándose la hipótesis alterna, que
las estrategias de calefacción pasiva según el factor
térmico de los pobladores en viviendas altoandinas en
Sabaino- Apurímac, año 2022.
Ho: Las estrategias de calefacción pasiva
considerando el comportamiento térmico de la
el confort térmico de los pobladores en viviendas
altoandinas en Sabaino-Apurímac, año 2022.
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Ha: Las estrategias de calefacción pasiva
considerando el comportamiento térmico de la
térmico de los pobladores en viviendas altoandinas en
Sabaino-Apurímac, año 2022.
Según los resultados obtenidos, se comprobó que
menor a 0.05, aceptándose la hipótesis alterna, que
las estrategias de calefacción pasiva considerando el
comportamiento térmico de la envolvente se asocian
pobladores en viviendas altoandinas en Sabaino-
Apurímac, año 2022.
Ho: Las estrategias de calefacción pasiva
considerando los sistemas de calefacción pasiva no
se asocian con el confort térmico de los pobladores en
viviendas altoandinas en Sabaino-Apurímac, año 2022.
Ha: Las estrategias de calefacción pasiva
considerando los sistemas de calefacción pasiva se
asocian con el confort térmico de los pobladores en
viviendas altoandinas en Sabaino-Apurímac, año 2022.
Según los resultados obtenidos, se comprobó que
menor a 0.05, aceptándose la hipótesis alterna, que
las estrategias de calefacción pasiva considerando los
sistemas de calefacción pasiva se asocian con el confort
térmico de los pobladores en viviendas altoandinas en
Sabaino-Apurímac, año 2022.
Discusión
Molina (2016) obtiene que, en una vivienda de
adobe acondicionada pasivamente con claraboyas en
el dormitorio norte, con un piso aislado en la sala, un
techo aislado con un invernadero adosado a las paredes
de las habitaciones logró una temperatura media de
15,7°C en el dormitorio norte, la cual resulta mayor en
6° C a la temperatura exterior de 9°C. Además, Giraldo
y Arango (2020) consideran que todo sistema solar
pasivo debe contar con un buen sistema que acumule
la energía generada térmicamente para que de esta
manera el calor generado por el sol sea usado por las
que la tecnología de calefacción solar pasiva combinada
con un buen sistema de recolección de calor y pared
de almacenamiento y la luz solar se adoptan para
cumplir con los requisitos de confort térmico. De la
encuesta realizada, un 85,3% considera que es posible
contrarrestar las bajas temperaturas a partir del diseño
y estrategias de calefacción pasivas a tal punto que la
temperatura interior esté por encima de 10°C respecto
al exterior en la zona altoandina.
En el trabajo presentado por Wieser et al. (2021)
obtienen condiciones de confort térmico en condiciones
extremas climáticas a 4 200 msnm en Puno, con la
captación de la radiación solar acompañado con
aislamiento de la envolvente, la hermeticidad del
conjunto y el uso correcto de los vanos para retener el
calor ganado. Estas fueron las principales estrategias
usadas en conjunto con la intensa radiación solar.
Gastines et al. (2015), obtuvieron que la ganancia al norte
es máxima en el mes más frío, junio, a pesar de la menor
incidencia ya que los rayos del sol llegan con un ángulo
de incidencia menor. Al este y oeste reciben radiación
solo en la mañana y en la tarde respectivamente. Sin
embargo, Mamani (2022), obtuvo que el este y oeste
son las mejores orientaciones. De la encuesta realizada
un 82,4% considera que las horas de insolación al día
funcionamiento de los sistemas de calefacción pasiva
para lograr el confort térmico en viviendas altoandinas.
De esta forma, se observa que la radiación solar es
fundamental para el correcto funcionamiento de los
sistemas de calefacción pasiva por lo que el lugar de
estudio al presentar buenas condiciones de radiación
solar en los meses más fríos y con la implementación
de dichos sistemas pasivos lograría alcanzar el confort
térmico.
Molina (2016) observó que debido a un inadecuado
manejo del uso del adobe en viviendas en zonas rurales
y al mal cierre con otras componentes de la envolvente
al. (2021) notaron que la primera estrategia más usada
es la mejora térmica de la envolvente, con paredes de
gran espesor y aislamiento en falso techo. Molina et al.,
(2020) mencionan que solo con técnicas arquitectónicas
de aislamiento pasivo y manejo de contraventana se
logra incrementos de temperatura interior de 5.3°C.
De la encuesta realizada, un 97,1% considera que
las pérdidas de calor a través de la envolvente de las
viviendas altoandinas se deben, principalmente, a las
Fernández et al. (2020) obtuvieron que el uso de
balcones acristalados en dormitorios como estrategia
bioclimática para climas fríos es viable. Asimismo, Pari
et al. (2021) consideran, principalmente, estrategias de
mejora térmica de la envolvente, captación solar por
sistemas directos (ventanas translucidas en el techo),
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indirectos (Pared Trombe) y semidirectos por pared
(invernaderos adosados de vidrio y plástico con marco
de madera).
Para Corrales (2012) los sistemas pasivos más
pasivo directo, claraboyas y/o patios con techado
vidriado, además de tener un buen aislamiento térmico
en la envoltura de cierre. De la encuesta realizada,
respecto a la calefacción pasiva, un 67,6% considera que
las estrategias óptimas para captar la radiación solar e
incrementar la temperatura interior son los tragaluces
cenitales e invernaderos adosados.
Conclusiones
Las estrategias de calefacción pasiva y su impacto
en el logro del confort térmico de los pobladores en
viviendas altoandinas en Sabaino-Apurímac sería
favorable de darse; teniendo en cuenta los sistemas de
calefacción pasiva, la orientación y la captación directa
a través de las ventanas orientadas al norte, este y oeste.
En conjunto, la incorporación de material aislante en la
envolvente permite lograr incrementos de temperatura
de hasta 10°C aproximadamente.
Las estrategias de calefacción pasiva teniendo en
cuenta los sistemas de calefacción pasiva se asocian
pobladores en viviendas altoandinas en Sabaino-
Apurímac; asimismo, los sistemas de calefacción pasiva
más convenientes de implementar serían los tragaluces
cenitales e invernaderos adosados y el Muro Trombe con
mejoras en su diseño.
Recomendaciones
Se requiere instalar una estación meteorológica
para monitorear las variables climáticas que facilitaría
una mejor comprensión del impacto que generan en el
confort de las viviendas porque no existen datos precisos
en esta zona de estudio.
Fuente de Financiamiento: Este trabajo fu
La autora del artículo declara
relacionado al mismo.
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