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Vázquez Tépox, J. Eduardo; González Cruz, Eduardo M.; Elizondo Mata, Miguel F.

Cubiertas y estanques para optimizar el sistema pasivo de techo estanque metálico en

clima cálido seco extremo: estudio experimental exploratorio

Palapa, vol. III, octubre, 2008, pp. 43-54

Universidad de Colima

México

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Palapa

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INVESTIGACIÓN || RESEARCH

43

Revista de Investigación Científica en ArquitecturaJournal of Scientific Research in Architecture

Cubiertas y estanques para optimizar el sistema pasivo de techo estanque metálico en clima cálido seco extremo: estudio experimental exploratorio

Covers and roof ponds for improving the roof pond passive cooling system in hot and dry climate: an exploratory experimental study

J. Eduardo Vázquez Tépox,1 Eduardo M. González Cruz2 y Miguel F. Elizondo Mata3

recibido: 13/02/08, 13/06/08 || dictaminado: 29/02/08, 29/02/08 || aceptado: 17/06/08

Resumen�23

se presentan los resultados de un estudio experimen-tal exploratorio sobre un sistema de enfriamiento pasivo (sep) que aproveche el potencial de enfriamiento radiativo y evaporativo de lugares con clima cálido seco extremo. el objetivo de la primera de tres fases del proyecto fue identi-ficar el tipo de estanque metálico más eficiente para enfriar el agua y la cubierta que mejor protege a estos estanques en un ciclo diario durante el verano. se probó un estanque abierto y otro cerrado, ambos con �.� cm de agua. asimis-mo se ensayaron 9 tipos de cubierta, en 1� modelos igua-les ubicados en una azotea en igualdad de condiciones. se registraron temperaturas del ambiente y del agua en los estanques y se realizó un análisis de correlación simple y un análisis de Varianza (anova) para su clasificación. los resultados son satisfactorios en la mayoría de ellas, pero más en la cubierta con enfriamiento radiativo y evaporati-vo. por ahora, el tipo de estanque abierto resultó mejor que el cerrado. en las siguientes fases se probarán mejorías de diseño y se propondrá un sep aplicable a edificios en clima cálido seco extremo.

1 [email protected]

universidad autónoma de baja california2 [email protected]

universidad de zulia, Venezuela3 [email protected]

universidad de colima

Abstract

This paper presents the results of an exploratory experimen-tal study with the purpose of developing a passive cooling system, seeking to take advantage of the cooling potential of climatic conditions of hot and dry climates. This project comprises three stages, and the goal of the first one was to determine the most efficient metal tank for cooling water in, and the best cover to protect the tank during daytime in summer. Two different models were tested, one open and the other closed, and both were exposed to the sky and filled with water to a depth of �.� cm. also nine different covers were tested in thirteen similar cubic models. The models were placed on an insulated roof in similar condi-tions. The temperatures of the ambient air and of the water in the tanks were recorded. single correlation and analysis of Variance (anova) were used to classify the covers. The results were satisfactory in the majority of them. The best cover allows radiative and evaporative cooling. open tanks were better than the closed ones, so far. The next stages of the project will consider improvements in the design of tanks and covers, and the proposal for a passive cooling system for buildings in hot and dry climates.

PALABRAS CLAVE | enfriamiento pasivo, enfriamiento evapo-rativo, enfriamiento radiativo.KEY WORDS | passive cooling, evaporative cooling, radiative cooling.

Palapa | issn: 1870-7483 | Vol. 1ii | Núm. especial | pp. 43-54 | Octubre de 2008

Vázquez, J.E., González, E.M. y Elizondo, M.F. || Cubiertas y estanques para optimizar el sistema pasivo de techo estanque metálico

44 Palapa | Vol. 1ii | Núm. especial | Octubre de 2008

Introducción

la ciudad de Mexicali, capital del estado de baja califor-nia, se distingue en todo el país por su clima cálido seco extremo y porque sus edificios no son adecuados para las condiciones climáticas, sobre todo en verano. esto obliga a los mexicalenses a usar equipos de aire acondicionado para obtener confort térmico en los edificios, lo que provo-ca un alto consumo de energía durante seis meses y, por ende, perjudica su economía familiar (sández et al., 1996). con el crecimiento de la ciudad ha aumentado la deman-da de energía eléctrica, así como el daño directo al medio ambiente.

el diseño de edificios en lugares con clima cálido no extremo requiere sistemas de adecuación climática (sac), para evitar que se sobrecaliente el edificio (givoni, 1998) y propiciar que su carga térmica se minimice, manteniendo la frescura de los espacios. el diseño climático adecuado de la membrana del edificio, su espacio interior y su entor-no inmediato tienen dicho objetivo (la roche et al., 2001).

en lugares con clima cálido seco extremo, además de sac, se requiere en temporada de calor un sistema de en-friamiento pasivo (sep) en los edificios, para proveer de aire fresco a su interior, de manera directa o indirecta, sin usar energía eléctrica o con un consumo mínimo de ésta. cualquier sep en clima cálido seco extremo no funciona si el edificio no cuenta primero con sac (givoni, 1994).

este proyecto de investigación no se refiere al desarrollo de sac, sino que se enfoca al sep, y su importancia radica en que el desarrollo de este último coadyuvaría a disminuir los altos consumos de energía eléctrica, ya que es aplicable en edificios ubicados en urbes con clima cálido seco extremo.

Estado del arte de los SEP

Mientras cook (1989) recopiló los sep probados y cons-truidos en estados unidos, tanto givoni (1994) como santamouris y asimakopoulos (1996) sintetizaron los sep desarrollados en las últimas décadas en estados unidos y europa, respectivamente. estos tres autores aseveran que dichos sep usan pozos o sumideros térmicos para su funcionamiento (cielo, atmósfera, suelo) y que aprovechan cuatro modos de enfriamiento: el conductivo, el convecti-vo, el radiativo y el evaporativo.

Sistemas con enfriamiento conductivoeste enfriamiento puede ser directo, por contacto del edi-ficio con la tierra; es el caso de la arquitectura subterránea o bien semienterrada (givoni, 1978; Kusuda y peacy, 1975; labs, 1981a , 1981b, 1983). También se aplica el enfriamiento conductivo indirecto, por medio de tubos enterrados (inter-

cambiadores de calor), conectados al edificio (abrams, ben-ton y akridge, 1980; cook, 1989; y givoni, 1976, 1994)

para que el suelo sea aún más fresco y aumente su ca-pacidad de enfriamiento, se mejoran las condiciones de su superficie con cubrepisos adecuados (chang, 1968; givoni, 1994; Turnage, 1938; Watson y labs, 1983).

Sistemas con enfriamiento convectivose usa la ventilación natural selectiva para aprovechar las condiciones favorables de la temperatura del aire, especial-mente durante la noche (allard, 1998; givoni, 1976).

hay dos sistemas antiguos que aprovechan la capacidad de enfriamiento del aire: captadores de viento (malkaf, de origen egipcio) y torres de viento (baudgir, de origen iraní; Fa-thy, 1986). inspirados en ellos, se han desarrollado versiones actuales (Mccarthy, 1999; zancheta y Mccarthy, 2000).

Sistemas con enfriamiento radiativodestacan algunos estudios de enfriamiento radiativo: los de clark (1981) y yellott (1981); por su aplicación en climas cálido secos, el de givoni (1981, 1994), y para climas cálido húmedos, los de gonzález (1990, 1997) y gonzález, Ma-chado, rodríguez, león, soto, almao (2000).

los sistemas de techo como radiador nocturno se pue-den clasificar en: a) masa térmica con aislamiento móvil, b) livianos metálicos y c) colectores solares sin vidrio (gon-zález, 2002). de los radiadores con masa térmica destaca el skytherm de harold hay (cook, 1989), así como otros con variantes en el mecanismo de protección del estanque (alves y Milligan, 1978). para clima cálido húmedo existe el esuse.ac (estanque con agua, polietileno superficial y ais-lamiento controlado), con ahorro de energía promedio de 35 por ciento (gonzález, 1997).

el techo de concreto como radiador nocturno y aislado térmicamente en el día mantiene la temperatura interior por debajo de la del ambiente (givoni, 1981,1994; gonzá-lez, 1990). destaca por su sencillez una variante de este sistema hecha por gonzález (1989).

entre los techos livianos metálicos existe el techo con trampa de radiación (givoni, 1994), un sep para época de calor también empleado como sistema de calentamiento en invierno. hay una idea de sep no probada aún, de techo metálico con aislante móvil interno (givoni 1994), seme-jante al propuesto por gonzález (1989), quien lo denomina casa radiante M-i.

los techos tipo colector solar sin vidrio enfrían agua en la noche y cuentan con almacén térmico en la losa de con-creto, lo que ofrece muchas posibilidades de enfriamiento del espacio interior (givoni, 1994).

hay un sep convectivo y radiante: secora, que se aplica en techos de lámina metálica, especialmente en viviendas de carácter social (gonzález y puerta, 1999).


Palapa | Vol. 1ii | Núm. especial | Octubre de 2008 45

Sistemas con enfriamiento evaporativola mayoría de ellos no son pasivos, sino de bajo consumo de energía porque usan un ventilador y una bomba de agua. aplican el enfriamiento directo; el más común es el cooler o aire lavado con diversas variantes (peck y Kessler, 1977), de uso directo en dos etapas (peck, Kessler y Thompson, 1979; Wu, 1989, citado en givoni, 1994), con desecantes y en etapas (sawhney, singh y bansal, 1987) y con almacén térmico bajo el edificio (peck y Kessler, 1980).

entre los sistemas de enfriamiento directo destacan por su alta eficiencia térmica la torre de enfriamiento eva-porativo con una chimenea solar, integrada a un espacio (cunningham y Thompson, 1986), la torre evaporativa de corriente descendente (pearlmutter et al., 1996) y la torre inercial de enfriamiento evaporativo y convectivo tipo rega-dera (givoni, 1994).

hay sistemas de enfriamiento indirecto, tipo techo estan-que, como el energy roof de pittinger y White (cook, 1989), montado en una estructura metálica, con aislamiento que flota en el agua del estanque bajo un plástico transparente. cuenta con bombeo para circular el agua y enfriamiento eva-porativo en la parte superior de superficie de plástico.

el cool pool de Karen crowther es un techo de concreto con agua, protegido por pérgolas; en este sistema el agua fresca se transporta al interior del espacio por un termosi-fón concéntrico (cook, 1989).

del techo tipo estanque metálico para clima cálido hú-medo, existen el esulib.sv (estanque con superficie libre y ventilada) y el esulib.ac2 (estanque con superficie libre y aislamiento controlado). el primero ahorra 53 por ciento de energía y el otro, 64 por ciento (gonzález, 1997). este siste-ma se ha probado en dos de las recámaras de una vivienda prototipo vbp-1, con excelentes resultados de confort térmi-co en sus habitantes (gonzález et al., 2000).

Sistemas de enfriamiento pasivo aplicados en Mexicali

sólo se han aplicado sep de tipo conductivo y convectivo. en el primero se usa enfriamiento directo, a partir de arqui-tectura subterránea (Vázquez, 1990a), en la edificación de una estancia-bar, con registros de temperatura en verano de 26 ºc a 30 ºc con 90 por ciento de ahorro en energía (Vázquez, 2006). en la ciudad hay tres ejemplos de edifi-cios semienterrados, así como el centro comunitario de la uabc, que es totalmente subterráneo.�

se ha probado el enfriamiento indirecto en una vivienda

4 Edificios sin evaluación de su desempeño térmico, porque no son resultado de proyectos de investigación, sino que se han cons-truido por sus propietarios.

con un intercambiador de calor tierra-aire, con temperatu-ras en verano de 30 ºc a 34 ºc (Vázquez, 1990b). hay otra vivienda donde se ha aplicado este sistema sin éxito por su bajo desempeño térmico.� el proyecto de arquitectura sub-terránea de la estancia-bar y del enfriamiento indirecto con intercambiadores de calor se basa en la medición de tem-peraturas del subsuelo a cinco diferentes profundidades y del efecto de enfriamiento con cinco diferentes cubrepisos (Vázquez, 1988).

el sistema semipasivo cama de piedra combina los en-friamientos conductivo, convectivo y evaporativo (peck, 1980); no se ha probado en Mexicali, aunque hay un es-tudio que muestra su viabilidad, integrando a la cama un intercambiador de calor (haberda, 1980).

asimismo, hay una torre de viento (enfriamiento con-vectivo) en una vivienda, con temperaturas de 27 ºc a 30 ºc en mayo, junio, septiembre y octubre, y de 31 ºc a 34 ºc en julio y agosto.� al adicionar un intercambiador de calor en la base de la torre se obtiene una disminución extra de 1.5 ºc (Vázquez, 2001). se ha probado la extracción de calor con una chimenea solar, que forma un ciclo con la torre de viento (Vázquez, 2002). no se han probado sistemas de enfriamiento evaporativo ni radiativo, por lo que existe en Mexicali un interesante nicho de investigación de estos dos tipos de enfriamiento.

Delimitación del proyecto de investigación

sobre el nicho de los sep aplicables en clima cálido seco, se decidió emprender un estudio exploratorio de enfriamiento evaporativo y radiativo por medio de un estanque metálico, con cuatro posibles aplicaciones al edificio:

1) Techo con estanque metálico2) Techo de concreto como almacén térmico3) paredes macizas como almacén térmico4) subsuelo como almacén térmico.

la primera aplicación es la más sencilla y eficiente, por-que el estanque metálico actúa como radiador, refrescando el espacio donde se instala. las otras tres aplicaciones ne-cesitan de un intercambiador de calor, una bomba de agua y tubería para su transporte. en la última fase del proyecto se decidirá por una de estas aplicaciones para poder plan-tear un sep.

5 El intercambiador fue diseñado y construido por su propietario, Marco Antonio Vilchis. Sin publicar.

6 Investigación en la vivienda en Mexicali del primer autor. Sin publicar.



Objetivos del estudio exploratorioel primer propósito es conocer el tipo de estanque metálico más eficiente para enfriar el agua que contiene, con dos ti-pos de estanque, uno abierto y otro cerrado, ambos expues-tos al cielo. el segundo objetivo es identificar, de entre nueve diferentes opciones, el tipo de cubierta que mejor proteja a estos estanques en un ciclo diario durante el verano.

Materiales y métodos

se construyeron 13 modelos cúbicos de 1.22 metros por lado, a base de barrote de madera de cuatro por ocho cen-tímetros, triplay de un centímetro y placas de poliestireno de 10 centímetros al interior de paredes y piso. para evitar la infiltración se sellaron con silicón todas las juntas inte-riores del modelo. como acabado final, en las paredes y techos de los modelos se aplicaron dos capas de pintura vinílica de color blanco. los estanques de lámina galvaniza-da, de un metro de ancho, un metro de largo y cinco centí-metros de profundidad, se llenaron con 4.5 centímetros de agua. después, se pusieron los estanques sobre un basti-dor de madera de 1.5 por cinco centímetros, se colocaron a presión en las paredes de poliestireno y se sellaron las orillas de los estanques con poliespuma.

Tipos de cubierta

1) panel móvil, con capa superior e inferior de metal en

color beige, y alma de poliestireno de cinco centímetros de espesor. se cierra en el día y se abre en la noche.

2) pérgola móvil de madera, abierta de noche y cerrada en el día.

3) concreto y viguetas, sin bovedilla, con aislamiento tér-mico a base poliestireno de cinco centímetros, colocado encima de la capa de compresión, con malla metálica en capa de mortero de un centímetro.

4) panel del mismo tipo que la primera cubierta, pero fijo.5) bóveda de ferrocemento, con varillines de un cuarto de

pulgada, malla de gallinero, con dos centímetros de es-pesor de mortero cemento-arena, y ladrillo de un centí-metro de espesor como cimbra.

6) cañón corrido doble, con un espacio de aire de diez centí-metros para descarga de calor por la parte superior de la cu-bierta, construida con triplay de tres octavos de pulgada.

7) pérgola de madera en posición fija. su diseño impide la incidencia de la radiación solar directa en el estanque.

8) poliestireno de 25 centímetros de espesor, con hoyos verticales, que representa 40 por ciento del área de la cubierta.

9) lámina de policarbonato.

Todas las cubiertas miden en planta 1.22 por 1.5 metros, alargadas en el sentido norte-sur y colocadas a quince cen-tímetros de altura del estanque (figuras 1 a 9).

se ubicaron los modelos en la azotea de la Facultad de arquitectura y diseño de la uabc a 2.5 metros de distancia entre sí en el sentido este-oeste y 2.3 metros en el sentido

FIGURAS � a 6 | de izquierda a derecha y de arriba a abajo: panel móvil; pérgola móvil, de madera, concreto y vigueta sin bovedilla, panel fijo, bóveda de

ferrocemento y ladrillo, y cañón corrido con descarga de calor.



norte-sur, para facilitar su exposición al medio ambiente (figura 10). el sitio permite el registro de datos, cuenta con seguridad del equipo de medición y se ubica a 300 metros de la estación meteorológica del instituto de ingeniería, la cual registra datos de radiación, viento, temperatura y hu-medad del ambiente.

FIGURA �0 | vista general de los modelos.

Tipos de estanquese usaron 10 modelos para estudiar los estanques abiertos (ea), con la influencia de protección de nueve cubiertas en el agua y un ea sin cubierta (figura 11). Todos los ea tienen en-friamiento evaporativo, y las cubiertas 1 y 2 permiten además enfriamiento radiativo nocturno, mientras las cubiertas 7 y 8 tienen enfriamiento radiativo en forma parcial.

se usaron tres modelos para estudiar los estanques ce-rrados (ec), con dos cubiertas (panel y pérgola móviles, y un ec sin cubierta (figuras 12 a 14).

se midió la temperatura del agua en los estanques, a cada hora, con un termómetro de mercurio certificado por astm, con precisión de 0.1º F. hubo tres periodos de me-dición, de una semana cada uno; en el primero se aprendió a usar el termómetro, con una prueba para corroborar el tiempo de respuesta. se midió la temperatura del aire de un espacio y de agua con hielo, registrando el tiempo en segundos para estabilizar la lectura. También se optimizó el tiempo de recorrido entre los modelos, sobre todo en la

noche, con una diferencia máxima de cinco minutos entre el primer registro de datos y el último.

no se registró la temperatura del aire en el interior de los modelos por problemas técnicos con el sistema auto-mático de adquisición de datos. se revisaron posibles fuen-tes de error y no se encontró la falla en el sistema; por ello, una limitación del estudio es que no se contó con informa-ción del interior de los modelos para calcular el potencial de enfriamiento en cada módulo. sólo se observó el efec-to de enfriamiento en los estanques con la medición de la temperatura del agua.

asimismo, se calcularon los valores promedio de la tem-peratura máxima, media y mínima del agua y del ambiente en los ea de los periodos de medición (14 a 19 de septiem-bre, y 8 a 12 de octubre de 2007). se obtuvieron tres dife-rencias de temperatura:

1) ambiente máxima media menos la máxima media del agua en ea: ta Máxm-tea Máxm.

2) ambiente promedio media menos la promedio media del agua en ea: ta Prom-tea Prom.

3) ambiente mínima media menos la mínima media del agua en ea: ta Mínm-tea Mínm.

se realizó un análisis de varianza, con la herramienta Anova: single factor de excel, para encontrar diferencias sig-nificativas de temperatura del agua de los estanques. se contrastó el valor F calculado y el valor crítico de F, con un alpha de 0.05.� se clasificaron las cubiertas con este proce-dimiento.

se complementó el análisis de datos, en excel, con la correlación lineal entre la temperatura ambiente y la tempe-ratura del agua de cada estanque. se obtuvieron las ecua-ciones de regresión de cada tratamiento, en ea y en ec.

7 Nivel de significancia (probabilidad de tener un error tipo I, que es rechazar una hipótesis verdadera).

FIGURAS 7 a 9 | de izquierda a derecha: pérgola fija de madera, poliestireno con hoyos verticales y lámina de policarbonato.



Resultados de cubiertas con estanques abiertos8

en ambos periodos se observó que las temperaturas del agua en los ea fueron menores a la del ambiente a todas horas (ver figuras 15 y 16). se obtuvieron diferencias de la temperatura ambiente con la del agua en ea, en la madru-gada de 3 ºc a 6 ºc, y por la tarde de 7 ºc a 17 ºc, en ocho de las nueve cubiertas.

FIGURA �5 | temperatura del agua en ea, con nueve diferentes cubiertas. del

14 al 19 de septiembre.

8 Las figuras y tablas de resultados se elaboraron con datos pro-pios, por lo que se omite en ellas la referencia.

FIGURA �6 | temperatura del agua en ea, con nueve diferentes cubiertas. del

8 al 12 de octubre.

se calcularon los valores promedio, varianza, promedio de grupo y la diferencia entre grupos de acuerdo con TA Máxm-tea Máxm (ver tablas 1 y 2). se obtuvieron cuatro grupos, con rangos promedio de 12.5 ºc a 14.9 ºc, en ocho cubiertas (grupos a y b) por la tarde (ver tabla 3).

se obtuvieron cuatro grupos en septiembre y cinco en octubre, de acuerdo con la diferencia ta Prom-tea Prom (ver tablas 4 y 5), con rangos promedio de 8.9 ºc a 12 ºc, en ocho cubiertas (grupos a, b y c) durante todo el día (tabla 6).

con los valores de ta Mínm-tea Mínm se obtuvieron tres grupos en ambas fechas (ver tablas 7 y 8), con rangos

FIGURAS �� a �4 | de izquierda a derecha y de arriba a abajo: modelo de estanque abierto (ea) sin cu-

bierta, panel móvil con estanque cerrado, pérgola móvil con estanque cerrado y modelo de estanque

cerrado (ec) sin cubierta.


Palapa | Vol. 1ii | Núm. especial | Octubre de 2008 4�

TABLA � |

resultados de cubiertas en ea, de acuerdo con ta Máxm-tea Máxm, en

septiembre.

(ta Máxm-tea MáxM) Septiembre Grupos con estanque abiertoCubierta Promedio

(°C)Varianza Grupo Promedio

(°C)Dif. (°C)

Concreto 15.15 3.12

Panel móvil 15.07 2.78 A 14.92 1.24

Panel fijo 14.54 2.49Bóveda 14.19 3.03Pérgola móvil 13.98 2.82Cañón corrido 13.89 2.46 B 13.68 7.65 Poliestireno 13.74 2.20Pérgola fija 12.59 1.75Policarbonato 6.03 2.32 C 6.03 3.00 Est. abierto 3.03 4.55 D 3.03

TABLA 2 |

resultados de cubiertas en ea de acuerdo a ta Máxm-tea Máxm, en octubre.

(ta Máxm-tea MáxM) octubre Grupos con estanque abiertoCubierta Promedio


(°C)Dif. (°C)

Panel móvil 14.08 0.39Concreto 13.83 0.63 A 13.76 1.22Panel fijo 13.36 0.38Bóveda 12.99 0.65Poliestireno 12.90 0.24Pérgola móvil 12.46 0.32 B 12.54 7.20Pérgola fija 12.22 0.40Cañón corrido 12.11 0.21Policarbonato 5.33 0.32 C 5.33 3.14Est. abierto 2.19 1.46 D 2.19

TABLA 3 |

clasificación de cubiertas en estanques abiertos, por ta Máxm-tea Máxm.

Cubiertas con EA (ta Máxm-tea MáxM)Cubierta No. Rango (°C) Grupo

Concreto 1Panel móvil 2 13.7 a 14.9 APanel fijo 3Bóveda 4Pérgola móvil 5Cañón corrido 6 12.5 a 13.7 BPoliestireno 7Pérgola fija 8Policarbonato 9 5.3 a 6 CEstanque abierto 10 2.2 a 3 D

TABLA 4 |

resultados de cubiertas en ea, de acuerdo con ta Prom-tea Prom, en sep-

tiembre.

(ta Prom-tea Prom) Septiembre Grupos con estanque abiertoCubierta Promedio


(°C)Dif. (°C)

Panel móvil 11.97 1.98 A 11.97 1.49Pérgola móvil 10.90 1.49Concreto 10.75 1.34Panel fijo 10.59 1.35Bóveda 10.44 1.23 B 10.48 2.72Cañón corrido 10.31 1.38Poliestireno 10.26 1.15Pérgola fija 10.11 0.95Est. abierto 7.76 1.18 C 7.76 0.40Policarbonato 7.36 1.39 D 7.36

TABLA 5 |

resultados de cubiertas en ea, de acuerdo a ta Prom-tea Prom, en octubre.

(ta Prom-tea Prom) Octubre Grupos con estanque abiertoCubierta Promedio


(°C)Dif. (°C)

Panel móvil 11.40 0.63 A 11.40 1.77Pérgola móvil 9.64 0.40 B 9.64 0.67Concreto 9.22 0.32Panel fijo 9.19 0.28Bóveda 9.10 0.32 C 8.97 2.06Pérgola fija 8.98 0.18Poliestireno 8.84 0.27Cañón corrido 8.49 0.27Est. abierto 6.91 0.49 D 6.91 1.17Policarbonato 5.74 0.20 E 5.74

TABLA 6 |

clasificación de cubiertas en estanques abiertos, por ta Prom-tea Prom.

Cubiertas con EA (ta Prom-tea Prom)Cubierta No. Rango (°C) Grupo

Panel móvil 1 11.4 a 12 APérgola móvil 2 9.6 a 10.9 BConcreto 3Panel fijo 4Bóveda 5Cañón corrido 6 8.9 a 10.4 CPoliestireno 7Pérgola fija 8Estanque abierto 9 6.9 a 7.8 DPolicarbonato 10 5.7 a 7.4 E



promedio de 4.5 ºc a 9.2 ºc, en tres cubiertas (grupos a y b), y de 2.3 ºc a 5.7 ºc en cinco cubiertas (grupo c) por la madrugada (tabla 9).

con la clasificación de cubiertas de acuerdo con ta Máxm-tea Máxm, ta Prom-tea Prom y ta Mínm-tea Mínm, de las tablas 3, 6 y 9, respectivamente, se realizó una síntesis de las cubiertas, ordenadas de mayor a menor efecto en los ea (tabla 10). las ecuaciones de regresión de cubiertas con ea se presentan en la tabla 11. el consumo promedio de agua por evaporación en los nueve ea fue de 5.2 a 5.8 l/m2 al día, y en el ea sin cubierta, fue de 6.8 l/m2 al día.

Resultados de cubiertas con estanques cerrados

la temperatura del agua fue de -8 ºc en relación con la tem-peratura ambiental, en 10 horas, y +4 ºc en las restantes 14, en los dos tipos de cubierta. en el ec sin cubierta fue de -4 ºc y +8 ºc en ambos periodos (figuras 17 y 18). el agua evaporada en los ec fue de 0.01 l/m2 día. las ecuaciones de regresión se presentan en la tabla 12.

Discusión de cubiertas con estanque abierto

el panel móvil tuvo una diferencia de temperatura prome-dio del agua del ea con la del ambiente de 11.4 ºc a 12 ºc (tabla 6), debido a su resistencia térmica, al efecto de som-breado, al enfriamiento evaporativo diurno y al enfriamien-to radiativo nocturno.

a pesar de que la pérgola móvil no contó con aislamien-to térmico, su ea tuvo enfriamiento radiativo, sin plena vista al cielo, con una diferencia de temperatura promedio con el panel móvil de sólo 1.1 ºc a 2.8 ºc (tabla 6).

los resultados de panel y pérgola móviles coincidieron con los de varios autores, ya que permiten enfriamiento evaporativo diurno y enfriamiento radiativo nocturno (gi-voni, 1981, 1994; gonzález, 1990, 1997; gonzález et al., 2000; santamouris y asimakopoulos, 1996).

las cubiertas con resistencia y masa térmica en c1 (con-creto, panel fijo y bóveda) tuvieron ventajas por la tarde sobre el grupo c2 (cañón corrido, pérgola fija y poliestire-no). en el cañón corrido faltó aislamiento térmico, al igual que en la pérgola fija, y se cree que recibía radiación difusa por la cara norte y radiación reflejada en la cara sur, debido a la inclinación de cada pérgola. el poliestireno presentó parcial enfriamiento radiativo nocturno, con resistencia térmica en el día, pero a su vez recibía radiación difusa y reflejada por sus hoyos.

de acuerdo con la literatura, la combinación de cubier-tas de c1 y c2 con ea no se había ensayado. la diferencia de temperatura promedio de todo el grupo c con el panel

móvil (grupo a) fue de sólo 1.6 ºc a 2.5 ºc (tabla 6). la tem-peratura media del ea sin cubierta mostró la importancia de las ocho cubiertas de los grupos a, b y c en el periodo diurno. el policarbonato fue una cubierta inadecuada para protección del ea (tabla 6).

el coeficiente de determinación de cubiertas con ea fue alto, siendo menor en cubiertas con masa y retardo térmico (concreto y bóveda). además, el consumo de agua en los nueve ea fue alto, si se compara con experimentos simila-res en clima cálido húmedo, donde se encontraron valores promedio de 1.8 l/m2 por día (gonzález, 1997), lo cual se explica porque el aire del ambiente en un clima cálido seco puede aceptar mayor cantidad de agua en forma de vapor que en un clima cálido húmedo.

Discusión sobre cubiertas con estanque cerrado

el panel móvil fue la mejor cubierta y le siguió la pérgola móvil, ambas con enfriamiento radiativo nocturno del ec. el modelo con más desventajas fue el ec sin cubierta, con retardo térmico notorio en el periodo nocturno.

el coeficiente de determinación de las dos cubiertas con retardo térmico en ec fue relativamente bajo. la mayor dis-persión de valores fue entre los 22 ºc y 37 ºc. es necesario ensayar los ec en condiciones climáticas más extremas y corrobar si el retardo térmico es una fuente de variación en el experimento o si hay alguna otra.

por otra parte, el consumo de agua en los ec fue casi nulo, por deficiencias en su construcción que permitieron evaporación, y hubo además un espacio de aire de cinco milímetros, lo que actuó como aislante térmico entre la tapa metálica y el agua del estanque. por ello, los resul-tados del panel y pérgola móviles no coincidieron con los de otros autores que le atribuyen eficiencia a este tipo de estanque (gonzález, 1990, 1997).

Conclusión

la mejor cubierta para proteger al estanque fue el panel móvil; le siguió en orden la pérgola móvil, aunque se debe aislar térmicamente para mejorar su eficiencia. ambas cubiertas necesitan un dispositivo de apertura, lo que de acuerdo con la literatura es una desventaja por su costo inicial y de operación.

las cubiertas de concreto, panel fijo, bóveda, cañón co-rrido doble y pérgola fija dieron buenos resultados (tablas 3, 6, 9) y es posible aun mejorarlos. la combinación de es-tas cubiertas con ea es una aportación del estudio, por sus ventajas térmicas y por ser cubiertas fijas que no necesitan mantenimiento.



TABLA 7 |

resultados de cubiertas en ea, de acuerdo con ta Mínm-tea Mínm, en

septiembre.

(TA MínM-TEA MínM) Septiembre Grupos con estanque abiertoCubierta Promedio


(°C)Dif.(°C)

Est. abierto 9.34 2.31 A 9.21 1.96

Panel móvil 9.07 2.65 Pérgola móvil 7.25 2.90 B 7.25 1.58 Pérgola fija 6.42 2.42 Policarbonato 5.83 2.17 Panel fijo 5.68 2.59 Cañón corrido 5.65 2.74 C 5.67Poliestireno 5.59 2.79 Bóveda 5.35 2.20 Concreto 5.16 3.04

TABLA 8 |

resultados de cubiertas en ea, de acuerdo con ta Mínm-tea Mínm, en

octubre.

(TA MínM-TEA MínM) Octubre Grupos con estanque abierto

CubiertaPromedio

(°C)Varianza Grupo

Promedio (°C)

Dif. (°C)

Est. abierto 7.39 0.87A 7.18 2.67

Panel móvil 6.97 1.18Pérgola móvil 4.51 1.10 B 4.51 2.20Pérgola fija 3.28 1.07Policarbonato 2.46 1.15Panel fijo 2.32 1.27Cañón corrido 2.27 1.31 C 2.31Bóveda 2.26 1.15Poliestireno 2.16 1.25Concreto 1.44 1.66

TABLA 9 |

clasificación de cubiertas en estanques abiertos, por ta Mínm-tea Mínm.

Cubiertas con EA (TA MínM-TEA MínM)Cubierta No Rango (°C) GrupoEstanque abierto 1 7.2 a 9.2 APanel móvil 2Pérgola móvil 3 4.5 a 7.2 BPérgola fija 4Policarbonato 5Panel fijo 6Cañón corrido 7 2.3 a 5.7 CPoliestireno 8Bóveda 9Concreto 10

TABLA �0 |

síntesis de cubiertas en estanques abiertos.

Cubierta con ea No. Tipo de Enfriamiento

GrupoEvaporativo Radiativo

Panel móvil 1 P P APérgola móvil 2 P P BConcreto 3 PPanel fijo 4 P C1Bóveda 5 PCañón corrido 6 PPérgola fija 7 P P C2Poliestireno 8 P PPolicarbonato 9 P DEstanque abierto 10 P P E

TABLA �� |

ecuaciones de regresión lineal de cubiertas con ea.

Cubierta con ea Ecuación de Y R2

Panel móvil 0.7227x - 3.7596 0.8272Pérgola móvil 0.6673x - 0.78 0.8229Concreto 0.4663x + 5.3049 0.5934Panel fijo 0.5487x + 3.0224 0.7285Bóveda 0.5340x + 3.5778 0.6668Cañón corrido 0.5689x + 2.9031 0.7587Pérgola fija 0.6536x + 0.3603 0.8395Poliestireno 0.5668x + 2.8427 0.7576Policarbonato 0.8844x - 3.3614 0.8858Estanque abierto 1.1722x - 12.42 0.8234

TABLA �2 |

ecuaciones de regresión lineal de cubiertas con ec.

Cubierta con ec Ecuación de Y R2

Panel móvil 0.5633x + 9.3473 0.6265Pérgola móvil 0.6150x + 9.2519 0.6607Estanque cerrado 0.9647x + 4.0708 0.7475

el policarbonato fue inadecuado para proteger el ea, mientras el poliestireno con hoyos verticales tuvo proble-mas de mantenimiento, por lo que ambas cubiertas se des-cartan de este estudio. la pérgola fija todavía puede me-jorarse. También es posible ensayar nuevas cubiertas, por ejemplo una barrera radiante.

con respecto a los estanques, por ahora fue más eficien-te térmicamente el tipo abierto que el cerrado. una des-ventaja del ea es su limpieza y mantenimiento. conviene mejorar el diseño de estanques para mejorar su desempe-ño térmico.

en las etapas posteriores del proyecto será necesario experimentar en condiciones climáticas más extremas de



verano, así como registrar la temperatura interior de los modelos para calcular el potencial de enfriamiento de cada estanque, de modo que se pueda plantear un sep para cli-ma cálido seco extremo.

FIGURA �7 | temperaturas del agua en ec, con dos diferentes cubiertas. del

14 al 19 de septiembre.

FIGURA �8 | temperaturas del agua en ec, con dos diferentes cubiertas. del

8 al 12 de octubre.

Agradecimientos

al conacyt, por la beca de estudios en el pida del primer autor; al conafovi y a la Facultad de arquitectura y diseño (uabc), por el apoyo logístico para este proyecto; al doctor aníbal luna y a los ingenieros ricardo gallegos y daniel sauceda, por su gran apoyo y asesoría en la instrumenta-ción; y a los estudiantes domingo Torres y giancarlo reyes, por su invaluable ayuda en la construcción de los mode-los.

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J. EDUARDO VÁZQUEZ TÉPOX | arquitecto por la benemérita universidad autónoma de puebla y maestro en arquitec-tura por la uabc. perito constructor y miembro del colegio arquitectos de Mexicali. profesor-investigador en la uabc y alumno del pida. segundo lugar en el premio nacional ahorro de energía del centro de investigación de la comi-sión para el ahorro de energía del Municipio de Mexicali (caemm), en 1992. autor del libro Alternativas de adecuación ambiental en la vivienda en Mexicali para el ahorro de energía, editado en 1991 por la caemm, y de otras obras especializa-das en el tema. líneas de investigación: diseño bioclimáti-co en clima cálido seco, arquitectura subterránea, sistemas pasivos de enfriamiento, geometría solar avanzada.EDUARDO M. GONZÁLEZ CRUZ | arquitecto egresado de la Fa-cultad de arquitectura y diseño de la universidad de zulia. doctor en energética (Francia, 1997) y profesor titular-in-vestigador. congresista internacional y premio nacional para la investigación en Vivienda en 1997, se ha desempe-ñado como director del instituto de investigaciones, arqui-tectura y diseño (1998-2001) y como coordinador adjunto del doctorado en ciencias ambientales, politécnica Madrid y zulia (2005-2007). línea de investigación: arquitectura bioclimática y urbanismo sustentables, sistemas de enfria-miento pasivo, confort y desempeño térmico de edificios.MIGUEL F. ELIZONDO MATA | arquitecto por la universidad de guadalajara (udeg) y maestro en diseño bioclimático por la Facultad de arquitectura y diseño de la universidad de colima (udec). posgraduado en 1991 de la escuela Técni-ca superior de arquitectura de la universidad politécnica de cataluña, es doctor en arquitectura por la universidad nacional autónoma de México. catedrático en la udec, udeg, uaem, isthmus panamá, pachuca y pida, es direc-tor del cencadar y profesor-investigador de la Facultad de arquitectura y diseño de la udec. líneas de investigación: arquitectura y medio ambiente, arquitectura y patrimonio.

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