Miguel R.
Corrales Picardo

Resumen

El trabajo determinó la influencia de un patio techado con vidriado para mejorar el confort térmico de una vivienda de control mínimo ubicada en la ciudad de Huaraz-Perú; para lo cual se comparó la misma vivienda antes de cubrir el patio y después de la intervención. El cálculo térmico se efectúo mediante el análisis de ganancias y pérdidas de calor. En conclusión, el patio con techado vidriado, incrementó la temperatura alrededor de 1,97 °C, mejorando el confort térmico de la vivienda, pasando de una temperatura media interna de 17,17° a 19,4 °C.

Palabras claves: patio; techo vidriado; control mínimo; radiación solar.

Introducción

La mayor radiación solar que se recibe durante todo el año en la ciudad de Huaraz, por estar cerca al Ecuador Terrestre (Latitud 9,5° S, longitud 75° O y a 3100 m.s.n.m.) es la horizontal, pues la energía solar incidente diaria de promedio anual está entre 5500 a 6000 W/$m^2$ (Atlas de Energía Solar del Perú, 2003). La temperatura media ambiente de cada mes del año, por estar cerca la Ecuador terrestre, es de alrededor de los $14 ± 1 °C$, no existiendo estaciones marcadas (Corrales, 2021). Son los patios y claraboyas de las viviendas localizadas en estos lugares, los que tienen la ventaja de recibir y aprovechar mejor la radiación solar horizontal para calentar los ambientes y lograr un mejor confort térmico.

Muchas viviendas en Huaraz, se han construido alrededor de un patio central sin techado vidriado, que sirve para iluminar los ambientes aledaños, pero no se aprovecha esta condición para mejorar el confort térmico de estas edificaciones; las viviendas generalmente se construyen con muros de ladrillo de $0,15 m$ de espesor y con techos de losas aligeradas de $0,20 m$, las que no tienen el confort térmico adecuado por ser de control mínimo.

Según Monroy (2006:118-121) en las viviendas de control mínimo, los ocupantes accionan mecanismos de regulación ambiental disponibles sin diseño solar pasivo específico; y establece entre otras, que para una temperatura ambiente promedio externa de $14 °C$ se llega a una temperatura interior media anual de $17,5 °C$. La Norma peruana $EM 110$ de Confort Térmico y Lumínico con Eficiencia Energética (2014), establece que temperatura ambiente interior para viviendas para confort térmico, debe alcanzar como mínimo los 18 °C. Según Szokolay (2014), para Huaraz para una temperatura anual media, le corresponde una temperatura neutra de confort de $T_n = 21,4 ± 2,5 °C$ (entre $18,9 °C$ a $23,9 °C$).

En regiones frígidas de latitudes mayores a 30°, se aprovecha la energía solar por medio de diseños solares pasivos, mediante una envolvente térmica adecuada, utilizando invernaderos, muros trombe y ventanas orientada al norte (o sur según la latitud) debido a que los paramentos verticales orientados en esa dirección reciben mayor radiación durante todo el año, pero no utilizan los patios por tener poco asoleamiento (Abraham, 2017).

Uno de los problemas cruciales en las primeras etapas del proceso de diseño de un edificio es la falta de conocimiento de los arquitectos sobre el consumo de energía en diferentes formas de construcción con diferentes proporciones, especialmente en las formas del patio central (Tayari y Nikpour, 2022).

Los patios actúan como espacios intermedios importantes, pero no se tienen en cuenta en los estándares de confort. Los estándares normativos que regulan el confort adaptativo no toman en cuenta los parámetros que integran este tipo de espacios en las edificaciones, con el potencial templado que proporciona el microclima generado (Diz et al., 2021).

El diseño de la envolvente de los patios tiene un efecto significativo en el consumo de energía; en un caso de estudio en China, el factor más influyente en el uso anual de energía para calefacción, es el valor U del vidriado del patio, que explica casi el 60 % de los cambios en el uso de energía para calefacción. El efecto del coeficiente de ganancia de calor solar en dos tipos de diseños efectuados es tan alto como 82 % y 79 % para el uso de energía de iluminación en este caso de estudio (He, Tian y Shao, 2022).

Los patios vidriados pueden reducir la temperatura interior de las edificaciones en climas cálidos y aumentarla en climas fríos. Los resultados al usar un patio en una edificación en China, donde la temperatura ambiente natural promedio se redujo en aproximadamente 1 °C en verano y aumentó en aproximadamente 2 °C en invierno, demuestra que el diseño propuesto de un patio envidriado puede ahorrar alrededor del 19,6 % de las cargas de refrigeración en verano y alrededor del 22,3 % de las cargas de calefacción en invierno (Xu et al., 2018).

Zarghami y Pourbagher (2016) indican que un patio de invierno es un patio con un techo en su parte superior como invernadero; en inviernos crudos en Irán, al aire libre se llega a $-5 °C$ en promedio; para el patio típico techado la temperatura es de aproximadamente $+15 °C$ y dentro de la casa se trata de $+24 °C$. Bagheri, Hadi y Baradaran (2020) concluyeron que cuando la claraboya se cierra en invierno se crea un efecto invernadero, la temperatura de la zona del atrio durante la primera semana de invierno (22-28 de diciembre) osciló entre $10 °C$ y $23 °C$; sin embargo, la temperatura del aire libre osciló entre $-5 °C$ y $14 °C$ durante el mismo intervalo de tiempo; en promedio, la temperatura de la zona del atrio fue aproximadamente $15 °C$ más alta que la temperatura del aire libre en invierno. Yasa (2017) establece que el promedio del valor calorífico de la superficie en la tipología del patio, es de aproximadamente $21 °C$ y se observa que es de $40$ a $45 °C$ en la opción del atrio, que es un patio techado.

En lugares sobre los 3,500 m.s.n.m. en el centro y sur del Perú, se han efectuado estudios con muros trombe e invernaderos orientados al norte, mas no con patios como los de Aquino (2018), Wieser, Rodríguez y Onnis (2021), Molina, Horn y Gómez (2020); los que alcanzaron temperaturas interiores de confort térmico entre $19$ a $21 °C$.

En Huaraz; Silva, Depaz y Alva (2016), techaron un patio central de una vivienda con vidriado; obteniendo como resultado que la temperatura interior se incrementaba entre $1,2$ a $2,6 °C$ en promedio. Corrales (2021) efectuó un estudio de mejoramiento de la envolvente térmica de una vivienda en Huaraz, utilizando radiación solar directa por ventanales e indirecta por muros trombes, calentando los espacios habitables a $21 °C ± 1 °C$.

Los estudios de casos de patios vidriados, son ínfimos, por eso el objetivo de la presente investigación es determinar la influencia del techo vidriado de un patio en el confort térmico de una vivienda típica en la ciudad de Huaraz, trabajo que permita dar mayor alcance sobre este aspecto.

Materiales y Métodos

De acuerdo a la orientación, la investigación fue aplicada, debido a que está orientada a lograr un nuevo conocimiento destinado a soluciones prácticas. El diseño de la investigación es cuasi experimental, donde los grupos no están asignados aleatoriamente, existiendo un grupo de control y un grupo experimental. La población, por ser un estudio de un caso, es igual que la muestra. La metodología consistió en diseñar una vivienda con un patio central sin techar de control mínimo, para luego compararla energéticamente cuando se techa el patio con un vidriado.

Se obtuvo los datos meteorológicos de Temperatura y Humedad de la Estación Meteorológica de Shancayán del SENAMHI en Huaraz. La radiación solar vertical y horizontal en diferentes direcciones se obtuvo de Corrales y Villegas (2013). Para obtener la temperatura de confort térmico se utilizó la temperatura interior de cálculo 20 °C.

Se determinó la transmisión térmica y los flujos de calor de los diferentes tipos de la superficie envolvente, que permitió efectuar el balance energético hora a hora en el día medio del mes más frío (junio) de cada vivienda, las que se orientaron de este y oeste por ser la mejor orientación, luego se comparó los resultados (Corrales, 2021). El balance energético se efectuó hora a hora en el día medio del mes más frío (junio) en cada vivienda en dirección E-O utilizando la ecuación (1):

$$Q={θ_{conducción}}+{θ_{transmisión}}+θ_{ocupantes} _y _{equipos}+{θ_{ventilación}} $$

$$Q=∑^n_{i=1}K_i S_i (T_{sai}-T_{int})+∑_l^mτ_i S_i E_{si}+∑_i^wP_i +Q_m c_a (T_{ext}- T_{int} )$$

La temperatura interior hora a hora se obtuvo al aplicar las ecuaciones 3 y 4

$$T_{int}={Q_m c_a T_{ext}+∑S_i T_{sa}+∑P_i +∑τ_i S_i E_{si}} / {Q_m C_a+∑S_i K_i}$$

Donde $K=$ la conductancia del elemento de cierre. $S_i=$ la superficie. $T_{sai}=$Temperatura sol aire. $T_{int}$= temperatura interior de cálculo (20 °C). $τ$ = coeficiente de transmisión del vidrio. $E_{si}=$ Energía solar transmitida. $P_i=$ calor de fuentes internas: ocupantes, equipos e iluminación. $Q_m=$ Caudal másico de ventilación. $C_a=$ calor específico del aire. $T_{ext=}$ temperatura exterior. La conductancia en caso de pisos es $KiSi$ ($T_{int}-T_{terreno}$).

Para la variación de temperatura horaria se utilizó la ecuación siguiente:

$$T= {0,61Qs}/{DHC}$$

Donde: $T=$ variación de temperatura horaria. $DHC=$ suma de $Ai. dhci$ donde $Ai=$ área de paredes, techos y pisos de almacenamiento y $dhci=$ respectiva capacidad diurna (Abraham 2017).

La ecuación para evaluar el performance térmico del patio está basada en:

$$R.A_r U_r.A_r (T_s-T_o )+U_w.A_w (T_s-T_a )+U_v.A_V (T_s-T_a )+ACH.(T_s-T_o)$$

Donde $R=$ radiación solar que pasa por el vidrio. $U=$ valor de $U$. $Ts=$ temperatura invernadero. $Ar=$ área de colector. $Aw=$ área de muros. $Ta=$ Temp. cuarto adyacente. $To=$ Temp. exterior. $ACH=$ cambio aire/ hora. $V=$ volumen del invernadero.

Resultados

Figura 1. Vivienda V1: Existente sin patio techado - Vivienda V2: Es la V1 con patio techado

Figura 2. Corte A-A del patio sin techar y con patio techado.

Tabla 1:Balance energético en W/m2 °C y temperatura interior en °C del patio techado \

$H$	$I$	$R$	$Ar$	$Uw$	$Uv$	$Av$	$Aw$	$Ta$	$To$	$Ur$	$ACH$	$V$	$TS$
1	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	8,4	5,78	0,75	106,6	15,8
2	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	7,5	5,78	0,75	106,6	15,4
3	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	6,6	5,78	0,75	106,6	15,1
4	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	5,7	5,78	0,75	106,6	14,8
5	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	4,8	5,78	0,75	106,6	14,4
6	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	3,9	5,78	0,75	106,6	15,1
7	137,54	63,18	18,2	2,532	5,80	25,3	69,28	20,0	5,6	4,481	0,75	106,6	17,6
8	314,64	184,18	18,2	2,532	5,80	25,3	69,28	20,0	13,3	4,481	0,75	106,6	24,7
9	466,72	297,26	18,2	2,532	5,80	25,3	69,28	20,0	15,6	4,481	0,75	106,6	29,7
10	583,42	383,95	18,2	2,532	5,80	25,3	69,28	20,0	16,1	4,481	0,75	106,6	33,2
11	656,78	437,11	18,2	2,532	5,8	25,3	69,28	20,0	17,1	4,481	0,75	106,6	35,5
12	681,80	453,77	18,2	2,532	5,8	25,3	69,28	20,0	19	4,481	0,75	106,6	36,7
13	656,78	437,11	18,2	2,532	5,80	25,3	69,28	20,0	21,0	4,481	0,75	106,6	36,8
14	583,42	383,95	18,2	2,532	5,80	25,3	69,28	20,0	22,5	4,481	0,75	106,6	35,3
15	466,72	297,26	18,2	2,532	5,80	25,3	69,28	20,0	22,4	4,481	0,75	106,6	32,0
16	314,64	184,18	18,2	2,532	5,80	25,3	69,28	20,0	20,4	4,481	0,75	106,6	27,1
17	137,54	63,18	18,2	2,532	5,80	25,3	69,28	20,0	19,5	4,481	0,75	106,6	22,2
18	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	17,7	5,78	0,75	106,6	19,2
19	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	13,8	5,78	0,75	106,6	17,7
20	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	12,9	5,78	0,75	106,6	17,4
21	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	12,4	5,78	0,75	106,6	17,2
22	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	11,8	5,78	0,75	106,6	17,0
23	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	11,1	5,78	0,75	106,6	16,7
24	0,00	0,00	18,2	2,532	5,78	25,3	69,28	20,0	19,9	5,78	0,75	106,6	16,7
Total	5000	3185											21,3

Figura 3. Temperatura interior horaria alcanzada en el patio techado en °C

Tabla 2. Balance energético en W/m2 °C y temperatura interior en °C de la vivienda V1 para el mes de junio (sin patio encristalado)

Tabla 3. Balance energético en W/m2 °C y temperatura interior en °C de la vivienda V2 con patio techado de vidrio para el mes de junio

Figura 4. Comparación térmica de la temperatura interior en °C horaria de las viviendas V1 y V2 en relación a la temperatura exterior en °C

Discusión

La vivienda V1 de la Fig.1, es una edificación típica de dos niveles orientada al este y oeste, donde las habitaciones se distribuyen alrededor de un patio central; con una superficie envolvente caracterizada con muros de ladrillo de 0,15 m, con cubierta de losa aligerada, pisos de cerámico, ventanales con vidrio de 4 mm con control mínimo.

La V2, es la misma vivienda, con la diferencia de que el patio central está techado con una cobertura de vidrio de 4 mm de espesor y donde el muro lateral norte del patio cubre todo el vano; se aprecia sus características en la Fig. 1 y Fig. 2.

El patio de techo vidriado de la Fig. 3 que se analiza en la Tabla 1: debido al efecto invernadero, el patio llega a una temperatura entre los 14,1 a 36,8 °C con un promedio de 21,3 °C, transfiriendo durante el día 57969 W sobre las habitaciones circundantes, ayudando a bajar el consumo de energía ((Tayari y Nikpour, 2022), actuando como un espacio intermedio importante generando un microclima muy especial, coincidiendo con Diz et al. (2021). También el patio sirve para dar el 100 % de iluminación a las habitaciones que le circundan, que es superior al 82% dadas por He, Tian y Shao (2022), esto debido a que son diferentes latitudes.

La temperatura promedio interior hallada en la Tabla 1, en el patio cubierto es de 21,3 °C para condiciones de temperatura exterior mínima de 3,9 °C, elevándose un total de 17,4 °C; resultados aproximados a los hallados por Zarghami y Pourbagher (2016), quienes en un estudio en Irán, determinaron una temperatura del patio cubierto de 15 °C para una temperatura exterior mínima de -5 °C, elevándose la temperatura en 20 °C, casi coincidente con Bagheri, Hadi y Baradaran (2020) en que la temperatura del atrio es aproximadamente 15 °C más alta que la temperatura de invierno. La temperatura máxima interior del patio según la Tabla 1 llega hasta los 36,8 °C, que se acerca a los 40 °C que estableció Yasa (2017).

Las ganancias de calor de la V1 mostrada en la Tabla 2 es de 75878 W, que son menores que las pérdidas de 131765 W, alcanzando una temperatura interior promedio de 17,17 °C (16,50°C ± 1,60); en cambio, las ganancias de las V2 de la Tabla 3, son de 101078 W, también menor que las pérdidas que llegan a 116113 W, alcanzando una temperatura interior promedio de 19,14 °C (18,80° C ± 1,41). Las pérdidas en ambos casos son mayores, debido a que la temperatura interior de cálculo fue de 20° C.

Los cálculos energéticos de la temperatura de 17,17 °C de la V1 son correctos, coinciden con lo indicado por Monroy (2006: 118-121), que afirma: una vivienda de control mínimo llega a una temperatura interior promedio aproximada a 17 °C cuando su temperatura media exterior es de 14°C; también es aproximado a los resultados de la vivienda típica analizada por Corrales (2021) en Huaraz que llega a los 16,6 °C.

En la Fig. 4 se muestra las temperaturas interiores alcanzadas por la V1 y la V2 con respecto a la temperatura ambiente exterior, en ella se nota, que la temperatura de la V2 permanece a una distancia casi constante de 1,97 °C sobre la V1. La temperatura exterior es bastante oscilante entre los 3,9 °C a los 22,5 °C, mientras que la temperatura interior de la V1 oscila entre 14,89 °C a 18,10 °C y la V2 entre 17,38 °C a 20,21 °C, esto se debe a la protección de la cobertura envolvente.

La diferencia de temperatura de la V2 sobre la V1 de 1,97 °C, se aproxima a los resultados de los 2° C indicados por Xu et al. (2018), así como a los de Silva, Depaz y Alva (2016): 1,2 a 2,6 °C.

La norma EM 110 de Confort Térmico y Lumínico con Eficiencia Energética (2014), establece como temperatura mínima de confort para viviendas es de 18°C, la V1 tiene 3 horas con temperaturas ≥18 °C y la V2 llega a 20 horas. Si se considera la temperatura de confort térmico establecida por la fórmula de Szokolay (2014) para Huaraz es una temperatura neutra de 21,4 °C, siendo la mínima 18,9 °C y la máxima 23,9 °C; en la V1 ninguna hora está en confort térmico, ya que las temperaturas interiores están menos de 18,9 °C; en cambio en la V2, tiene 15 horas mayor igual a 18,9 °C.

Debido al efecto invernadero del patio techado, la V2 tiene mejor comportamiento térmico que la V1; pero las temperaturas de confort están por debajo de la temperatura neutra de 21,4 °C, por lo que es necesario mejorar su cobertura envolvente, que es la que le dará mayor inercia y desempeño térmico, tal como lo indica Corrales (2021).

Conclusiones

El techado vidriado de un patio mejora el confort térmico de una vivienda con patio sin techo en la ciudad de Huaraz, elevando la temperatura de 17,7 °C a 19,14 °C, estableciendo un incremento promedio de 1,97 °C.

La temperatura interior del patio vidriado alcanza entre 14,1 a 36,8 °C con un promedio de 21,3 °C, transfiriendo durante el día 57969 W sobre las habitaciones circundantes.

Para mejorar el confort térmico de las viviendas típicas con patio techado, es necesario mejorar la cobertura envolvente y los mecanismos de control.

En latitudes bajas, cerca al Ecuador Terrestre, se recibe mayor radiación solar en las superficies horizontales, por lo tanto, los patios vendrían a ser el equivalente a los invernaderos que se utilizan en viviendas de latitudes altas.

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