Guia Eficiencia Energética para Establecimientos Educacionales by CItec UBB

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La Guía de Eficiencia Energética para Establecimientos Educacionales (GEEEduc) de la Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE) se desarrolló en el marco del “Programa de apoyo a la gestión de proyectos de edificación pública de alta Eficiencia Energética” de los años 2011 y 2012 del área Edificación de la AChEE. Empresa consultora: Centro de Investigación en Tecnologías de la Construcción - Universidad del Bío Bío (CITEC UBB). Primera edición Noviembre 2012

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Estimados amigos y amigas,

Cerrar un ciclo si bien significa cerrar una etapa, también se traduce en el comienzo de otro período, con horizontes, perspectivas y visión de futuro. Este es el espíritu y el sello que tiene la “Guía de Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales” que hoy les presenta la Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE), documento que viene a coronar el trabajo realizado durante 2011 y 2012 por el equipo del área de Edificación de la Agencia. Esta guía de diseño, especialmente elaborada para diseñadores de edificación educacional, entrega información técnica inédita y de gran valor para arquitectos, constructores e ingenieros. Creemos que el trabajo robusto de este material la constituye como una guía de consulta obligada, que entrega información técnica indispensable en el desarrollo de las aulas educativas con alto desempeño energético y estándares superiores de confortabilidad a lo largo de Chile, a través del acondicionamiento térmico de la envolvente y la incorporación de tecnologías disponibles y costo-eficientes, que a su vez aumentan estándares de confortabilidad y desempeño energético.

Región de la Araucanía, en la comuna de Nueva Imperial, y en el Liceo Curacautín. Asimismo, esta propuesta viene a conformarse en documento de consulta para las comunidades educativas que han desarrollado el programa educativo de eficiencia energética que venimos desarrollando desde el 2011, de tal forma que ellas implementen progresiva y sostenidamente medidas de mejora en la gestión de la energía en sus dependencias. La “Guía de Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales” concentra información valiosa de estos tiempos y de los estándares que debe tener la edificación de hoy y del futuro, ya que aborda en detalle la importancia del confort en el proceso de aprendizaje escolar y revisa de manera profunda aspectos de confortabilidad, no solamente térmica y lumínica, directamente relacionadas al desempeño energético, sino también aspectos como la calidad del aire interior y el diseño acústico. Tenemos la certeza que al entregar a la comunidad y al país esta guía, estamos marcando un hito que hará una diferencia en el antes y después de la eficiencia energética en la edificación, contribuyendo además a construir una cultura de eficiencia energética en los profesionales vinculados.

Es importante agregar además que, esta guía transmite también la experiencia adquirida en las asesorías de diseño de eficiencia energética para los nuevos establecimientos educacionales de la Región Metropolitana para las comunas de San Bernardo, de Santiago con el Liceo Artístico y el INSUCO 2 y también para la Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

William M. Phillips A. Director Ejecutivo Agencia Chilena de Eficiencia Energética

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INDICE Mapa conceptual

Capítulo 1 Eficiencia energética en establecimientos educacionales

1.1 Energía y medioambiente �� 15 1.2 Sector energético en Chile �� 18 1.3 Sector educacional �� 20 1.3.1

Programas e iniciativas nacionales �� 21

1.3.2

Programas e iniciativas regionales �� 24

1.4 Importancia del confort ambiental en el aprendizaje �� 25 1.5 Estándares de confort ambiental y guías de diseño. �� 26 1.6 Guías de diseño �� 34

Capítulo 2 Estrategias de diseño pasivo de establecimientos educacionales

2.1. Estrategias de calentamiento y enfriamiento pasivo �� 40 2.1.1

Importancia del confort térmico en el aprendizaje �� 40

2.1.2

Parámetros de confort térmico �� 40

2.1.3

Protección térmica de la envolvente �� 42

2.1.4

Captación de energía solar pasiva �� 46

2.1.5

Masa térmica �� 49

2.1.6

Intercambiadores de calor geotérmicos �� 50

2.1.7

Sistemas de recuperación de calor �� 52

2. 2. Estrategias de ventilación natural �� 53 2.2.1

Importancia de la calidad del aire en el aprendizaje �� 53

2.2.2

Contaminantes y fuentes �� 54

2.2.3

Estándares y desempeños de la ventilación en aulas �� 59

2.2.4

Principios de la ventilación natural �� 61 Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

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2.2.5

Tipos de ventilación �� 64

2.2.6

Estrategias de diseño para la ventilación natural �� 66

2.2.7

Dimensionamiento de la ventilación natural �� 72

2.2.8

Componentes y dispositivos de la ventilación �� 73

2.2.9

Control de la ventilación �� 76

2.2.10 Proceso de diseño �� 76 2.3. Estrategias de iluminación �� 78 2.3.1

Importancia de la luz natural �� 78

2.3.2

Recomendaciones para el confort visual �� 79

2.3.3

Estrategias de diseño de iluminación natural �� 84

2.3.4

Dispositivos de iluminación aplicables al diseño de un aula �� 86

2.3.5

Protecciones solares �� 98

2.3.6

Sistemas de iluminación artificial �� 99

2.4. Estrategias de diseño acústico ��101 2.4.1

Importancia del confort acústico en el aprendizaje ��101

2.4.2

Ruido de fondo y razón señal/ruido (S/R) ��102

2.4.3

Tiempo de reverberación. ��103

2.4.4

Estrategias de diseño referentes al aislamiento y acondicionamiento acústico ��104

2.5. Integración de diseño pasivo en aulas escolares: Ejemplos internacionales ��110 2.5.1 Escuela “Kiowa County”, Greensburg, Kansas, Estados Unidos ��110 2.5.2 Escuela Sidwell Friends, Washington, DC, Estados Unidos ��114

Capítulo 3 Diseño pasivo de aula tipo por zona climática

123

3.1 Zonificacion climática de Chile ��124 3.2 Metodología de simulación de aula tipo ��126 3.2.1

Simulación térmica dinámica ��126

3.2.2

Características del aula tipo ��128

3.2.3

Resultados generales ��128

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3.2.4

Gráficos ��130

3.3 Zona norte litoral – Iquique ��132 3.3.1

Características climáticas de la zona norte litoral ��132

3.3.2

El clima de Iquique ��132

3.3.3

Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��135

3.3.4

Diseño del aula tipo ��138

3.4 Zona andina – Colchane ��140 3.4.1

Características climáticas de la zona andina ��140

3.4.2

El clima de Colchane ��140

3.4.3

Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��143

3.4.4

Diseño del aula tipo ��146

3.5 Zona norte desértico – Calama ��148 3.5.1

Características climáticas de la zona norte desértico ��148

3.5.2

El clima de Calama ��148

3.5.3

Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��151

3.5.4

Diseño del aula tipo ��154

3.6 Zona norte valles transversales – Copiapó ��156 3.6.1

Características climáticas de la zona norte valles transversales ��156

3.6.2

El clima de Copiapó ��156

3.6.3

Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��159

3.6.4

Diseño del aula tipo ��162

3.7 Zona centro litoral – Valparaíso ��164 3.7.1

Características climáticas de la zona centro litoral ��164

3.7.2

El clima de Valparaíso ��164

3.7.3

Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��167

3.7.4

Diseño del aula tipo ��170

3.8 Zona centro interior – Santiago ��172 3.8.1

Características climáticas de la zona centro interior ��172

3.8.2

El clima de Santiago ��172

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3.8.3

Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��175

3.8.4

Diseño del aula tipo ��178

3.9 Zona sur litoral (a) – Concepción ��180 3.9.1

Características climáticas de la zona sur litoral ��180

3.9.2

El clima de Concepción ��180

3.9.3

Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��183

3.9.4

Diseño del aula tipo ��186

3.10 Zona sur interior – Temuco ��188 3.10.1 Características climáticas de la zona sur interior ��188 3.10.2 El clima de Temuco ��188 3.10.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��191 3.10.4 Diseño del aula tipo ��194 3.11 Zona sur litoral (b) – Puerto Montt ��196 3.11.1 Características climáticas de la zona sur litoral ��196 3.11.2 El clima de Puerto Montt ��196 3.11.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��199 3.11.4 Diseño del aula tipo ��202 3.12 Zona sur extremo – Punta Arenas ��204 3.12.1 Características climáticas de la zona sur xtremo ��204 3.12.2 El clima de Punta Arenas ��204 3.12.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo ��207 3.12.4 Diseño del aula tipo ��210

Capítulo 4 Diseños pasivos del aula integral

213

4.1 Metodología de análisis y simulación ��216 4.1.1

Metodología de análisis térmico ��217

4.1.2

Metodología de análisis lumínico ��220

4.1.3

Metodología de análisis acústico ��225

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4.2.1

Aula integral n.°1a macrozona norte (zonas norte litoral, norte desértico, norte valles transversales) ��229

4.2 Aulas integrales: propuestas y resultados de análisis térmico y lumínico ��229 4.2.2 Aula integral n.°1b macrozona centro (zonas centro interior y centro litoral) ��237 4.2.3 Aula integral n.°1c macrozona sur (zonas sur litoral, sur interior, sur extremo y andina) ��243 4.2.4 Aula integral n.º 2a macrozona norte (zonas norte litoral, norte desértico, norte valles transversales) ��256 4.2.5

Aula integral n.º 2b macrozona centro (zonas centro interior y centro litoral) ��263

4.2.6

Aula integral n.°2c macrozona sur (zonas sur litoral, sur interior, sur extremo y andina) ��269

4.3 Resultados análisis acústico ��281 4.3.1

Análisis acústico elementos constructivos de aislamiento ��281

4.3.2

Análisis de acondicionamiento acústico ��286

4.4 Comentarios generales ��288 4.4.1

Resultados macrozona norte ��288

4.4.2

Resultados macrozona centro ��289

4.4.3

Resultados macrozona sur ��290

4.5 Alternativas de diseño de aulas integrales ��291

Capítulo 5 Casos de estudio

299

5.1 Instituto Superior de Comercio n.° 2 Joaquín Vera Morales (INSUCO) ��302 5.2 Liceo Artístico Experimental de Santiago ��308 5.3 Liceo Comercial de San Bernardo ��315 5.4 Liceo Politécnico de Curacautín ��324 5.5 Liceo Industrial de Nueva Imperial ��332 5.6 Comentarios generales sobre las asesorias AChEE 2011 ��341

Bibliografía

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345

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Introducción a la eficiencia energética en el sector establecimientos educacionales.

2 3 4 5 Estrategias de diseño pasivo en establecimientos educacionales.

Soluciones de diseño pasivo de “aulas tipo” por zonas climáticas.

Soluciones de diseño pasivo de “aulas integrales” por macrozonas climaticas

Casos de estudio de asesorías piloto de eficiencia energética y diseño integrado realizados por la AChEE y el MINEDUC

Mediante

Como las siguientes

Mediante

Revisión de antecedentes sobre el sector energético.

Estrategias de calentamiento y enfriamiento pasivo.

Tablas de recomendaciones de diseño para cada zona climática.

Resultados de desempeño energético y luminico aplicando estrategias de acondicionamiento.

Memoria explicativa de los proyectos de asesoría.

Revisión de antecedentes sobre programas e iniciativas. 3

Estrategias de calidad del aire y ventilación natural. 16 al 27

Revisión de la importancia del confort en el aprendizaje. 4

Estrategias de iluminación. 28 al 37 Estrategias de diseño acústico.

Para finalmente Revisar estándares y guías relativas a la eficiencia energética y al confort en aulas educativas. 5

11 al 18

38 Para finalmente Presentar casos nacionales e internacionales de integración de diseño pasivo en establecimientos educacionales. 39

Norte litoral - Iquique

Modelo aula integral n.° 1

Zona andina - Colchane

a) Macrozona norte.

Norte desértica - Calama

b) Macrozona centro.

Norte valles tr. - Copiapó

c) Macrozona sur.

Centro litoral- Valparaíso

Modelo aula integral n.° 2

Centro interior - Santiago

a) Macrozona norte.

Sur litoral(a)- Concepción

b) Macrozona centro.

Sur interior- Temuco

c) Macrozona sur.

Sur litoral(b)- Puerto Montt

Sur extremo – Punta Arenas

Resultados de desempeño acústico de los modelos propuestos

Para finalmente. Realizar comentarios generales.

Proponer diseños de “aulas integrales” alternativas.

Instituto Superior de Comercio n.°2.

Liceo Artístico Experimental de Santiago.

Liceo Comercial de San Bernardo.

Liceo Politécnico de Curacautín.

Liceo Industrial de Nueva Imperial.

Para finalmente Realizar comentarios generales.

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CapĂtulo 1

Eficiencia EnergĂŠtica en Establecimientos Educacionales

1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5

Energía y medioambiente. Sector energético en Chile. Sector educacional. Importancia del confort ambiental en el aprendizaje. Estándares de confort ambiental y guías de diseño.

1.1 Energía y medioambiente

La tendencia actual de las sociedades es utilizar cada vez más energía para sostener su crecimiento y responder a las necesidades de la población. Desde sus inicios, el ser humano utilizó los recursos naturales para obtenerla, siendo los combustibles fósiles (carbón y petróleo) y sus derivados los productos primarios principales motores del comercio mundial.

Sin embargo, éstos son recursos limitados, lo que sumado a la creciente demanda de energía requiere controlar directamente de cerca la situación energética. El efecto invernadero generado por las emisiones de CO2 está provocando un aumento de la temperatura media de la tierra, y con ello, cambios climáticos. La población mundial se ve hoy enfrentada a fenómenos como el derretimiento de los hielos polares, sequías, tormentas cada vez más intensas, inundaciones y otros, que constituyen una crisis medioambiental global, que amenaza los avances que se han conseguido durante generaciones.

Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

La energía juega un papel esencial en el desarrollo humano y económico, así como en el bienestar de las sociedades. La sociedad moderna depende de ésta, ya que prácticamente todo lo que realizamos requiere de energía: las actividades productivas, el transporte, la educación, el esparcimiento, etc.

Figura 1.1: Proyección de emisiones de CO2 en el mundo [fuente: AIE 2007] De acuerdo a la AIE1, de continuar las tendencias actuales, las emisiones mundiales se incrementarán en un 30% al 2030 respecto de las emisiones actuales. (Figura 1.1). 1.- AIE: Agencia Internacional de Energía.

Por esta razón, el sector energético es mirado con atención, puesto que estas emisiones se asocian principalmente a la combustión de energías fósiles y quema de leña. Producto de este escenario, la gran mayoría de países altamente

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De este modo, las diferentes políticas y medidas adoptadas,

especialmente las relacionadas con la utilización de energías renovables, se han visto reflejadas en un fenómeno conocido como el “desacople” entre las curvas de incremento del Productivo Interno Bruto (PIB) y el consumo de energía. Países miembros de la OCDE, entre los se encuentran China e India, han logrado desacoplar dichos parámetros introduciendo estrategias de utilización de energías renovables (Figura 1.2).

Paises OCDE Índice de crecimiento (1973=100) Países OCDE

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industrializados han sido capaces durante los últimos treinta años de integrar su desarrollo industrial, tecnológico y de servicio, a actividades que se asocian con una disminución en el consumo de energía, la conservación de la naturaleza y la eficiencia energética.

Figura 1.2: Proyección del consumo final de energía y PIB de Países OCDE2 [Fuente: Balance Nacional Ministerio de Energía]

A su vez, países en vías de desarrollo como Chile, no han logrado desacoplar el PIB del consumo de energía, lo que implica un gran desafío (Figura 1.3). Por un lado, se deben incorporar nuevas tecnologías que permitan usar eficientemente la energía, y por

otro, deben incorporarse nuevas fuentes energéticas renovables no convencionales, como la energía solar, eólica, geotérmica, etc., que menores impactos sobre el medio ambiente.

2.- OCDE: Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico.

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Chile Índice de crecimiento (1979=100) en Chile

Figura 1.3: Tendencia del PIB y del consumo de energía total en Chile. [Fuente: Balance Nacional Ministerio de Energía] Los países han reconocido que el enfrentar los desafíos actuales de crecimiento económico tiene un costo medioambiental, por lo que es necesario conocer los mecanismos efectivos de generación de energía que permitan asegurar equidad, seguridad y sustentabilidad, sin afectar significativamente la competitividad de las economías. Es por ello que se ha privilegiado aplicar estrategias que permiten enfrentar varios aspectos de forma simultánea y efectiva. Para reducir las emisiones del sector energético en un 50% al 2050, con el fin de evitar efectos significativos sobre el sistema climático mundial pronosticados por el panel intergubernamental de cambio climático (IPCC), se requerirá́ un conjunto de acciones de gran envergadura. Se deberá contar a la vez con un incremento significativo de la participación de las energías renovables (de todas las escalas) y programas activos en materia de eficiencia energética (CNE 2008).

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Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

Sobre el sector energético: Chile debe desacoplar el consumo de energía del crecimiento económico.

“El progreso humano no es automático ni inevitable. El futuro ya está aquí y debemos enfrentar la cruda urgencia del ahora. En este acertijo constante que implica la vida y la historia, la posibilidad de llegar tarde existe. Podemos rogarle desesperadamente al tiempo que detenga su paso, pero el tiempo es sordo a nuestras súplicas y seguirá su curso. Sobre montañas de blancas osamentas y desperdicios de múltiples civilizaciones se observan las terribles palabras; demasiado tarde”.

Martín Luther King: Discurso sobre Justicia Social.

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1.2 Sector energético en Chile

Sobre el sector energético: El sector comercial, público y residencial representa el 25% del consumo de energía del país.

El consumo final de energía está determinado por la agrupación

de cuatro grandes sectores: transporte, industria-minería, comercial-público-residencial y energético. El sector industrialminero es el de mayor demanda, con 39% del consumo final; el sector transporte representa el 31%; el sector comercialpúblico-residencial representa un 25%; y finalmente, el sector energético representa el 5% del consumo energético final (Ministerio de Energía, 2011). En la Figura 1.4 se observa el consumo final de energía desglosado por cada sector específico y tipo de combustible. p

TeraCalorias en Chile

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Chile cuenta con escasos recursos energéticos provenientes de combustibles fósiles, dependiendo altamente de recursos externos de petróleo y gas natural. En 1990, el 47% del consumo bruto de energía era importado, cifra que en 2008 llegó el 72% según el Balance Nacional Energético informado por la Comisión Nacional de Energía.

Figura 1.4: Consumo final de energía año 2010 [Elaborado en base a datos del Ministerio de Energía]

Energía primaria3 Actualmente, las fuentes energéticas propias provienen principalmente de la Región de Magallanes, Bío-Bío y Valparaíso, más algunas fuentes de energía renovable no convencionales. La matriz energética nacional se conforma de la siguiente manera:

La producción nacional de petróleo proviene de tierra firme y de la costa de la Región de Magallanes, alcanzando un 35% del consumo de energía del país. El gas natural, cuya producción también se origina en la Región de Magallanes, representa un 3.- Se denomina energía primaria a los recursos naturales disponibles en forma directa, como la energía hidráulica eólica, solar o indirecta, después de atravesar por un proceso minero, como por ejemplo el petróleo, gas natural, carbón mineral, etc., para su uso energético sin necesidad de someterlos a un proceso de transformación. (www.cne.cl)

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22%, mientas que otras fuentes, como la hidroelectricidad y la leña representan un 19 y un 14% respectivamente.

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Actualmente, otras fuentes energéticas están comenzando a ser explotadas, tal como el biogás, que sólo se extrae de los vertederos de la Región Metropolitana, donde se explota en pequeños volúmenes. En la Región de Tarapacá y Atacama se utiliza la energía solar, mientras que la energía eólica está siendo explotada en las zonas costeras del país, en las provincias de Coquimbo y Arauco.

Energía secundaria4 Chile cuenta con 3 refinerías que procesan del petróleo combustibles líquidos: Valparaíso (refinería Concón), Bío-Bío (refinería Petrox) y Magallanes (refinería de ENAP). Por otro lado, las centrales hidroeléctricas generan aproximadamente el 70% de la energía total del país, con 21 centrales hidroeléctricas, ubicadas entre la Región de Tarapacá y la Región de Los Lagos. Además, 33 centrales termoeléctricas, en base a carbón, gas natural y diésel, generan energía desde Tarapacá a Magallanes, con una capacidad térmica instalada de aproximadamente 6.800 MW.

Energías renovables no convencionales En Chile, la generación eléctrica a partir de fuentes renovables no convencionales (hidráulicas pequeñas, biomasa y energía eólica) representan sólo el 2,4% de la capacidad instalada de la generación eléctrica total del país, es decir, 294MW de un total de 2.326 MW.

4. La energía secundaria es la que se obtiene del proceso de transformación y es utilizada por el usuario final. (www.cne.cl)

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[Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO]

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1.3 Sector Educacional Desde la crisis del petróleo del año 1973 hasta los actuales problemas asociados al calentamiento global, se han desarrollado una serie de estrategias, tecnologías y herramientas en la arquitectura educacional, con el objetivo de reducir los consumos energéticos en los edificios del sector. La eficiencia energética aplicada al diseño arquitectónico tiene por fin reducir el consumo energético y obtener un nivel de confort ambiental adecuado, privilegiando la incorporación de estrategias pasivas que reduzcan la demanda de energía, para posteriormente sumar estrategias activas de bajo consumo

de energía que permitan el uso confortable del espacio arquitectónico, durante todo el año. A nivel internacional, países como Inglaterra, Estados Unidos y Francia han liderado la regularización y desarrollo de sistemas de instalaciones de alta eficiencia para acondicionamiento térmico, iluminación y ventilación mediante el uso de energías renovables, activas y pasivas en el sector educacional. Esto ha ido de la mano de sólidas normativas y políticas de subsidios estatales destinados no sólo al diseño de los establecimientos educacionales, sino también a su implementación y posterior mantenimiento.

Figura 1.5: Colegio Sidwell Friends, Estados Unidos [Fuente: Kieran Timberlake Architects]

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1.3.1 Programas e iniciativas nacionales Pese a que actualmente Chile no cuenta con una normativa que defina estándares y exigencias de eficiencia energética y confort ambiental para establecimientos educacionales, desde hace una década se han estado dando pasos importantes a nivel de programas e iniciativas, con el fin de fortalecer el desarrollo de mejores prácticas en el sector educación. Es así como el Ministerio de Educación (MINEDUC), a través de su Departamento de Infraestructura Escolar, ha establecido la incorporación de criterios de eficiencia energética y sustentabilidad como un factor importante en sus distintos planes y proyectos. Como criterio general, se ha buscado optimizar las estrategias pasivas para lograr adecuadas condiciones de confort térmico, acústico, lumínico y de calidad del aire, y bajos costos de operación y mantención. A continuación se describen algunas de los avances en esta materia. a. Plan establecimientos del sistema de administración delegada: Gracias al convenio firmado entre el MINEDUC y el Ministerio de Energía, se contó con el apoyo de la Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE) para la contratación de asesorías en eficiencia energética en los cinco primeros proyectos piloto de establecimientos educacionales, cuyos anteproyectos y diseños fueron ejecutados durante 2011 (ver Capítulo 5). Los proyectos mencionados son los siguientes: • Liceo Experimental Artístico de Santiago.

b. Elaboración de guías y recomendaciones de diseño: Más allá de la incorporación de estos lineamientos en los planes de financiamiento del MINEDUC, se ha planteado la necesidad de promover estas prácticas de manera más amplia en todo el sector de la infraestructura escolar. Para ello, se ha dispuesto la elaboración de una “Guía de Diseño para la Eficiencia Energética en la Infraestructura Escolar”. Su primera parte, referida específicamente a las aulas, corresponde al presente documento. c. Proyecto INNOVA-CORFO “Evaluación de estrategias de diseño constructivo y de estándares de calidad ambiental y uso eficiente de energía en edificaciones públicas, mediante monitorización de edificios construidos”, que consistió en la monitorización de edificios públicos construidos, dentro de los que figuran establecimientos educacionales, y del desarrollo de un método de evaluación y certificación energético-ambiental de edificios públicos. Los desarrolladores del proyecto fueron el IC, Decon UC, IDIEM, DICTUC y CITEC UBB, bajo mandato de la Dirección de Arquitectura del Ministerio de Obras Públicas.

3 Iniciativas y programas de apoyo: El MINEDUC y la AChEE han desarrollado numerosas

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• Liceo Comercial de San Bernardo. • Instituto Superior de Comercio n.°2 Joaquín Vera Morales de Santiago. • Liceo Politécnico de Curacautín, de la Región de la Araucanía. • Liceo Industrial de Nueva Imperial, de la Región de la Araucanía.

Por su parte, en Chile, el desarrollo de las estrategias para conseguir un buen desempeño de eficiencia energética y mejores estándares de confort ambiental en edificios educacionales es aún incipiente. En efecto, no existe aún una normativa específica que regule dichos establecimientos.

energética en la infraestructura escolar.

d. Proyecto BID “Aprendizaje en las Escuelas del Siglo XXI”: Considera la participación de 12 países de América Latina y el Caribe, y tiene por fin la realización de estudios y proyectos pilotos que analicen la relación entre la infraestructura escolar y los aprendizajes, con un énfasis en las denominadas “escuelas verdes” y en los impactos de las condiciones de confort interior. Dentro de otros planes actualmente en curso, destaca la única

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iniciativa a nivel nacional con el objetivo de certificar buenas prácticas en los establecimientos educacionales existentes, tomando en cuenta entre otros aspectos, sus estrategias de eficiencia energética. Se trata del Sistema Nacional de Certificación Ambiental de Establecimientos Educacionales (SNCAE), que se crea bajo la Ley Nº 19.300, en 2003, elaborado por la Asociación Chilena de Municipalidades (ACHAM), la Comisión Nacional del Medio Ambiente (CONAMA), la Corporación Nacional Forestal (CONAF), la Dirección General de Aguas (DGA-MOP) y el Consejo de Desarrollo Sustentable. Éste tiene como objetivo incorporar estándares de sustentabilidad ambiental en los tres ámbitos de la acción educativa: las área curricular-pedagógico, de gestión, y de relaciones con el entorno. El sistema pretende desarrollar líneas de acción complementarias para fortalecer la educación para el desarrollo sustentable promovida por el PNUD y la UNESCO, a través de un sistema integrado de trabajo en conjunto con variadas instituciones que deben centrarse en realizar un diagnóstico

participativo y/o un plan de acción con metas, objetivos y plazos para un tiempo de dos años iniciales. Las comunidades educativas transitan por 3 niveles de certificación según sus logros, verificados en auditorías integrales: certificación básica, media y de excelencia. Como apoyo a dicho programa, el Departamento de Educación Ambiental y Participación ciudadana de la CONAMA publica 2006 el “Manual para la Gestión Ambiental de Establecimientos Educacionales, Residuos, Energía y Agua”, dentro del ámbito de gestión, donde el comité ambiental de cada establecimiento certificado, o en proceso de certificación, debe asumir la responsabilidad de usar y racionalizar eficientemente sus recursos, manteniendo políticas y prácticas que lo permitan. Esto significa que debe abordar el uso eficiente de energía y recursos, gestión de impactos ambientales, gestión de residuos sólidos, producción vegetal sustentable, hermoseamiento del recinto y prácticas de vida saludable.

Figura 1.6: Escuela Rural Buill, Chaitén. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO] 22

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calefacción presentes en los establecimientos educacionales consistían principalmente en sistemas puntuales y en menor medida sistemas de calefacción centralizada que operaban principalmente en base a leña, gas, petróleo y electricidad. Se determinó que el gasto por concepto de abastecimiento de estos combustibles asciende al 23 % del pago total de facturas por concepto de uso de energías. Las auditorías energéticas desarrolladas motivaron la creación de la “Guía de Autodiagnóstico de Eficiencia Energética 2009”, a través de un convenio de colaboración Institucional del Programa País Eficiencia Energética (Actual AChEE), entre el MINEDUC, el Colegio de Arquitectos de Chile y la CONAMA, con el fin de desarrollar instrumentos orientados hacia los agentes educativos que permitan facilitar el concepto de eficiencia energética en su práctica educativa de manera integral (PPEECONAMA, 2009, p10). Esta guía tiene como objetivo ilustrar

Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

Con 2008, el Programa País Eficiencia Energética (PPEE) desarrolló auditorías, tanto a establecimientos educacionales del SNCAE, como a otros establecimientos de las Regiones del Bío-Bío y la Araucanía. En dichas auditorías realizadas por la Universidad Católica de Temuco (UCT) se calculó el poder aislante de los elementos de la envolvente y fueron comparados con estándares nacionales e internacionales que aplican a otros tipos de edificios. En este sentido, se determinó que los estándares de aislación térmica de los elementos que conforman los muros de la envolvente de los establecimientos evaluados están muy por debajo de las exigencias establecidas en países europeos, específicamente los definidos en la normativa española. Por otra parte, los niveles de aislación de complejos de techumbre, tampoco se comparan bien con los estándares definidos por la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones para construcciones habitacionales. Este mismo estudio permitió concluir que los sistemas de

Figura 1.7: Liceo Lorenzo Baeza Vega, Isla de Pascua. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

y guiar en cómo realizar un análisis de las instalaciones y las características constructivas, aprender a analizar facturas y sistemas de consumo de energía eléctrica, térmica y de agua, para finalmente orientar en la elaboración de un plan de acción de corto, mediano y largo plazo, asociado a proyectos de inversión que tiendan a mejorar las condiciones actuales de infraestructura y, por consiguiente, avanzar en la certificación ambiental. Este instrumento de apoyo fue reeditado y actualizado en 2011 por la AChEE y ha contribuido a la implementación del “Programa Integral de Eficiencia Energética” en los establecimientos pioneros del país. Paralelamente, se ha desarrollado en trabajo conjunto entre instituciones, el sistema nacional de inversiones (SNI), en su documentación “Orientaciones Política Pública Sectorial Educación 2010”, que presenta entre sus líneas de acción el apoyo a iniciativas de inversión conducentes a obtener una certificación SNCAE, para coadyuvar al cumplimento de la meta bicentenario establecido por el gobierno en esta materia, de contar con al menos un 40% de los establecimientos educacionales del país con certificación.

era muy bajo, afectando el confort de los alumnos, razón por la que se inicia un proceso que permitiera realizar cambios en los proyectos que hasta la fecha se habían ejecutado y a los futuros que se debían realizar. Dentro de las estrategias abordadas, se incorporan por un lado, más recursos para las etapas de diseño y construcción, y por otro lado, se reestudian los términos de referencia con los cuales se diseñan los espacios educativos, con la finalidad de incorporar estrategias medioambientales. Este proyecto ha abordado el diseño, construcción e implementación de todos los establecimiento educativos públicos de la Región de Los Lagos, estando actualmente en la etapa de monitorización.

1.3.2 Programas e iniciativas regionales Cabe destacar una iniciativa regional a través de la Dirección de Arquitectura del Ministerio de Obras Públicas de la Región de Los Lagos con la colaboración de las municipalidades locales, quienes inician 2006 una evaluación de quince establecimientos de la región, en relación con los gastos operativos y de confort térmico de los diferentes sistemas de calefacción de los establecimientos educacionales construidos en los últimos años en la región. Inicialmente, este estudio establece que para un uso de 10 hrs. diarias con 20ºC de confort en los meses necesarios, se necesitaría 0.5/UFm2 al año, equivalente a 1.870 hrs. al año, de los cuales al momento de hacer la evaluación sólo era posible financiar un 26%. Producto de este análisis, se concluyó que el uso de la calefacción

Figura 1.8: Complejo Educacional Manuel Jesús Andrade, Chonchi. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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1.4 Importancia del confort ambiental en el aprendizaje

Los estudiantes permanecen más del 70% del tiempo del enImportancia un aula escolar. confort en el aprendizaje: Los estudiantes permanecen más del 70% del tiempo en un aula escolar.

Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

Se estima que, entre los 4 y 17 años, las personas pasan al menos un 70% de su tiempo en un aula escolar. Partiendo de esta base, otorgar un espacio sano y confortable es esencial, más aún cuando una alta calidad medioambiental en estos edificios puede mejorar considerablemente la capacidad de atención, la concentración, el aprendizaje, la audición y el comportamiento de los estudiantes (Freitag et al., 2002). Diferentes investigaciones han entregado evidencia sobre la influencia del confort ambiental en el proceso de aprendizaje de los estudiantes. Estas investigaciones han permitido en definitiva una mejor comprensión sobre cómo la arquitectura y el entorno influyen en los procesos cognitivos, a través de la iluminación natural, la acústica, la calidad del aire y la relación con la naturaleza. En los establecimientos educacionales diseñados con conceptos medio ambientales, se argumenta que los espacios diseñados con una comprensión de cómo los niños responden a las propiedades de los mismos espacios, puede conducir a crear un ambiente en favor del aprendizaje y del desempeño estudiantil (Ford, 2007). En la práctica debemos proporcionar un entorno de aprendizaje óptimo, entregando seguridad, un ambiente sano, cómodo y productivo para los estudiantes. Si estos últimos se sienten incómodos o distraídos por el ruido, por malas condiciones de iluminación, por la falta de calefacción, enfriamiento y/o ventilación, su capacidad de aprender se verá afectada. Es importante que las personas involucradas en la planificación y el diseño de los establecimientos educacionales vean en su labor una oportunidad en la creación de mejores ambientes para el aprendizaje, como una herramienta que aporta a mejorar los resultados académicos. La reglamentación respecto de los estándares de confort

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[Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO]

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1.5 Estándares de confort ambiental y guías de diseño

5 Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

Estándares: por las condiciones tanto de luz

interior del aula.

y eficiencia energética para edificios educacionales tiene una larga data en Europa y Estados Unidos, por lo que en la revisión presentada a continuación considera referentes de España, Inglaterra, Francia, Bélgica, Canadá, Estados Unidos y Latinoamérica. En el caso de Chile, los documentos que actualmente se encargan de normar la infraestructura escolar son la Ordenanza General de Urbanismo y Construcción, el Decreto Supremo n.º 548 modificado el año 2010 del Ministerio de Educación, el Decreto Supremo n.º 594 del año 1999 del Ministerio de Salud, y el RITCh – ITE 02.2.3. Dichos documentos norman principalmente, y de manera desagregada, niveles de iluminación, temperatura y ventilación. En la misma línea y como instrumento de fiscalización, el Centro de Investigación en Tecnológias de la Construcción - Universidad del Bío Bío (CITEC-UBB) en conjunto con el Departamento de Construcción de la Universidad Católica (DECON-UC), desarrollaron en 2012 los términos de referencia estandarizados con parámetros de eficiencia energética y confort ambiental (TDRe), para licitaciones de diseño y obra, según zonas geográficas del país y según tipologías de edificios, para Dirección de Arquitectura del Ministerio de Obras Públicas. El objetivo de estos términos de referencia es incorporar exigencias, criterios de desempeño y estándares de eficiencia energética y confort ambiental, junto con procedimientos de verificación en diseño y obra para su incorporación en licitaciones de edificios públicos en Chile. Dichos requerimientos se establecen para las siguientes 4 tipologías de edificios: oficinas, educacionales, de salud y de seguridad.

Confort lumínico La iluminación también ha sido normada en diferentes países que establecen valores límites para la iluminancia, como también ciertos indicadores de confort visual. Norma EN 12464- Normativa europea sobre iluminación para interiores. Las recomendaciones de esta norma, en términos de cantidad y calidad del alumbrado, contribuyen a diseñar sistemas de iluminación que cumplen las condiciones de calidad y confort visual, y permite crear ambientes agradables para los usuarios. El objetivo es conseguir una mayor eficiencia energética en las instalaciones de los edificios reduciendo hasta un 22 % los consumos específicos. Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación: Centros Docentes (IDEA y CEI España). El objeto de esta guía técnica es establecer una serie de pautas y recomendaciones, para ayudar a los técnicos responsables de proyectar o redactar especificaciones técnicas de las instalaciones de iluminación de centros docentes, en su tarea de establecer los criterios de calidad a satisfacer en las mismas. Se entregan tablas basadas en la norma europea EN 12464-1 con valores de iluminancias, UGRL y rendimiento de color. IESNA (Illuminating Engineering Society of North America), EEUU. Se específica los valores mínimos de iluminancia definidos para diferentes tareas por la IESNA, según el nivel de exigencia visual requerido. Esta escala permite fijar los valores mínimos aceptados.

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CHILE

ARGENTINA

DS 548

MCEN 1997

Niveles de iluminación

180 lux aula

500 lux aula 1000 lux pizarra 750 lux PC 1000 lux dibujo

Factor luz día

N/A

2% aula 5% sala de dibujo

PERÚ Ministerio de educación 2006

EUROPA

USA

INGLATERRA

TDRe CHILE

UNE-EN 12464-2 2008

IESNA Lighting handbook 2000

Building Bulletin 87 2003

TDRe DA-MOP 2012

Aula máx. 1500-2000 lux y mín. 300 lux ±500 lux pizarra ±160 lux PC ±500 lux dibujo y lectura N/A

350 lux aulas

> 300 lux aula> 500 lux pizarra 50 lux PC > 500 lux dibujo y lectura

N/A

300 lux aulas 500 lux tareas complejas

N/A 0,3-0,4 iluminación lateral 0,7 iluminación cenital

300 lux aulas 500 lux pizarra 500 lux aula inform. 750 lux aula dibujo

N/A

Uniformidad

N/A

Índice de deslumbramiento

N/A

19 UGR (iluminación artificial)

19 UGR

Vista al exterior

N/A

100% de la sala de clases

N/A

Superficie de vanos

14%-17% -20 % por zona norte, centro, sur

Superficie máxima recomendada: 18% este-oeste 25% norte-sur

20 % - 25 % 15 % - 20 % 25 % - 30 % según zona climática Cielo: 75 ó 75 % Muros 50-75 % Suelos: 20-25 % Mobiliario 2040 %

N/A

20% de la superficie del muro interior (vano)

N/A

Cielo: >0,7 Muros: 0,5 – 0,7 Suelos: 0,2 – 0,5 Pizarra clara: 0,5-0,7

Factor de reflexión paramentos interiores

N/A

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N/A

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Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

En la Tabla 1.1 se resumen los parámetros de confort visual e iluminación recomendados por las normas y guías de diseño, nacionales e internacionales. Tabla 1.1: Síntesis de parámetros de Iluminación

≥0,7

Confort térmico y propiedades térmicas de la envolvente

Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

Estándares: principalmente por la temperatura operativa al interior del aula.

En Chile no existen exigencias que regulen las propiedades térmicas de la envolvente en edificios no residenciales, ya que la OGUC en su Título 4.1.10 regula sólo el sector residencial. En el ámbito educativo, el DS 560 establece requerimientos de temperaturas mínimas que se debe alcanzar en determinados espacios educativos y sólo en ciertas zonas climáticas del país, por lo que se puede considerar que éste es un tema poco normado en el país.

En la Tabla 1.2, se muestran resumidamente los parámetros confort térmico y de propiedades térmicas de la envolvente que forman a nivel nacional e internacional.

Norma europea EN 15251: Parámetros de diseño del ambiente interior para el diseño y la evaluación del desempeño energético en edificios. Especifica los criterios de diseño para el dimensionamiento de los sistemas HVAC, y los criterios de selección de clases o categorías de ambiente interior en función del porcentaje de ocupantes satisfechos en materia de confort interior. Los criterios que determinan las condiciones de confort interior se obtienen de las normas EN ISO 7730, EN13779 y CR 1752, y se basan en el PMV y PPD de Fanger. Norma ASHRAE 55. 2010: Condiciones del ambiente térmico para la ocupación humana, EE. UU. Especifica las condiciones en que los ocupantes se encuentran satisfechos con el ambiente térmico interior. Se basa en el PMV y PPD de Fanger, pero la versión 2010 incluye también el concepto de confort adaptativo. Building Bulletin 87: Guía para el diseño ambiental de establecimientos educacionales, Inglaterra. Establece requerimientos y recomendaciones para el diseño ambiental de establecimientos educacionales, incluyendo aspectos térmicos, lumínicos, de ventilación e instalaciones.

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[Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Tabla 1.2: Síntesis de parámetros de confort térmico y propiedades térmicas de la envolvente

Transmitancia térmica de la envolvente

PERÚ

EE. UU.

DS 580 mod. 2010

Ministerio de educación 2006

ASHRAE 55 -2010

Aulas mín 12°C Parvularia mín. 15°C (en zonas SL, SI, SE y Andina)

N/A

18º-25 º (HR = 50%)

N/A

INGLATERRA Building Regulation Part L2

Building Bulletin 87

N/A

Invierno Aulas 18°C con calef. Verano aulas 24°C ±4°C y no superar 28°C por más de 80hr

Según PMV y modelo adaptativo

N/A

BR Part L2 U muros= 0,25 U techos = 0,35

N/A

TDRe CHILE TDRe DA-MOP 2012

Invierno aulas 20°C con calef. Aulas pasivas: modelo adaptativo según zona climática

Define valores U límites para envolvente según zona climática

Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

Temperatura operativa recomendable

CHILE

Calidad del aire y ventilación La calidad del aire en recintos interiores con altas cargas de ocupación debe ser controlada para prevenir enfermedades de transmisión aérea, mejorar la productividad y cumplimiento de tareas, sensación de bienestar respiratorio y disminuir alergias respiratorias y asma. En edificios educativos este factor toma relevancia debido a la alta carga ocupacional que tienen los recintos. La ventilación está más normada en países latinoamericanos, en cambio la calidad del aire sólo se norma y describe en normas europeas y de Estados Unidos. ASHRAE 62.1-2004- Ventilación para niveles aceptables de calidad del aire interior, EE. UU. El propósito de esta normativa es especificar los niveles mínimos de ventilación para limitar la posibilidad de efectos adversos en

la salud de los ocupantes. Esta normativa es aplicable a todo tipo de edificios, pero en este caso se estudiará para edificios educativos. Europa - EN 15251: Parámetros de diseño del ambiente interior para el diseño y la evaluación del desempeño energético en edificios. Este estándar hace referencia a parámetros del ambiente interior a considerar para el diseño y la evaluación de la eficiencia energética de edificios, incluyendo la calidad del aire interior, condiciones térmicas, iluminación y ruido. En la Tabla 1.3 se muestran resumidamente algunas exigencias asociadas a la ventilación a nivel nacional e internacional.

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Tabla 1.3: Síntesis de parámetros de calidad del aire

Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

7 Estándares: El indicador más directo de calidad del aire es la concentración de CO2.

CHILE

PERÚ

EE. UU.

INGLATERRA

TDRe CHILE

DS 580 mod. 2010 DS47-1992

Ministerio de Educación 2006

ASHRAE 62.1-2004

Bulletin 101: Ventilation of School Buildings

TDRe DA-MOP 2012

Superficie mínima de ventana operable

8% de la superficie del piso

7 a 15% de apertura de vanos respecto del área, según clima.

4% de la superficie del piso

Superficie de apertura variable según zona climática

Volumen de aire

3 m3 por alumno

3 - 6m3 por alumno.

N/A

Flujo de aire

N/A

5 l/s/pp mín.

3 l/s/pp mín y 5 l/s/pp promedio diario

Mayor flujo entre 5 l/s/pp ó 0,6 l/s m2

Cambios de aire

2 ach

6 a 10 ach

N/A

Concentración de CO2 (ppm)

N/A

Máx.1000ppm

N/A

2,2m mínimo

3.00–3.50m 2.85–3.00m 3.50–4.00m según zona climática

N/A

Altura libre interior de aulas

Permeabilidad al aire

La permeabilidad al aire de las edificaciones es un tema investigado a nivel internacional desde hace más de 40 años, y, actualmente, es considerado por la mayoría de los países desarrollados en sus respectivos sistemas de reglamentación de la edificación.

Los valores límites para dicho desempeño varían entre 27 y 50 m3/hm2 a un diferencial de presión de 100 Pa dependiendo de la zona climática del país. El método de verificación de dicho desempeño es la certificación de los elementos de vanos ensayados a una sobrepresión de 100 Pa.

Documento Básico DB HE- Ahorro de Energía, Código Técnico

Reglamentación de la Edificación Parte L2A: Conservación de

de la Edificación, España.

la energía, 2010, Inglaterra.

Se limita sólo la permeabilidad al aire de las carpinterías de vanos, según sea la zona climática donde se ubique el edificio.

Destaca por la homogeneidad de la exigencia y por el método de verificación al que somete a la edificación. A todo edificio

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Reglamentación sobre la conservación de la energía en las edificaciones, ENeV, 2007, Alemania. Se limita tanto la permeabilidad al aire de la envolvente como la permeabilidad al aire de los vanos. La primera exigencia sólo diferencia el sistema de ventilación que posea el edificio, siendo 3 cambios de aire hora (ach) el valor límite para edificios con ventilación natural y 1,5ach para edificios con ventilación mecánica. La segunda exigencia difiere sólo según el número de pisos de la edificación, siendo 27 m3/hm2 el valor límite para vanos en edificios de hasta 2 pisos, y 9 m3/hm2 en edificios sobre

dos pisos. De forma similar al enfoque inglés, la permeabilidad al aire de la envolvente se incluye en la certificación energética de la edificación, pero en este caso el indicador es el cálculo de la demanda de energía primaria de la edificación, donde también se compara con un “edificio referencia”. Una gran diferencia que posee el enfoque alemán respecto al inglés es que el ensayo de presurización no es obligatorio, existiendo valores por defecto que se asumen como típicos a ser alcanzados por las técnicas constructivas utilizadas en dicho país. Dichos valores son 2ach para edificios con ventilación natural y 1ach con ventilación mecánica. Esto da cuenta de la calidad constructiva y preocupación con que el tema de las infiltraciones de aire ha sido abordado en Alemania, donde se alcanzan altos niveles de hermeticidad en las construcciones típicas. En la Tabla 1.4 se resumen los valores límite de permeabilidad al aire, principalmente a nivel internacional.

Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

se le exige el mismo desempeño de permeabilidad al aire de la envolvente de 10m3/hm2, que debe ser demostrado a través de un ensayo de presurización. La permeabilidad al aire de la envolvente es además uno de los factores considerados en la certificación energética de los edificios, donde el indicador es el nivel de emisiones de CO2 que la edificación ha de generar en función de su uso.

Tabla 1.4: Síntesis de valores límite de permeabilidad al aire

Permeabilidad al aire de la envolvente a 50 Pa

Permeabilidad al aire de los vanos a 100 Pa

CHILE

INGLATERRA

ALEMANIA

ESPAÑA

OGUC / NCh

AD L2A 2010

ENeV 2007

CTE 2006

N/A

10m3/hm2 en todos los edificios

Edificios con ventilación natural: 3h-1 Edificios con ventilación mecánica: 1.5h-1

N/A

N/A -

27 m3/hm2 en edificios hasta 2 pisos 9 m3/hm2 en edificios de más de 2 pisos

50 m3/hm2 en zonas climáticas A y B (todos los edificios) 27 m3/hm2 en zonas climáticas C, D y E

N/A

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Confort acústico

8 Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

Estándares: El confort acústico estará dado por el acondicionamiento interior como también el aislamiento del ruido exterior.

ANSI S12.60-2002: Guías, criterios y requerimientos de comportamiento para establecimientos educacionales. EE.UU. La Acoustical Society of America (ASA, EE.UU.), creó en 1996 el subcomité de acústica de aulas (Classroom Acoustics), realizando importantes contribuciones en esta disciplina, como es el caso de la norma ANSI S12.60-2002, la que logra regular los distintos parámetros acústicos con el objeto de lograr altos estándares de calidad acústica dentro de las salas de clases. Building Bulletin 93: Diseño acústico de establecimientos educacionales, Inglaterra. Su objetivo es asegurar que el comportamiento acústico del edificio cumple con los estándares adecuados para su propósito. Entre las exigencias básicas establecidas por dicho documento, están la protección contra el ruido del resto del edificio y edificios colindantes, y los niveles de reverberación en las zonas comunes interiores de edificios que contienen pisos o habitaciones para fines residenciales.

mantenimiento. Para satisfacer este objetivo, los edificios deben tener características acústicas adecuadas para reducir la transmisión del ruido aéreo, del ruido de impactos, y del ruido y vibraciones de las instalaciones propias del edificio.

NCh354.Of61: Condiciones acústicas que deben cumplir los edificios, Chile. Establece las condiciones acústicas mínimas que deben cumplir los edificios. Entre los que se encuentran requisitos referentes al aislamiento acústico, el control del ruido dentro y fuera del edificio, y la correcta transmisión de la palabra al interior de éstos. Establece recomendaciones generales y se establecen límites de aislamiento acústico para elementos de fachada, cubiertas, losas de entrepiso, tabiques interiores y ductos. En la Tabla 1.5, se resumen los parámetros acústicos recomendado por las normas y guías de diseño, nacionales e internacionales.

Guías para el ruido urbano (OMS) Desde 1980, la Organización Mundial de la Salud (OMS) ha abordado el problema del ruido urbano, preparando las guías para el ruido urbano como una respuesta práctica a la necesidad de reaccionar frente a este contaminante así como a la necesidad de mejorar la legislación, manejo y orientación en el nivel nacional y regional. Documento básico DB HR- Protección Frente al Ruido, Código Técnico de la Edificación, España. Su objetivo es limitar, dentro de los edificios y en condiciones normales de utilización, el riesgo de molestias o enfermedades que el ruido pueda producir a los usuarios como consecuencia de las características de su proyecto, construcción, uso y 32

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[Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO]

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EE. UU. ANSI 2002 Confort acústico

S12.60-

Leq < 35 dB(A) T60 < 0,6 (Vol. 10.000 pies3) T60 < 0,7 (Vol. entre 10.000 pies3 y 20.000 pies3)

Aislamiento acústico

STC 50 entre salas contiguas y patios STC 45 entre salas y pasillo

INGLATERRA

INTERNACIONAL

Building Bulletin 1993

Guías para el Ruido urbano (OMS)

DB HR

Leq (30 min) aula vacía: 35 dB(A)

Leq ≤ 35 dB(A)

Aulas y salas de conferencias vacías. V< 350 m3: T ≤ 0,7 s

T60: entre 0,6s y 1,0s

T60 para frecuencias medias y sala vacía: 0,4s y 0,8s

Aisl. mín. a ruido aéreo entre aulas y aulas con áreas comunes: 45 dB

ESPAÑA

CHILE

TDRe CHILE

NCh354.Of61

TDRe DA-MOP 2012

Niveles de ruído: 20-25 fon

Tiempo de reverberación= 0,7s

Fachada y medianero > 35 dB

Aisl. ruido aéreo entre aulas y aulas con áreas comunes: 50 dB

Aulas y salas de conferencias vacías pero incluyendo las butacas. V< 350 m3: T ≤ 0,5 s. N/A

STC 53 entre salas y baños IIC 50 (mínimo 45)

Medianerías: Cada cerramiento: D2m,n,Atr 40 dBA. Conjunto de los dos cerramientos: D nT,A 50 dBA.

Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

Tabla 1.5: Síntesis de parámetros acústicos

Aisl. ruido impacto: 35 dBA

Fachadas: D2m,nT > 30 dBA Ruido de impacto para recintos habitables: L´nT,w (dB) ≤ 60.

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Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

1.6

Guías de diseño

En la actualidad existen a nivel nacional dos guías referentes al diseño de establecimientos educacionales. La primera es la “Guía de Diseños de Espacios Educativos” elaborada en 2000, que surge de un trabajo en conjunto realizado por la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), Ministerio de Educación (MINEDUC) y Ministerio de Obras Públicas (MOP). En ésta se describen líneas de acción para el diseño de los nuevos establecimientos en base a la reforma educacional impulsada desde 1997, además de recomendaciones fundamentales de diseño pasivo y confort ambiental.

La organización público-privada The Collaborative for High performance Schools (CHPS) desarrolló el “High Performance Schools Best Practices Manual”, editado en 2006, que busca promover el diseño de edificios educacionales de alto desempeño y verificar que dichos desempeños sean logrados. En la Tabla 1.6 se resumen los requerimientos y recomendaciones de diseño ambiental en los espacios educativos según las distintas normativas y guías descritas.

Por otra parte, y con un enfoque en la eficiencia energética, el reciente “Manual de Diseño Pasivo y Eficiencia Energética en Edificios Públicos” publicado el año 2012 (realizado en el marco del proyecto INNOVA Chile de CORFO mencionado anteriormente) presenta recomendaciones de diseño para edificios públicos en general, además de introducir los resultados de análisis del desempeño energético y de habitabilidad en casos de edificios construidos a lo largo de Chile. Este manual tiene como objetivo dar directrices respecto de los diferentes criterios y estrategias que son factibles aplicar en edificaciones públicas nacionales respecto del diseño de la envolvente, el calentamiento y enfriamiento pasivo, la iluminación natural, diseño acústico e integración de sistemas solares térmicos, todo esto, en atención a la diversidad climática propia de nuestro país. A nivel internacional, existe gran cantidad de guías publicadas sobre el diseño de espacios educativos eficientes. En Estados Unidos se han desarrollado varias guías de diseño publicadas por distintas entidades públicas y privadas que buscan disminuir el consumo de energía en espacios educativos. El “National Best Practices Manual for Building High performance Schools” fue publicado por el Departamento de Energía de los EE. UU. y el EnergySmart Schools Team. [Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO]

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DS 594/99

NCh 354 Of.61

ASHRAE 62 2989

UNE EN 15251

Reglamento de instalaciones térmicas en Chile

Norma EN 12464-1

Building Regulations 2010

Nouvelle Reglamentation Acoustique (NRA)

ANSI S12.60-2002

ASHRAE 62.1 -2004

UNE-EN 12464-1

Términos de referencia estandarizado con EE

National Best Practice Manual

ES Ch

Guía técnica de eficiencia energética en iluminación: centros docentes Manual de diseño pasivo y eficiencia energética en Edificios Público

IESNA HANDBOOK

CHPS

Calidad del aire

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Eficiencia Energética en Establecimientos Educacionales

Iluminación

NCH Elec. 4/2003

Eléctricas

ACS

DS 560/2010

HVAC

Acústico

Criterios normativos para el diseño de locales de educación básica regular, -niveles de inicial, primaria, secundaria y básica especial

Lumínico

NTC 4595:Ingenería Civil y Arquitectura: Planeamiento y diseño de instalaciones y ambientes escolares

Térmico

Código Técnico Español (CTE)

Permeabilidad al aire

Ventilación natural

Ordenanza General de Urbanismo y Construcción

Iluminación natural

Protecciones solares

Nombre

Criterios de instalaciones

Ventanas

País

Criterios Criterios Criterios de de diseño de diseño constructivo arquitectónico confort ambiental Envolvente

Guías y manuales

Estándar obligatorio

Norma obligatoria

Tipo de documento

Tabla 1.6: Criterios de eficiencia contemplados en distintos documentos nacionales e internacionales.

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CapĂtulo 2

Estrategias de DiseĂąo Pasivo de Establecimientos Educacionales

2. 1 2. 2 2. 3 2. 4 2. 5

Estrategias de calentamiento y enfriamiento pasivo. Estrategias de ventilación natural. Estrategias de iluminación. Estrategias de diseño acústico. Integración de diseño pasivo en aulas escolares: ejemplos internacionales.

El diseño pasivo busca proveer condiciones de confort en el interior de los edificios mediante la optimización de los factores medioambientales del lugar, minimizando así el uso de medios activos para tal fin. Complementariamente, el diseño para la eficiencia energética busca que un determinado propósito, en este caso, proporcionar óptimas condiciones de confort y calidad ambiental en las aulas, se logre utilizando la menor cantidad de energía posible. Por lo tanto, es indispensable que un enfoque arquitectónico pasivo y energéticamente eficiente comience con un cuidadoso análisis climático de la localidad donde el proyecto se ha de emplazar, identificando, tanto los aspectos positivos, como

negativos del clima en cuestión. Es importante además, entender al objeto arquitectónico como un modificador del sistema natural en el que se inserta, que es, a su vez, modificado por las características ambientales de dicho sistema. Luego, el diseño arquitectónico y, particularmente la envolvente del edificio, debe ser proyectada como un filtro selectivo, excluyendo las influencias ambientales no deseadas al interior de los espacios y admite las influencias beneficiosas, de modo tal de mantener un ambiente interior confortable (Szokolay, 2008). Este capítulo detalla las principales estrategias de diseño pasivo que aplican específicamente a aulas escolares, de acuerdo a criterios de calentamiento, enfriamiento, iluminación, ventilación y acústica.

Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

Capítulo 2: Estrategias de diseño pasivo de establecimientos educacionales

[Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

Estrategias de calentamiento y enfriamiento pasivo

El confort térmico depende de parámetros ambientales y de parámetros personales: Temperatura del aire Humedad relativa Temperatura radiante media Velocidad del aire Metabolismo Vestimenta

2.1.1. Importancia del confort térmico en el aprendizaje Los estudiantes deben permanecer por períodos para prolongados en las aulas escolares, realizando sus actividades académicas, lo que implica que sean muy sensibles a las condiciones de confort térmico y a las repentinas variaciones de los parámetros térmicos. Los primeros estudios científicos sobre los efectos de la calidad del ambiente térmico de las aulas sobre el aprendizaje comenzaron a mediados de los ‘50. El creciente interés de los últimos años en la teoría del confort adaptativo (Dear y Brager, 1998) ha motivado el desarrollo de nuevas investigaciones a través de estudios de campo destinadas a la evaluación del ambiente térmico, tanto objetivamente (a través de mediciones) como subjetivamente (a través de levantamiento de la percepción de los ocupantes).

2.1.2 Parámetros de confort térmico El confort térmico se define como “la condición de la mente que expresa satisfacción con el ambiente térmico y es determinada mediante evaluación subjetiva” (ASHRAE 2010). Según esto, el confort térmico depende de la percepción subjetiva del individuo y, por lo tanto es relativa, dependiendo tanto de parámetros ambientales, como de personales los que se

• Humedad relativa: es la relación entre la cantidad de vapor de agua contenida en el aire a una determinada temperatura y la máxima cantidad de vapor de agua que puede contener el aire a esa temperatura. Se expresa en porcentaje (%). • Temperatura radiante media: se refiere a la temperatura media de las superficies del recinto que rodean al ocupante. • Velocidad media del aire: es el promedio de la velocidad instantánea del aire durante un intervalo de tiempo. Se expresa en metros por segundo (m/s).

Parámetros personales • Metabolismo: se refiere a la transformación de energía por actividades metabólicas del cuerpo. Su unidad de medida es el MET, donde 1 MET expresa a la energía generada por una persona en reposo, equivalente a 58,2 W/m2. • Vestimenta: la ropa tiene un efecto de aislación térmica que reduce las pérdidas o ganancias de calor. Este efecto se cuantifica a través de la unidad de medida CLO, donde 1 CLO es equivalente a 0,155 m2°C/W. La escala está definida de manera que una persona desnuda tiene un valor de clo de 0,0 y una persona con terno tiene un valor de 1,0.

detallan a continuación:

Parámetros ambientales • Temperatura del aire: se refiere a la temperatura del aire que rodea al ocupante. Se mide en grados centígrados (°C), pero la unidad de medida del SI es grados Kelvin (K). 40

Dentro de los parámetros ambientales, la temperatura del aire es el factor dominante, ya que determina la disipación de calor por convección. Cuando la humedad relativa del aire se encuentra en el rango entre 30 y 65%, ésta no tiene mayor incidencia en el confort, pero humedades relativas más altas restringen la evaporación desde la piel y la respiración, mientras que

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El cuerpo humano no es pasivo, sino que genera una serie de mecanismos para ajustarse a las condiciones térmicas, tales como la vasodilatación y la vasoconstricción. En períodos estacionales, las personas se adaptan a las condiciones climáticas a través de mecanismos fisiológicos y sicológicos, por lo que las últimas normativas de confort térmico incorporan el concepto de “confort adaptativo”, que define una zona de confort térmico

dependiente de las temperaturas del aire exterior. La zona de confort se define por un rango de temperatura y humedad relativa del aire, dentro de la ser humano se encuentra en condiciones de confort aceptables. El modelo adaptativo del confort térmico ha permitido calificar no sólo un juicio sobre la sensación térmica, sino también sobre la aceptabilidad y preferencia de las condiciones térmicas con respecto a las condiciones de neutralidad térmica. Esta tendencia a preferir ciertos ambientes térmicos se argumentó en estudios donde se descubrió que la gente de climas cálidos pueden preferir los ambiente “un poco fríos” y, por el contrario, la gente de climas fríos prefieren los ambientes “un poco cálidos” (Corgnati, Filippi, & Viazzo, 2007).

Psychrometric Chart Location: Santiago. dat. Display: Monthly mean Minimum / Maximum. Barometric Pressure 101.3 kPa © Weather Tool

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humedades relativas muy bajas tienden a secar las membranas mucosas y la piel, causando incomodidad. La velocidad del aire interviene en las condiciones de confort a partir de los 0,2 m/s, que determina la velocidad a la que el movimiento es perceptible. Esto tiene un efecto positivo cuando el ambiente es cálido, ya que acelera el proceso de convección y aumenta la evaporación, pero puede causar disconformidad en ambientes fríos.

El modelo de confort adaptativo reconoce las capacidades de adaptación del ser humano al clima local.

Selected design techniques: 1. Passive solar heating 2. Themal mass effects 3. Natural ventilation

Figura 2.1: Diagrama psicométrico para Santiago

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Los diagramas psicométricos expresan la relación entre la zona de confort y las temperaturas medias del clima en cuestión, de manera de facilitar la definición de estrategias de diseño pasivo apropiadas. La Figura 2.1 muestra un ejemplo de esto, donde se visualiza que las temperaturas mensuales de la ciudad de Santiago se encuentran bajo, dentro y sobre la zona de confort definida para este clima, por lo que las estrategias de diseño pasivo apropiadas para este clima son el aprovechamiento de la energía solar pasiva en invierno, uso de masa térmica en invierno y verano; y la ventilación natural en verano. Es importante indicar, eso sí, que el diagrama permite identificar estrategias generales, ya que las características de uso y el emplazamiento específico de la edificación permitirán definir las estrategias precisas. Las estrategias de calentamiento y enfriamiento pasivo están orientadas a mejorar el confort térmico de las aulas escolares, tanto en la época invernal como estival, y con ello disminuir los requerimientos energéticos de calefacción y/o enfriamiento. Considerando que en nuestro país la mayoría de las aulas escolares no son calefaccionadas ni refrigeradas. El objetivo principal de estas estrategias es propender al bienestar de los estudiantes a través de buenos estándares de confort térmico.

Figura 2.2: Fuentes de calor internas

Las aulas escolares se caracterizan por una ocupación eminentemente diurna, y con alta densidad, por lo que las ganancias de calor internas unidas a las ganancias solares generan que tengan bajas demandas de calor y alto riesgo de sobrecalentamiento, principalmente en los climas más cálidos del norte y centro del país (Figura 2.2). A continuación se definen las principales estrategias de calentamiento y enfriamiento pasivo apropiadas para aulas escolares en Chile.

2.1.3 Protección térmica de la envolvente La principal estrategia para evitar las excesivas pérdidas de calor en época invernal, es la aislación térmica de la envolvente del edificio, como también el control de las posibles infiltraciones de aire. La aislación térmica se expresa a través de la resistencia térmica (Valor Rt), que define la resistencia de un elemento al paso de calor, y a través de la transmitancia térmica (Valor U) que expresa la cantidad de calor que es capaz de transmitirse a través de un elemento, y corresponde al valor inverso de la resistencia térmica (U=1/Rt). La protección térmica de la envolvente involucra aislar térmicamente los elementos constructivos, como muros, techumbre, pisos y ventanas de las aulas escolares, lo que se logra principalmente a través de la incorporación de aislantes térmicos que reducen la transmitancia térmica o valor U de los elementos constructivos. Para esto, es importante identificar la envolvente del edificio, de manera de proponer una protección térmica continua y libre de puentes térmicos, que son todas aquellas zonas, encuentros o puntos donde existen perdidas de calor por conducción dadas por la falta de continuidad de la envolvente térmica entre el exterior y el interior del recinto (Figura 2.3 y Figura 2.4).

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Muros

Figura 2.3: Envolvente térmica continua - aulas con pasillo cerrado

11 Envolvente:

Los muros de las aulas escolares en Chile son típicamente de albañilería reforzada o de hormigón armado. Dependiendo del clima, es recomendable considerar la incorporación de aislación térmica por el exterior, de manera de favorecer una envolvente térmica continua con minimización de los puentes térmicos que pudiesen generar los encuentros entre muros y losas. Además, esto permite disponer de la masa térmica de los muros para atenuar las variaciones de temperatura interior. Es posible también incorporar aislación térmica por el interior del muro, en base a diferentes sistemas constructivos disponibles. En el caso de muros de estructura de madera, es posible incorporar aislación térmica en el interior de la cámara de aire, cuidando de generar las necesarias protecciones al viento, a la humedad y a los efectos del vapor de agua.

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pueden encontrar detalles constructivos de distintas soluciones de envolvente térmica con referencia a sus respectivos Valores U.

La protección térmica debe envolver todo el perímetro del área habitada, por lo que se proponen diferentes estrategias de acuerdo a la tipología de pabellón con pasillo abierto o con pasillo cerrado.

Figura 2.4: Envolvente térmica continua - aulas con pasillo abierto Los estándares de aislación térmica e infiltraciones recomendables para aulas escolares localizadas en cada zona climática de Chile se definen en el Capítulo 3 en base a simulaciones térmicas, realizadas para esta Guía. En el Manual de Diseño Pasivo y Eficiencia Energética en Edificios Públicos (CITEC-UBB, 2012) se

Figura 2.5: Complejo Educacional Manuel Jesús Andrade, Chonchi. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Envolvente: Es importante aislar la techumbre, como también generar ventilación para evitar sobrecalentamiento.

Techumbre La techumbre constituye una importante zona de transmisión de calor en un aula escolar. En invierno, se generan pérdidas de calor que pueden ser controladas a través de la incorporación de aislación térmica a nivel del cielo, de manera de limitar el volumen de aire habitado o calefaccionado. En verano, la radiación solar calienta la cubierta, y el calor es transmitido hacia el espacio interior a través del cielo, causando sobrecalentamiento. Los resultados de las simulaciones térmicas detalladas en el

Capítulo 3 indican que este efecto es fundamental en el comportamiento de las aulas ubicadas en pisos superiores, ya que las demandas energéticas de enfriamiento (o sobrecalentamiento) son mucho mayores en los pisos superiores que en los inferiores, especialmente en los climas del norte y centro del país. Debido a esto, es importante ventilar las techumbres a través del espacio de entretecho que se genera bajo la cubierta y sobre la aislación térmica del cielo (Figura 2.6).

Figura 2.6: Techos ventilados

Figura 2.7: Escuela Básica Josefina Gana de Johnson. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Los pisos ventilados y radieres conforman una zona de la envolvente por la que también se generan pérdidas de calor. Las aulas escolares están normalmente asentadas sobre el suelo a través de radieres, lo que genera menores pérdidas que los pisos ventilados. La incorporación de aislación térmica bajo o sobre el radier permite disminuir las pérdidas de calor en esta zona, mejorando la sensación de confort de los estudiantes. El método para calcular el valor U de los radieres según el espesor de la aislación y la forma del edificio se detalla en el “Manual de Diseño Pasivo y Eficiencia Energética de Edificios Públicos” (CITEC UBB, 2012).

Ventanas Uno de los elementos más importantes de la envolvente de las aulas escolares son las ventanas, ya que no sólo constituyen un área relevante de la envolvente, sino que cumplen un rol fundamental y complejo en el balance térmico. Las ventanas orientadas al oriente, norte y poniente generan tanto ganancias como pérdidas de calor; mientras que las ventanas orientadas al sur generan principalmente pérdidas de calor, ya que prácticamente no reciben asoleamiento directo. Según esto, es

importante controlar tanto las pérdidas como las ganancias de calor por las ventanas, a través de estrategias de control de la transmisión, infiltración y ganancias solares. Las pérdidas de calor se pueden controlar en parte a través de la especificación de acristalamientos con características de aislación térmica, como es el caso del vidrio doble (DVH) o doble Low-e, cuya capacidad aislante supera a los vidrios simples (Tabla 2.1).w Sin embargo, es importante considerar las pérdidas de calor que se generan por efecto de las infiltraciones de aire a través de las ventanas, lo que puede ser muy relevante en el caso de climas fríos con velocidades de viento significativas. Existen métodos desarrollados con el fin de seleccionar ventanas de acuerdo al clima para distintas ciudades de Chile (CITEC UBB, 2012). Tabla 2.1: Valores de transmitancia térmica (valor U) de ventanas VENTANA

VALOR U (Wm2/°C)

Vidrio simple

5,8 – 6,0

Vidrio doble (DVH)

2,8 – 3,0

Vidrio doble (DVH) Low-e

1,8

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Pisos

Figura 2.8: Típicas fuentes de infiltraciones en las edificaciones

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La captación solar: a través de ventana debe considerar protecciones solares.

2.1.4 Captación de energía solar pasiva Es posible aprovechar el sol como fuente de energía gratuita para calentar en forma pasiva las aulas escolares en climas templados y fríos. Esto sucede debido al efecto invernadero que generan las superficies vidriadas orientadas al norte,

producido tras la captación de la radiación solar directa a través de ventanas, así como también mediante sistemas de tipo muro Trombe o invernaderos.

Figura 2.9: El Colegio Alemán de Concepción integra superficies vidriadas y muros trombe en corredores orientados al norte [Fuente: Arce Arquitectos]

La captación solar a través de ventanas debe ser idealmente orientando éstas hacia el norte (en el caso de nuestro hemisferio sur). Por otra parte, es importante permitir la captación en períodos fríos e impedir el exceso de captación en períodos cálidos mediante protecciones solares. Para esto es

significativo conocer la trayectoria solar en invierno, de manera de diseñar adecuadamente elementos de protección y control solar (como aleros o repisas de luz) que bloqueen el paso de los rayos de sol en verano. El efecto de estos elementos sobre el comportamiento térmico de las aulas se analiza en el Capítulo 4.

Figura 2.10: Captación de energía solar pasiva a través de ventanas orientadas al norte. 46

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que genera el vidrio, donde el calor acumulado en el muro se moviliza hacia el aula por conducción a través de él y por efecto convectivo, donde el aire circula a través de aberturas ubicadas a distintas alturas en el muro (Figura 2.11).

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Otra forma de captar la radiación solar es a través de sistemas indirectos, como los muros Trombe, que están compuestos por una piel exterior de vidrio y una piel interior de un material con alta masa térmica, separadas por una cámara de aire (Kwok y Grondsik, 2007). El principio se basa en el efecto invernadero

Figura 2.11: Captación de energía solar pasiva a través de muro Trombe con distribución convectiva del aire.

Figura 2.12: Captación solar a través de muro Trombe conectado a sistema de ventilación forzado.

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Como alternativa al muro Trombe individual, se puede generar uno de mayor superficie y continuo, donde el aire calentado se movilice hacia la zona superior del edificio, y desde ahí sea distribuido a las aulas a través de un sistema forzado (Figura 2.12). Esta estrategia se ha propuesto para el Liceo Politécnico de Curacautín, cuyo proyecto se detalla en el Capítulo 5. Los espacios solares o invernaderos adosados representan otra estrategia de captación solar pasiva que se realiza de manera

Figura 2.13: Invernadero en Escuela Teniente Merino de Cochrane.

indirecta, ya que el espacio de captación está separado de los espacios que sirve. Estos espacios pueden constituirse en patios de juegos de niños en climas fríos, como es el caso de la Escuela Teniente Merino de Cochrane (Figura 2.13), pero no son recomendables en climas con estaciones intermedias calurosas ya que pueden sobrecalentarse. El diseño debe considerar la posibilidad de ventilar estos espacios y de protegerlos de las excesivas ganancias solares. La orientación del establecimiento educacional tendrá un

Figura 2.14: Comparación entre bloques de aulas orientadas según eje oriente-poniente (izq) y según eje norte-sur (der)

efecto relevante sobre su comportamiento térmico, ya que si disponemos los bloques sobre un eje norte-sur tendremos aulas con orientación oriente y/o poniente que pudiese generar problemas de sobrecalentamiento y deslumbramiento. Debido a esto, es recomendable orientar los bloques según un eje oriente-poniente que permita disponer de aulas orientadas al norte o al sur, dependiendo del clima. El efecto de las distintas orientaciones de aulas se analiza en detalle en el Capítulo 3. 48

Figura 2.15: Escuela Rebeca Matte Bello. [Fuente: Proyecto

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MINEDUC/UNESCO]

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Una de las estrategias importantes en el diseño pasivo de aulas ya que incluso en invierno las aulas escolares pueden tender escolares, consiste en disponer de masa térmica que permita a sobrecalentarse debido a las ganancias de calor internas que regular las temperaturas interiores, lo que se logra a través de generan los estudiantes. la incorporación de materiales con alta masa térmica, tal como el hormigón y la albañilería maciza, que tienen la capacidad de Si bien es usual que las aulas escolares en Chile se construyan absorber y entregar calor al ambiente con relativa lentitud. Esta de materiales con masa térmica, es importante que la masa esté estrategia es apropiada, tanto en la época invernal como estival, “disponible”, lo que implica que debe estar en contacto con el

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2.1.5 Masa térmica

la masa térmica: disponible en materiales Estructurales (como el hormigón armado o la albañilería), debe estar en contacto con el aire interior.

Figura 2.16: La masa térmica del aula absorbe el calor interno.

Figura 2.17: La ventilación nocturna permite evacuar el calor almacenado en la masa térmica.

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ambiente interior para permitir la absorción y acumulación del calor. Según esto, el uso de cielos falsos y revestimientos de materiales livianos (madera, alfombra, etc.) genera un efecto aislante sobre masa térmica del elemento. En el caso de las aulas escolares, esto implica que debe buscarse un adecuado balance entre superficies de absorción acústica, normalmente de materiales livianos como madera, y superficies de masa térmica. La ventilación nocturna de masa térmica es una buena estrategia para el control del sobrecalentamiento. Esto consiste en disponer de aberturas de ventilación controlables que permitan que durante la noche, cuando la temperatura del aire exterior desciende, el flujo de aire extraiga el calor almacenado en muros, pisos y losas, y sea evacuado hacia el exterior. De esta manera, la masa térmica de las aulas estará fría en la mañana, disponible para almacenar el calor generado por las ganancias internas. La ventilación nocturna puede realizarse de manera pasiva o activa, conciderando las medidas de seguridad adecuadas.

2.1.6 Intercambiadores de calor geotérmicos Los intercambiadores de calor geotérmicos, o pozos canadienses, son elementos de acondicionamiento térmico que permiten precalentar o enfriar el aire a través de un intercambio de calor con el terreno, el actúa moderando la temperatura del aire exterior debido a su alta inercia térmica. De esta manera, resultan apropiados, tanto para la época invernal como estival, pero son más eficientes para enfriar el aire en verano, por lo que son especialmente recomendables en las zonas norte y centro del país. La efectividad del sistema depende de que exista una razonable diferencia de temperatura entre el aire exterior y la tierra, lo que ocurre generalmente en climas con amplia oscilación térmica estacional.

Figura 2.18: Aulas con alta masa térmica, Liceo Lorenzo Baeza Vega, Isla de Pascua. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]. 50

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[Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO].

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Los intercambiadores de calor geotérmicos: permiten precalentar a enfriar el aire a través del contacto con la tierra.

Figura 2.19a: Aula con tubo intercambiador geotérmico para precalentamiento del aire

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Figura 2.19b: Aula con tubo intercambiador geotérmico para enfriamiento. El aire circula por los tubos normalmente bajo el impulso de ventiladores, pero el efecto puede apoyarse a través de estrategias de ventilación convectiva, es decir, disponiendo de aberturas de salida de aire en zonas altas del aula.

Las aulas integrales propuestas en el Capítulo 4 incorporan tubos intercambiadores geotérmicos como estrategia de enfriamiento pasivo en los climas del norte y centro de Chile, lo que permite analizar la efectividad del sistema para alcanzar confort térmico en las aulas escolares.

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2.1.7 Sistemas de recuperación de calor En los climas más fríos del país es necesario incorporar algunos sistemas de acondicionamiento térmico activos para alcanzar confort térmico al interior de las aulas escolares. Lo importante en estos casos es utilizar sistemas eficientes o que aprovechen las energías gratuitas disponibles en el lugar. Uno de los aspectos críticos del aula en invierno es la ventilación, ya que si bien es necesaria para mantener una adecuada calidad del aire interior, es contraproducente ventilar a través de ventanas debido a las pérdidas de calor e ineficiencia energética que esto produce. Como consecuencia de esto, es común que en la zona central y sur del país se evite la ventilación excesiva, perjudicando así, la calidad del aire interior en las aulas durante el invierno.

los sistemas de recuperación de calor son sistemas mecánicos que utilizan el calor del aire extraído del interior de las aulas para precalentar el aire exterior – más frío – que ingresa a los recintos. De esta manera se inyecta aire limpio y precalentado a través de un sistema eficiente, que actúa de manera complementaria a otras estrategias de diseño pasivo, tal como una envolvente térmica continua, control de infiltraciones, y aprovechamiento de la energía solar. En el Capítulo 4 se evalúa el impacto del sistema de recuperación de calor en aulas escolares localizadas en los climas del sur del país.

Fig.2.20 Sistema de recuperación de calor en establecimientos educacionales.

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La ventilación es una estrategia de diseño cuyo objetivo, en su sentido más amplio, es mantener la calidad del aire en los lugares de trabajo en condiciones convenientes para la protección de la salud y el desarrollo de la actividad humana. Supone suministro y/o extracción del aire de una zona, local o edificio, ya sea de forma natural o mecánica, para remover olores, contaminantes diversos y/o refrigerar, según sea el caso. La ventilación de edificios escolares, en particular de aulas, se considera una medida higiénica de prevención, necesaria para evitar el desarrollo de enfermedades, proveer bienestar y un medio de ayuda al proceso de enseñanza aprendizaje. La calidad del aire interior influye en el desempeño de las tareas escolares y en el ausentismo en los colegios. Una ventilación ineficiente causa disconfort y problemas de salud a corto y largo plazo en toda la comunidad escolar (Mendell 2002). La calidad del aire interior de un edificio está determinada por una serie de parámetros, entre los que se incluyen: la calidad del aire exterior, el tipo y volumen de fuentes contaminantes presentes en el edificio, el diseño del sistema de ventilación y de sus condiciones de operación y manutención, la permeabilidad al aire de la construcción, y de manera muy importante, la capacidad del ambiente natural para ventilar y eventualmente refrigerar.

2.2.1. Importancia de la calidad del aire en el aprendizaje La calidad del aire al interior de los establecimientos educacionales influye en el rendimiento. Estudios realizados en EE. UU. muestran una relación directa entre la calidad del aire interior (IAQ) y el rendimiento de los estudiantes y profesores (Schneider, 2002). Si bien todavía no se ha logrado establecer

su real relevancia, debido a la dificultad para aislar ese factor dentro de la compleja ecuación que explica el desempeño escolar, su importancia se aprecia no menor (Jriberón, 2002). En las aulas escolares, salvo casos excepcionales, el dióxido de carbono (CO2) derivado de la respiración de los alumnos, es el principal contaminante presente en el ambiente, parámetro que se expresa en la unidad de medida de partículas por millón (ppm). En EE. UU. y algunos países europeos, se monitorean regularmente las concentraciones de dicho gas en los establecimientos educacionales. Aunque los estudios no siempre son concluyentes, se sabe que muchos establecimientos educacionales no cumplen con las recomendaciones de la ASHRAE que establece un valor máximo de 1000ppm (ASHRAE, 1020). En Chile, los estudios publicados son escasos y, si bien estadísticamente no son representativos, muestran la misma tendencia, llegando a medirse en algunos casos niveles tan altos como 4000 ppm de concentración de CO2 en aulas (Armijo, 2010) (Trebilcock, 2012).

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2. 2. Estrategias de ventilación natural

Altas concentraciones de CO2 causan dolor de cabeza, mareos, somnolencia y problemas respiratorios, dependiendo de la concentración y de la duración de la exposición. Estos efectos alteran, tanto la salud física como mental de los estudiantes, provocando estrés y una disminución del rendimiento escolar. Otro factor que puede sumarse a una mala calidad del aire y a problemas respiratorios en los ocupantes, la humedad provocada por condensación interior, lo que aumenta la presencia de contaminantes microbianos. Estas patologías frecuentes en edificios con un mal nivel de confort medioambiental es lo que se denomina “Síndrome del Edificio Enfermo” (Enviromental Protection Agency, 2002). La mala calidad del aire en el aula, por lo mismo, se asocia a un mayor ausentismo de estudiantes y profesores. Debido a esto, los establecimientos educacionales deben ser

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Calidad del aire: Las aulas escolares deben tener una calidad del aire conceptuada como BUENA (IDA2) de acuerdo a recomendaciones de normas europeas.

diseñados, construidos y mantenidos de modo de minimizar y controlar las fuentes de polución. Con ese fin, se debe proveer ventilación suficiente, ya sea mecánica o natural, de modo de reducir la concentración de contaminantes a niveles que no afecten el proceso de enseñanza-aprendizaje en las aulas (Campos, 2005).

categorización de calidad de aire, tanto interior como exterior, lo que se explica en las Tablas 2.2 y 2.3. Los recintos de aulas deben tener una calidad de aire conceptuada como buena (IDA 2), independientemente de la calidad del aire exterior. Tabla 2.2: Clasificación de la calidad del aire exterior

2.2.2. Contaminantes y fuentes La composición y calidad del aire en un edificio depende del tipo y fuente de contaminantes existentes fuera y dentro del edificio. En las áreas industriales y en las grandes ciudades donde las emisiones del tráfico de vehículos son importantes, eventualmente se podrían encontrar en ambientes interiores concentraciones importantes de dióxido de nitrógeno (NO) y dióxido de azufre (SO2); contaminantes particularmente dañinos para la salud. Esta situación a veces se ve agravada cuando se dan además algunas condiciones meteorológicas, tal como la escasez de lluvias, que favorece la suspensión en la atmósfera de material particulado (PM10) y una alta radiación solar que ayuda a la contaminación fotoquímica y a la formación de ozono (MMAE, 2008). Debido a esto, es importante conocer la calidad de aire exterior y considerarla en el proceso de diseño del edificio y de su sistema de ventilación, informando algunas decisiones de diseño, tal como la localización del edificio, las estrategias de ventilación a utilizar, la ubicación de la toma de aire y la selección de los métodos de limpieza (filtrado) del aire. En zonas urbanas o industriales altamente contaminadas, pudiese ser necesario filtrar el aire antes de ingresarlo al aula, lo que resta posibilidades de generar estrategias de ventilación natural. La norma europea EN 2008: 13779 establece requisitos

de prestación de sistemas de ventilación y establece la

CATEGORÍA

DESCRIPCIÓN

ODA 1

Aire puro que sólo puede ensuciarse temporalmente (polen).

ODA 2

Aire exterior con altas concentraciones de partículas.

ODA 3

Aire exterior con altas concentraciones de gases contaminantes.

ODA 4

Aire exterior con altas concentraciones de gases contaminantes y de partículas.

ODA 5

Aire exterior con muy altas concentraciones de gases contaminantes o de partículas.

[Fuente: EN 2008: 13779]

Nota: El aire se llama “puro” cuando se cumplen las pautas de la Air Quality Guidelines for Europe de 1999 de la Organización Mundial de la Salud (OMS) o de cualquier norma nacional de calidad de aire o reglamentación sobre las sustancias relevantes en el exterior. Se llaman concentraciones “altas”, cuando se exceden los requisitos anteriores por un factor de hasta 1,5. Se llaman concentraciones “muy altas”, cuando se exceden los requisitos por un factor mayor que 1.5.

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CATEGORÍA

CALIFICACIÓN

IDA 1

Óptima

APLICACIÓN Hospitales, laboratorios, guarderías, etc.

ozono (O3) y material particulado (PM10). Las fuentes responsables de contaminación atmosférica, y en muchos casos también acústica, son: el tráfico de vehículos con emisiones que pueden llegar a ser muy altas en el entorno de cruces de vías y de estacionamientos; la industria capaz

IDA 2

Buena

Aulas, oficinas, residencias, etc.

IDA 3

Media

Edificios comerciales, cines, restoranes.

desconocidos; la actividad agrícola, responsable de bacterias,

No se debe aplicar nunca.

muy serios en algunas zonas.

IDA 4

Baja

[Fuente: EN 2008: 13779]

de generar una amplia gama de residuos y sustancias, tales como humo, material particulado, plomo, COVs y otros incluso polen, hongos, olores que pueden también ocasionar problemas

La Tabla 2.4 resume los valores límite, objetivo o umbrales de

Fuentes externas de contaminación en aulas Los principales contaminantes atmosféricos provenientes de fuentes y actividades externas son: monóxido de carbono (CO); dióxido de nitrógeno (NO2); plomo (Pb); dióxido de azufre (SO2);

alerta, según los casos, que rigen para la calidad del aire en Europa. Se basa en estudios llevados a cabo fundamentalmente por la Organización Mundial de la Salud y diferentes grupos de trabajo europeos, sobre los efectos de la contaminación atmosférica en la población, la vegetación y los ecosistemas.

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Tabla 2.3: Clasificación de la calidad del aire interior

[Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Tabla 2.4: Valores límite y objetivo de calidad del aire en Europa relativa a algunos compuestos presentes en el aire. COMPUESTO

VALOR LÍMITE/OBJETIVO/UMBRAL DE ALERTA

CONCENTRACIÓN

N.º DE SUPERACIONES MÁXIMAS

PM10

Media anual Media diaria

40 μg/m3 50 μg/m3

35 días/año

SO2

Media diaria Media horaria Umbral de alerta: 3 horas consecutivas en área representativa de 100 km o zona o aglomeración entera

125 μg/m3 350 μg/m3 500 μg/m3

3 días/año 24 horas/año

NO2

Media anual Media horaria

40 μg/m3 200 μg/m33

18 horas /año

Media anual

0,5 μg/m3

Media octohoraria

10 mg/m3

C6H6

Media anual

5 μg/m3

Media octohoraria Umbral de información Umbral de alerta

120 ng/m3 180 ng/m3 240 ng/m3

25 días /año

[Fuente: Ministerio de Medio Ambiente de España]

A nivel global, en las dos últimas décadas se han conseguido reducciones importantes en la concentración presente en la atmósfera de ciertos contaminantes, fundamentalmente dióxido de azufre, no obstante persisten concentraciones elevadas de otros, tal como el dióxido de nitrógeno y de partículas en suspensión, así como episodios de contaminación por ozono troposférico en verano (MMAE, 2008). Actualmente las zonas con mayores niveles de contaminación son las próximas a áreas industriales, y en especial, las grandes ciudades donde las emisiones del tráfico de vehículos y las derivadas de los sistemas de calefacción son importantes. Mención especial merece la situación en varias ciudades de la zona centro sur del país, producto de la combustión de leña en estufas de calefacción. 56

Fuentes internas de contaminación en aulas Las principales fuentes contaminantes internas son las personas, el edificio y su mobiliario, productos de limpieza y equipos utilizados en la actividad docente. Las principales emisiones son las siguientes:

Dióxido de carbono (CO2) El dióxido de carbono es un producto de la respiración humana y la combustión, que genera un asfixiante simple que actúa básicamente por desplazamiento del oxígeno. En aulas, el CO2 proviene principalmente de la exhalación humana, y su nivel y comportamiento en el recinto depende del número, actividad y tiempo de permanencia de los ocupantes en él, y de la tasa de

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5000

Temperatura ºC

4000

3000 Co2 Interior Co2 Exterior 2000

1000

:00

:00 00 : 00

12 : 00

00 : 00

12 : 00

00 : 00

12 : 00

00 : 00

:00

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12 : 00

:00

Tiempo (horas)

Figura 2.21: Concentración de CO2 en el aire exterior e interior en aula del Complejo Educacional Monseñor Francisco Valdés Subercaseaux de Curarrehue. Período invernal comprendido entre el 08 y 14 de Agosto del 2010. ventilación del local. La Figura 2.2.1 muestra la dinámica de la emisión de CO2 en una sala de clases ventilada naturalmente durante una semana de período invernal, resultados de evaluaciones en aulas de establecimientos educacionales del sur de Chile (Trebilcock, 2012), (Bobadilla, 2012). Durante toda la semana, la concentración de CO2 del aire exterior bordeó las 400 ppm, con poca dispersión en torno a dicho valor. Durante el 19% del tiempo de actividad docente, la concentración de CO2 del aire interior en el aula se mantuvo bajo el umbral de 1000ppm. La media de los picos de concentración diarios fue de 2557ppm; el máximo absoluto durante el período fue de 4773ppm; el límite de 1500ppm se supera el 57% del tiempo de permanencia de alumnos en el aula y la media de la concentración durante todo el período fue de 1895ppm. Estos niveles de concentración y tiempos de exposición tipifican la calidad del aire interior como muy mala durante el período observado. Confrontada la calidad de aire de las aulas con el estándar europeo EN 2008: 13779, se observa que sólo durante el 10% del tiempo la clase de aire es IDA 1 (óptima) y el 6,7% es IDA 2 (buena). De acuerdo a este estándar, menos de un 20% del tiempo en que los alumnos permanecen en aula, la calidad de aire interior es apropiada para el desarrollo de la actividad

La dinámica del proceso de generación y eliminación de con la dinámica del proceso de generación y eliminación de contaminantes en este período se caracteriza por mostrar fases de crecimiento acelerado de la concentración a tasas promedios de 1500ppm/h. En las mañanas, a los 30 minutos de iniciadas las clases, se supera el umbral 1000ppm, indicador de ventilación insuficiente, alcanzando picos máximos en torno a los 3000ppm a los 180 minutos. Las tasas ventilación y eliminación de contaminantes para el período observado oscilan entre los 0,2 y 0,4 cambios de aire hora (ach), lo que se compara negativamente con los 5 cambios de aire hora (ach) necesarios para equilibrar la generación de contaminantes en el recinto. No se observan estados estacionarios o transitorios, situación que refleja la falta de equilibrio entre generación y eliminación de contaminantes. El análisis de la dinámica del proceso de dilución de contaminante durante esos períodos muestra que al aula se ventila a tasas que no superan 1 ach, muy bajas para las necesidades de ventilación de esos recintos.

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docente, con el agravante de que el 65,6% del tiempo la calidad es considerada como “no aplicable nunca”. Estos indicadores reflejan una insuficiente reposición del aire limpio por mal desempeño de la ventilación del aula.

Concentración de niveles de Co2 aire interior Aula Nº5 y aire exterior, Escuela Francisco Valdes, IX Región Periodo Invernal: 08-08-2010 hasta 14-08-2010 6000

Calidad del aire: El principal contaminante del aire en un aula es el CO2, producido por los mismos usuarios.

La concentración de CO2 en el aire exterior se encuentra normalmente entre 300 y 400ppm, pudiendo alcanzar valores de hasta 550ppm en zonas urbanas. En ambientes interiores no industriales, tal como oficinas o escuelas, es posible alcanzar niveles entre 2000 y 3000ppm, e incluso superiores en algunos casos. Las principales fuentes contaminantes en estos casos son la respiración humana, el humo de tabaco y los aparatos de combustión de sustancias que contienen carbono.

Olores Los olores son emisiones corporales y de otras fuentes provenientes de materiales y sustancias presentes en los

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Calidad del aire: Las aulas del sur de Chile han presentado mala calidad del aire en invierno

edificios. Se relaciona con el sentido del olfato y se puede acumular a niveles desagradables, por lo que siempre es necesario un suministro de aire fresco para diluirlos y eliminarlos. Sin embargo, la cantidad de aire limpio necesario para reducir la concentración de CO2 es siempre superior al necesario para remover olores.

Compuestos orgánicos volátiles (COVs) Los COVs son emitidos por una amplia gama de materiales y productos presentes en los establecimientos educacionales, tanto en el edificio mismo como en su mobiliario. Provienen de diversos efluentes de pinturas, insumos de limpieza, pegamentos y útiles docentes, donde los más comunes son: formaldehído, decano, butoxietanol, estireno, tolueno y cloruro de vinilo. Algunos de ellos son tóxicos y pueden afectar negativamente a niños, en especial a los que sufren de asma y alergias. Se ha demostrado que existe relación entre los niveles de COVs y problemas de salud y de comportamiento en los niños, tal como irritación de los ojos, la piel y las vías respiratorias, especialmente por formaldehídos, cuando sus concentraciones superan los 0,1mg/m³.

Humedad La humedad deriva de la actividad metabólica de las personas y se genera en forma de vapor acuoso presente en los diversos recintos de los establecimientos educacionales. En algunos recintos la humedad puede llegar a ser importante, por ejemplo en talleres, laboratorios, baños y cocinas, donde podría generar condensaciones en las superficies frías, y problemas de hongos y deterioro de las condiciones ambientales. En las aulas podría ocasionar problemas cuando coexisten varios de los siguientes factores concomitantes: bajas temperaturas exteriores, altos niveles de humedad exterior, baja renovación de aire y migración de vapor de agua de otros locales. Los climas de la zona centro y sur de Chile favorecen la ocurrencia de condensación. 58

Monóxido de carbono (CO) Es un producto de la combustión incompleta de un combustible. En aulas puede estar presente cuando existen aparatos de calefacción, tal como estufas de leña y otros en base a hidrocarburos, cuando la combustión y/o evacuación de gases es defectuosa. Es inodoro, incoloro e insípido, y es potencialmente fatal en concentraciones relativamente bajas. Como se ha señalado, la concentración y tipos de contaminantes presentes en cualquier edificio es resultado de la contaminación generada dentro y fuera de ella. En aulas escolares, el CO2 derivado de la respiración de los alumnos es el principal contaminante a considerar. Tanto es así, que internacionalmente se utiliza este contaminante como indicador para establecer estándares de calidad de aire interior y para evaluar desempeños de la ventilación en aulas. La clave para una buena calidad de aire interior está en minimizar el impacto de las fuentes externas y reducir el ingreso de contaminantes. Para ello, el diseño del sistema de ventilación y su operación, deben cumplir con algunas consideraciones importantes: Considerar una envolvente suficientemente hermética, lo que aporta a la eficiencia energética, al control de ruidos y de contaminantes. La hermeticidad al aire de la envolvente de edificios aún no está regulada en Chile1. Un valor que se considera internacionalmente aceptable es de 1,5 cambios de aire hora del edificio a 50 Pascales de presión diferencial (N50=1,5ach) medidos mediante el test de presurización o técnica del Blower Door. Seleccionar materiales de bajas emisiones de COVs. Los cerámicos, vidrios y materiales pétreos en general tienen naturalmente bajas emisiones, no así algunos tableros, pinturas y otros productos de la industria petroquímica. A nivel 1 CITEC UBB y DECON UC desarrollan el proyecto Fondef D10 I 1025:” Establecimiento de clases de infiltración aceptable de edificios para Chile”.

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Extraer y eliminar el vapor de agua y otros contaminantes que se generan en los establecimientos educacionales, en particular en cocinas, baños y talleres, para evitar que eventualmente migren hacía las aulas, oficinas y otros recintos limpios. Procurar que el aire provenga de aquellas zonas menos contaminadas del edificio. En zonas urbanas, se podría tomar el aire de atrios o pasillos interiores, en vez de tomarlo directamente de un sector de tráfico vehicular. Si se considera que el tráfico por carretera fluctúa durante el día, eventualmente se podrían considerar sistemas duales de toma de aire con adecuados mecanismos de control para cerrar la admisión cuando la contaminación externa supera ciertos límites.

2.2.3. Estándares y desempeños de la ventilación en aulas Las instalaciones de ventilación deben cumplir con la exigencia técnica de “mantener una calidad de aire interior aceptable en lugares ocupados por las personas, eliminando los contaminantes que se produzcan de forma habitual durante el uso normal de los mismos, aportando un caudal suficiente de aire exterior y garantizando la extracción y expulsión del aire viciado” (UNE EN, 2008). El objetivo principal de la ventilación en aulas es higiénico, pero es posible que sirva también para propósitos de enfriamiento, lo que es muy deseable debido a las altas cargas térmicas que se generan normalmente en estos espacios.

Desempeños de la ventilación para prevenir la contaminación

Filtrado o limpieza del aire nuevo que ingresa, en particular en zonas con alta presencia de material particulado y polen. Se debe tener en cuenta que el uso de filtros le resta eficacia a los sistemas de ventilación natural.

En los espacios dedicados a la enseñanza y aprendizaje, la exigencia para la ventilación se mide a través de su capacidad para limitar la concentración de CO2. El criterio de desempeño es que la ventilación sea suficiente para que la concentración de CO2 medida a la altura de la cabeza de un individuo sentado, no exceda los 1000ppm durante el período de clases. Además, el sistema debe tener la capacidad para reducir en cualquier momento la concentración de CO2 hasta el límite de 1000ppm.

Ubicar las salidas en lugares alejados de las tomas de aire. Si el sistema de ventilación es natural, la altura de chimenea o stack debe ser lo suficientemente alta para evacuar correctamente el aire.

Para el cumplimiento de este estándar, el sistema de ventilación, que puede ser natural, mecánico o híbrido, debiera ser capaz de proveer volúmenes de aire fresco en el siguiente rango de prestaciones (Department for Education, 2007):

Mantención adecuada de las instalaciones de ventilación con el objeto de garantizar un desempeño adecuado de la ventilación.

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internacional se promueve el etiquetado de emisiones de COVs de materiales para ayudar a esos propósitos. La información que existe actualmente es limitada, no obstante, algunos tableros y pinturas ya exhiben certificados que ayudan a la elección bajo ese criterio.

Ventilación: Si bien el objetivo principal de la ventilación es higiénico, ésta también puede cumplir funciones de enfriamiento pasivo.

• Un mínimo de 3 l/s por persona. • Un promedio mínimo diario de 5 l/s por persona. • La capacidad para conseguir un mínimo de 8 l/s por persona en cualquier momento. Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

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La ventilación en este caso remueve el contaminante por dilución. El rango se explica por la dinámica del proceso de dilución y la eventual sobrecarga ocupacional de espacios. Se basa en que en promedio una persona emite del orden de 18 I/h de CO2 en un volumen ambiente, lo que en aula puede variar típicamente entre 3 y 4 m3/alumno. Cuando se suministra aire fresco a un rango de 8 l/s por persona, la concentración de CO2 generalmente se mantiene por debajo de 1000 ppm. Esta ventilación puede no ser necesaria durante todo el tiempo de ocupación, pero debe ser posible de alcanzar y de ser controlada por los ocupantes. Esta tasa de ventilación se consigue con certeza cuando se utiliza ventilación mecánica o híbrida, mientras que con ventilación natural se consigue cuando los “motores del ambiente natural” lo permiten. Hay climas más o menos aptos para explotar estos motores, como se explica en la sección 2.2.4.

Desempeños de la ventilación para prevenir sobrecalentamiento La exigencia para la ventilación se mide en este caso por su capacidad para limitar la ocurrencia de sobrecalentamiento durante el período estival. Los códigos europeos recomiendan los siguientes indicadores de desempeño para este caso (Department for Education, 2007): • • •

El número de horas en que se supera un umbral de temperatura. El grado en el que la temperatura interior supera la temperatura exterior. La temperatura máxima prefijada en cualquier momento.

a) No debe haber más de 120 horas del tiempo de ocupación en que la temperatura del aire en el aula supere los 28°C. b) El diferencial de temperatura interior-exterior no debe superar los 5ºC. Esto quiere decir que la temperatura del aire en el aula no debe superar por más de 5°C la temperatura del aire exterior, en promedio. c) La temperatura del aire interior cuando el espacio esté ocupado no debe exceder los 32°C. Para demostrar que el establecimiento educacional propuesto no sufrirá sobrecalentamiento, se deberán cumplir dos de estos tres criterios.

Otros desempeños exigibles a la ventilación A continuación se resumen otros desempeños exigibles a nivel internacional a recintos de aulas y de oficinas (Department for Education, 2007): •

La humedad relativa del aire no debe superar el 70% durante más de 2 horas por cada período de 12 horas durante la temporada de calefacción. • El dióxido de nitrógeno (NO2) no debe exceder 288 µg/ m3 (150 ppm) como promedio durante 1 hora. • El monóxido de carbono (CO) no debe exceder: - 100 mg/m3 (90 ppm) durante 15 minutos de tiempo promedio.

El criterio de desempeño que rige en estos casos considera los siguientes valores límites:

- 60 mg/m3 (50 ppm) durante 30 minutos de tiempo promedio. - 30 mg/m3 (25 ppm) promedio.

durante 1 hora de tiempo

- 10 mg/m3 (10 ppm) durante 8 horas de tiempo promedio. 60

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El total de compuestos orgánicos volátiles (TCOV) no debe exceder 300 µg/m3 como promedio durante 8 horas. • Los niveles de ozono no deben superar los 100 µg/m3. Todas las exigencias y desempeños definidos anteriormente deben ser compatibles además con las exigencias de desempeño acústico que rigen para aulas.

2.2.4. Principios de la ventilación natural El aire se moviliza naturalmente en los edificios por diferencias de presiones creadas a través de las distintas aberturas, grietas y rendijas presentes en su estructura. Estas diferencias de presión son causadas por el efecto combinado de dos mecanismos también llamados “motores” de la ventilación natural: el viento y la diferencia de temperatura.

Presión por efecto viento

y otra de succión o presión negativa en las fachadas opuestas (Figura 2.22). De esta forma se crean diferencias de presiones que producen circulaciones de aire a través de la estructura, donde los flujos de aire que ingresan por las fachadas de presión positiva son iguales a otros que salen por las fachadas de presión negativa. El efecto del viento se considera mediante el coeficiente de presión Cp y el coeficiente de entorno-altura Ce.

Ambos

ponderan la fuerza de la incidencia del viento sobre una superficie de la fachada. El coeficiente Cp se obtiene a partir de mediciones en edificios reales, en túneles de viento sobre modelos a escala de los edificios, y mediante simulaciones. Su valor depende de la geometría del edificio y de la velocidad y dirección del viento

Cuando el viento sopla contra un edificio, el movimiento del aire es perturbado y desviado por encima y alrededor del edificio, generando dos tipos de zonas diferenciadas: una de presión mayor a la atmosférica en las fachadas que enfrentan el viento,

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•

Ventilación: La ventilación natural puede actuar por efecto del viento, como por efecto convectivo.

con respecto al edificio. El coeficiente Ce considera el tipo de terreno en que se emplaza el edificio y su rugosidad en la dirección del viento, considerando la topografía y los edificios cercanos.

Figura 2.22: Presión del viento sobre las fachadas del edificio Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

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La contribución del viento sobre la diferencia de presión a través de una abertura exterior es calculada por la siguiente expresión general: Pv = Cp Ce Pm Pm = 0,613 (Vm)2 Donde: Pv: presión de viento sobre la fachada (Pa). Cp: coeficiente de presión del viento (s/d). Ce: coeficiente de entorno-altura (s/d). Pm: presión media de vientos de la localidad (Pa). Vm: velocidad media de viento de la localidad (m/s). Los coeficientes Ce y Cp de la fachada son los que se muestran en la Tabla 2.5 y Tabla 2.6 para las condiciones que se señalan: Tabla 2.5: Coeficiente de entorno-altura Altura de la fachada sobre el nivel del suelo exterior (m)

Entorno del edificio 3

Centro de grandes ciudades

0,50

0,52

0,76

Zonas urbanas

0,50

0,66

0,85

1,12

Zonas rurales

0,52

0,66

0,94

1,12

1,39

Terreno abierto sin obstáculos

0,61

0,76

1,00

1,30

1,50

1,72

[Fuente: UNE 85-220-86]

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Zona de la fachada

Cp presiones del viento adimensionales Protección

Barlovento

Sotavento

abierta

+ 0,50

normal

Cubierta (dependiendo de la inclinación) < 10°

10° - 30°

> 30°

- 0,70

- 0,60

- 0,20

+ 0,25

- 0,50

- 0,60

- 0,50

- 0,20

protegida

+ 0,05

- 0,30

- 0,50

- 0,40

- 0,20

abierta

+ 0,65

- 0,70

- 0,60

- 0,20

Media

normal

+ 0,45

- 0,50

- 0,60

- 0,50

- 0,20

protegida

+ 0,25

- 0,30

- 0,50

- 0,40

- 0,20

Alta

abierta

+ 0,80

- 0,70

- 0,60

- 0,20

Baja

[Fuente: EN 15242:2007]

Presión por efecto convectivo (Stack) En este caso, el movimiento del aire en los edificios es generado por el desplazamiento natural de aire más liviano de menor densidad y mayor temperatura, por aire más denso y frío. La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior determina las diferencias de densidad del aire que ocasiona

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Tabla 2.6: Coeficiente de presiones de viento Cp

diferencias de presiones entre el interior y el exterior. Cuando la temperatura interior del edificio es mayor que la exterior, la distribución de presiones sobre el edificio puede tomar las formas mostradas en la Figura 2.23.

Figura 2.23: Distribución de la diferencia de presiones y posición del NPL para diferentes configuraciones de aberturas en ausencia de viento. En estos casos, el aire fluye hacia el interior a través de las aberturas por debajo del nivel neutro de presión NPL (Neutral

Pressure Level) y hacia fuera por encima de él. El NPL es la altura en la que las presiones interiores y exteriores se igualan

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Ventilación: Cuando la velocidad del viento supera los 3m/s, el efecto del viento supera el efecto convectivo

y Znpl es la distancia entre el NPL y el nivel de referencia. El tamaño y la posición de las aberturas determinan la ubicación del NPL; una abertura a nivel del piso baja el NPL y una abertura cercana al techo aumenta la altura del NPL.

Efecto combinado de viento y convectivo (Stack) En la práctica, el gradiente de presión sobre una fachada es

del viento y convectivo generadas por separado. Así, las dos fuerzas pueden oponerse o sumarse, dependiendo de la dirección y magnitud del viento y de qué temperatura es mayor, si la externa o interna. En la Figura 2.24 se puede apreciar la interacción de estas fuerzas en distintos casos.

Figura 2.24: Interacción entre el efecto del viento y de la temperatura sobre una progresión de la velocidad del viento

Según esto, para una diferencia de alturas entre aberturas de 5m y una diferencia de temperaturas interior/exterior de 20°C, se produce una diferencia de presión por diferencia de peso de la columna de aire de 4,3 Pa. Esta presión equivale a la que se obtendría con una velocidad del viento de 5m/s si el único factor causante de la diferencia de presiones fuese el viento. Comúnmente, las presiones de viento de velocidad sobre 3m/s prevalecen por sobre las generadas por tiro térmico o efecto Stack. Como la ventilación por efecto térmico depende del producto entre la diferencia de temperaturas y la altura entre las aberturas en que se mueve el aire, es de importancia práctica sólo cuando uno de los factores es de suficiente magnitud. En establecimientos educacionales o edificios residenciales con alturas entre aberturas menores a 2m, se requieren diferencias de temperaturas de sobre 20°C para inducir flujos para uso práctico. Esas diferencias sólo se consiguen en invierno, por lo 64

la suma algebraica de las diferencias de presiones por efecto

que en verano el efecto de las fuerzas térmicas es usualmente muy pequeño como para considerarlo. Las excepciones son edificios que incorporan en el diseño chimeneas o shaft de ventilación, o espacios centrales de cierta altura al cual se conectan las aberturas de entrada de aire, de modo de incrementar el tiro térmico.

2.2.5. Tipos de ventilación Dependiendo de cómo se controla la contaminación, se distinguen dos tipos de ventilación: ventilación por extracción localizada y ventilación general o ambiental. La primera elimina el agente contaminante en el mismo foco de generación, impidiendo así su dispersión por el recinto, mientras la segunda reduce por dilución el nivel de contaminación en un espacio hasta niveles aceptables. La ventilación general, también conocida como ventilación

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El cálculo del caudal de ventilación necesario se basa en el conocimiento de la generación de contaminante y en el establecimiento de la concentración que se pretende mantener. En aula, donde las personas son los principales focos de generación de contaminantes, el uso de la ventilación general por dilución permite además el control de olores, y en ocasiones el enfriamiento. El cálculo del caudal de ventilación se basa en los datos de generación de contaminación originada por las personas, y el valor límite que se acepta de concentración del contaminante. Eventualmente se pudieran requerir mayores caudales para enfriar, circunstancia que deberá apreciarse en cada caso.

La produce activamente la renovación de aire mediante el uso de sistemas electromecánicos. La renovación se puede conseguir mediante extracción mecánica y admisión natural (simple flujo); extracción natural y admisión mecánica (simple flujo); y extracción e impulsión mecánica (doble flujo). La decisión depende del caudal de aire a movilizar, la calidad del aire exterior y las pérdidas de carga del recorrido que debe realizar el aire desde donde se recoge hasta donde se expulsa. La natural produce naturalmente la renovación a través de los “motores” que provee el ambiente natural: ya sean las presiones generadas por el viento y las presiones originadas por diferenciales térmicos, tal como se explica en la sección. La híbrida genera la renovación de aire combinando ambos tipos de ventilación. Funciona en modo natural cuando las condiciones ambientales exteriores e interiores lo permiten, y en modo mecánico, cuando el nivel de contaminantes excede el límite de control. Se diseña como sistema de ventilación natural e incorpora ventiladores y un sistema de control del nivel de contaminante enclavado al funcionamiento del aparato.

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por dilución, consiste en reducir los niveles de contaminación existentes en un local mediante el aporte de aire limpio, ojalá libre del contaminante que se pretende controlar, y en cantidad suficiente para que la concentración se mantenga en niveles constantes y aceptables según el objetivo de la ventilación.

Ventilación: Las aulas se pueden ventilar en forma natural, forzada o híbrida (combinado).

Figura 2.25: Espacio atrio, Escuela Kimun Lawal, Puerto Montt. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

Por otro lado, dependiendo de los potenciales movilizadores del aire, se distinguen tres tipos de ventilación: ventilación natural, mecánica y híbrida. Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

[Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO]

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2.2.6 Estrategias de diseño para la ventilación natural Las estrategias para resolver la ventilación de aulas son muy variadas. La elección estará siempre condicionada por los medios tecnológicos y económicos disponibles, por el diseño y condiciones de entorno del edificio, y por el potencial para ventilar y enfriar que posee el aire de la localidad, lo que se aprecia observando los datos climáticos. En la Tabla 2.7 se presentan datos climáticos con sus apreciaciones cualitativas con el fin de evaluar el potencial del clima local. Las estrategias de ventilación natural basadas en la ventilación

cruzada y por acción de las presiones de vientos, ofrecen su mayor potencial en localidades con velocidades medias de viento superiores a 3m/s. El mismo aire puede servir para enfriar en período estival cuando se tienen temperaturas medias bajo los 17°C (mediano templado) y será más útil cuanto más bajas sea ésta. Las estrategias basadas en la ventilación convectiva por tiro térmico, muestran un mejor desempeño en aquellas localidades con temperaturas medias más extremas, que es donde el

Tabla 2.7: Apreciaciones cualitativas de parámetros climáticos para fines de diseño arquitectónico

Parámetro

Temperatura media T (°C)

Oscilación diaria OD (°C)

Insolación I (Wh/m² día)

Velocidad viento V (m/s)

Rango

Concepto

19°C < T

Muy alta-Muy calurosa (MA)

17°C < T ≤19°C

Alta- Caluroso (AC)

12°C < T ≤1 7°C

Mediana-Templado (MT)

7°C < T ≤ 12°C

Bajo-Frío (BF)

T < 7°C

Muy baja-Muy frío (MB)

19°C < OD

Alta (A)

9°C ≤ OD ≤ 19°C

Media (M)

OD < 9°C

Baja (B)

6397 ≤ I

Fuerte (F)

2908 ≤ I < 6397

Normal (N)

1745 ≤ I < 2908

Baja (B)

I < 1745

Muy baja (MB)

V ≤ 2,0

Muy baja (MB)

2,0 < V ≤ 3,0

Baja (B)

3,0 < V ≤ 5,0

Normal (N)

5.0 < V ≤ 7,5

Alta (A)

V > 7,5

Muy alta (MA)

[Fuente: Elaboración propia con datos de la NCh1079.Of 2008]

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ventilación para un aula tipo. Se vinculan las estrategias con los climas locales, con el objetivo de entregar una visión general del desempeño esperable de la ventilación para cada caso:

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diferencial térmico temperatura interior-exterior es más alto, en especial zonas con bajas y muy bajas temperaturas medias en invierno. Bajos diferenciales térmicos interior-exterior, menores a 10ºC, obligan al uso de grandes áreas de aberturas y/o stack integrados al diseño de alturas importantes.

Ventilación: El potencial de ventilación depende de las características climáticas locales.

En la Tabla 2.8 se presentan datos climáticos de algunas localidades de Chile con recomendaciones de estrategias de ventilación y/o enfriamiento adecuadas a las características del ambiente natural. Cabe señalar que siempre habrá una estrategia técnicamente más apropiada o conveniente que otra. En la práctica las estrategias se combinan, y es deseable que sea así, considerando la dinámica y evolución anual de las presiones de viento y diferenciales térmicos que determinan la “fuerza movilizadora” del aire. La ciudad de Concepción, con velocidad de viento media anual de 6.7m/s, ofrece muy buenas oportunidad para la ventilación cruzada durante todo el año. La temperatura media durante el período estival supera levemente los 15ºC por lo que la ventilación podría servir muy bien para fines de enfriamiento. En invierno, los diferenciales térmicos permiten además sumar algo de ventilación por efecto térmico, lo que puede ser importante si se considera un elemento stack en el diseño del edificio. La ciudad de Santiago, con velocidad de viento media anual de 2.1m/s, en el límite de lo que se considera “calma”, ofrece muy bajas posibilidades para la ventilación por efecto del viento durante todo el año. Las oportunidades de ventilación por efecto térmico son mejores en invierno, siendo necesario el uso de un elemento stack de alturas relativamente importantes (para uso práctico, sobre 25m con diferenciales térmicos de 10ºC para obtener presiones de 10Pa). A continuación, se describen algunas estrategias y principios generales aplicables al diseño y elección de una estrategia de Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

[Fuente: proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Tabla 2.8: Datos climáticos de algunas localidades de Chile. Antecedentes respecto del potencial para refrigerar y ventilar que ofrece el ambiente natural de las localidades y principios de ventilación más recomendados: alto (A); mediano (M) y bajo (B) Ciudad

Parámetros climáticos

Enero

Junio

M e d i a Anual

T. media máxima. °C

24,9

19,0

21,3

Iquique

T. media mín. °C

17,6

13,5

15,1

Diego Aracena

T. media, °C

21,1

15,9

18,0

Direc. y Vel.media, m/s

SW 3,1

Rad.Glob. mensual,MJ/m²

727,8

313,6

6240,4

T. media máxima, °C

28,1

20,0

23,9

T. media mínima, °C

13,3

5,9

9,3

T. media, °C

19,6

11,4

15,2

Direc. y Vel.media, m/s

W 6,2

W 4,1

W 5,1

Rad. Glob. mensual,MJ/m²

761,9

314,1

6702,0

T. media máxima, °C

29,7

15,2

22,5

Santiago

T. media mínima, °C

13,0

4,3

8,3

Quinta Normal

T. media, °C

20,9

8,5

14,4

Direc. y vel.media, m/s

SW 2,6

Calma

SW 2,1

Rad. Glob. mensual,WJ/m²

715,1

142,3

5062,0

T. media máxima, °C

22,8

13,4

17,7

T. media mínima, °C

10,5

6,2

7,7

T. media, °C

16,3

9,2

12,2

Direc. y vel.media, m/s

SW 7,7

N 8,2

SW 6,7

Rad. Glob. mensual,WJ/m²

761,8

142,1

5422,9

T. media máxima, °C

14,7

4,2

9,7

T. media mínima, °C

6,5

-0,7

2,8

T. media, °C

10,5

1,5

5,9

Direc. y vel.media, m/s

W 9,3

W 6,7

W 8,2

Rad. Glob. mensual,MJ/m²

575,3

47,1

3634,9

Estación

Copiapó Chamonate

Concepción Carriel Sur

Punta Arenas Pdte. Ibáñez

Potencial de la Ventilación Efecto viento

Efecto stack

[Fuente: Elaboración propia con datos de la NCh1079.Of 2008]

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Enfriamiento

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Utiliza una sola abertura de ventilación; la renovación de aire se puede producir por efecto de tiro térmico puro (velocidad de viento cero), por presiones de viento, o por ambos efectos (Figura 2.26). Resulta más apropiada para tiro térmico, debido a que las presiones de viento tienden a anular a las de tiro térmico en la misma fachada. En período invernal, el aire más pesado fluye desde la parte inferior de la abertura hacía afuera por la parte superior de la misma. Su rendimiento en general es bajo, ya que es muy sensible a la altura de la ventana, por lo que mejores rendimientos se obtienen con ventanas más altas que anchas. El área de abertura se determina en función de las velocidades de viento medias de la localidad y la orientación de la abertura respecto a la dirección de vientos predominantes. En verano, con diferenciales térmicos más pequeños, su rendimiento disminuye bastante.

Figura 2.26: Ventilación lateral por una abertura.

Figura 2.28: Ventilación lateral por dos aberturas en una sola fachada.

Ventilación-enfriamiento lateral por dos aberturas superior e inferior en una fachada La renovación de aire se puede producir por efecto de tiro térmico puro (velocidad de viento cero), por presiones de viento o por ambos efectos combinados (Figura 2.27). Es una variante mejorada de la estrategia anterior, donde las aberturas de entrada y salida del aire están separadas en altura con el fin de favorecer el tiro térmico. Esta estrategia se puede materializar a través de una rejilla de ventilación en el nivel inferior o superior, más una ventana, donde a lo menos una de las aberturas debe ser posible de regular por el usuario. Su desempeño se ve favorecido en zonas con temperaturas medias bajas y fuertes presiones de vientos.

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Ventilación-enfriamiento lateral por una abertura

Ventilación: La ventilación natural por una sola abertura es la de menor rendimiento.

Figura 2.27: Ventilación por una abertura, Escuela Padre Alberto Hurtado. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO].

Figura 2.29: Ventanas con dos aberturas, Liceo de Collipulli. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO].

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Ventilación-enfriamiento transversal (cruzada) La estrategia de ventilación transversal o cruzada busca aprovechar las presiones de viento de la localidad para el flujo de aire (Figura 2.30). Si se establecen distintos niveles para la entrada y salida de aire, se permite que actúe además el mecanismo de tiro térmico, con el fin de asegurar la fuerza motriz necesaria para que la estrategia siga siendo eficaz en ausencia de vientos. Presiones de vientos superiores a 3 m/s tienden a anular las producidas por tiro térmico, en particular cuando las alturas y diferenciales térmicos son pequeños. Al considerar esta estrategia de ventilación cruzada, y todas aquellas estrategias de ventilación natural, se debe tener especial cuidado para no permitir la transmisión de ruidos. El uso de rejillas con capacidad para atenuar ruidos es necesario en algunos casos.

Ventilación stack directa La estrategia de ventilación por stack con evacuación directa busca aprovechar el mecanismo de tiro térmico (Figura 2.31). Es una opción interesante cuando las fuerzas motrices del viento no son tan importantes y el ambiente natural permite diferenciales térmicos significativos. Sin embargo, esta estrategia funciona bien y se potencia cuando además actúan presiones de viento. Se requieren dos aberturas: una rejilla de admisión ubicada en el nivel inferior y otra en el nivel superior (sobre una puerta, por ejemplo), más una columna o volumen central externo con las que éstas se comuniquen, en este caso directamente. El aire fresco fluye desde la fachada lateral hacía afuera a través de un corredor, o cualquier espacio adyacente, comunicado a la columna que sirve como chimenea, para ser expulsado por la parte superior.

Figura 2.30: Ventilación cruzada por dos aberturas en caras opuestas.

Figura 2.31: Ventilación cruzada apoyada por tiro térmico.

Figura 2.32: Ventanas en ambas fachadas del aula favorecen la ventilación cruzada, Escuela Básica Villa Los Salares. III Región [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO].

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Ventilación: El efecto convectivo se genera al conectar una “chimenea” de ventilación al aula.

Figura 2.33: Ventilación Stack con evacuación directa.

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Figura 2.34: Espacio atrio posibilita la ventilación, Liceo Politécnico Mariano Latorre, Curanilahue. [Fuente: Proyecto MINEDUC]UNESCO].

Figura 2.35: Espacio atrio interior posibilita la ventilación por efecto stack. Escuela México de Michoacán, Osorno. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO].

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Ventilación convectiva indirecta La estrategia de ventilación convectiva con evacuación indirecta busca aprovechar el mecanismo de tiro térmico, de forma similar a la de evacuación directa, pero en este caso la chimenea no está directamente conectada a la salida del aire viciado del aula, sino que se conecta a través de un espacio intermedio, normalmente un corredor (Figura 2.36). Su desempeño es menor, por lo que es recomendable utilizar esta estrategia cuando las fuerzas motrices naturales son importantes y/o con ventilación híbrida.

Ventilación híbrida La estrategia que muestra la Figura 2.37 combina cualquier estrategia de ventilación natural con ventilación mecánica. El modo mecánico entra recién a funcionar cuando las fuerzas naturales de conducción del aire son insuficientes. Requiere de un sistema de medición del contaminante y/o de la temperatura del aire interior del recinto-cuando la ventilación cumple también la función de enfriar-enclavado al funcionamiento del

Figura ‎2.36: Ventilación convectiva con evacuación indirecta.

aparato de ventilación.

2.2.7. Dimensionamiento de la ventilación natural Existe una variedad de métodos para el cálculo de la ventilación natural, desde métodos numéricos muy simples basados en el uso de planillas Excel, hasta complejos software de simulación dinámica de fluidos CFD como Fluent. En esta guía se recomienda el uso de una herramienta específica desarrollada en el Reino Unido para el dimensionamiento en fase diseño de la ventilación natural de aulas: la herramienta Classvent (Department for Education, 2008). Esta herramienta proporciona un método rápido para el establecimiento de las áreas requeridas para proporcionar los caudales de aire necesarios para una gama de soluciones de diseño. 72

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Figura 2.37: Ventilación híbrida.

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Los componentes principales de un sistema de ventilación natural son las aberturas de admisión, de paso y extracción de aire; los conductos o redes a través de los cuales se moviliza; y los ventiladores o sistemas motrices que impulsan el aire en los casos de ventilación híbrida. Entre los principales elementos asociados a la ventilación natural se encuentran las ventanas, las rejillas y los aireadores. A continuación se entregan algunas recomendaciones para su elección.

El diseño y especificación de ventana es fundamental para garantizar una ventilación eficaz. Las ventanas se caracterizan por sus propiedades térmicas, acústicas y protección contra la intemperie. Su capacidad para ventilar la determina fundamentalmente su hermeticidad, forma de apertura y diseño. Su rendimiento puede verse afectado por persianas y otros elementos de control solar, circunstancias que deben tenerse en cuenta al momento de su selección. Diferentes tipos de ventanas ofrecen distintas posibilidades de ventilación y protección, lo que se describen en la Tabla 2.9: Características de distintos tipos de ventanas. Se debe tener en cuenta que la diferencia de presión disponible determina el área de apertura y la capacidad de ventilar de una ventana, y que es deseable

Tabla 2.9: Características de distintos tipos de ventanas Tipo de ventana

Corredera

Oscilobatiente

Flujo de aire

Muy bueno

Bueno

Control de la ventilación Regular

Bueno

Protección frente al clima Regular

Bueno

Ventilación nocturna

Comentarios

Regular

No obstruye cortinas o persianas interiores, ni las circulaciones exteriores. Pueden producirse corrientes de aire.

Regular

El control es complejo. Pueden reflejar ruido al interior del aula y la apertura puede dificultarse cuando existen cortinas o persianas. Buena para proveer ventilación en invierno sin corrientes de aire.

Pivote central

Muy bueno

Regular

Bueno

Puede obstruir las cortinas o persianas e impedir el control del encandilamiento para el uso de medios audiovisuales, junto con reflejar ruido al interior del aula.

Oscilante de apertura interior

Regular

Bueno

Muy bueno

Pudiese obstruir cortinas o persianas. Puede proveer un buen control del ruido exterior a nivel de la calle.

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Ventanas

2.2.8. Componentes y dispositivos de la ventilación

Las ventanas: Son un elemento fundamental en el diseño de las aulas, ya que determinan su comportamiento térmico, lumínico, acústico y de calidad del aire.

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Proyectante

Bueno, pero se reduce si la apertura es restringida

Regular

Muy bueno

Bueno

Puede reflejar el ruido desde abajo hacia el interior del aula. Puede convertirse en un peligro si se abre junto a una vereda o patio.

De abatir

Bueno

Regular

Malo

Mala seguridad cuando se encuentra abierta. Permite el acceso a la lluvia. Puede convertirse en un peligro si se abre junto a una vereda o patio.

Oscilante superior y proyectante inferior, de apertura exterior

Bueno

Muy bueno

Buen desempeño en general. Puede convertirse en un peligro si se abre junto a una vereda o al patio. Posible ingreso de lluvia.

Guillotina

Muy bueno

Bueno

Regular

No obstruye cortinas o persianas interiores, ni las circulaciones exteriores.

que la apertura sea fácilmente regulada y controlada por los ocupantes.

Rejillas de admisión o extracción Las rejillas son dispositivos a través de los cuales se introduce o extrae el aire del local, que se caracterizan por su capacidad para ventilar y por sus propiedades acústicas. Poseen deflectores con los que se regula la dispersión y alcance de la corriente de aire. Es importante para los propósitos de regulación y operación que incorporen dampers de cierre lo más herméticos Figura 2.38: Ventanas corredera en Colegio Padre Pedro Arrupe. posibles, así como atenuadores de ruido. Se obtienen mejores Quilicura / Región Metropolitana [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]. rendimientos ubicando las admisiones en el nivel inferior. Su tamaño y número para una aplicación determinada se obtiene de su característica de caudal versus presión. 74

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Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales Figura 2.39: Celosías de ventilación, Escuela Básica Villa Las Playas. Región de Atacama [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO].

Figura 2.40: aireadores de ventana y dispositivos de ventilación - dampers.

Aireadores integrados en ventanas o marcos

Otros dispositivos

Los aireadores son dispositivos normalmente autoregulables en

Otros dispositivos de ventilación lo conforman dampers motorizados y válvulas especiales para controlar entradas o salidas de aire por pisos y en puntos de escape como los niveles superiores del stack, de difícil acceso. Cuando se trata de ventilación natural se requieren diseños bastante más detallados y finos para reducir al mínimo las pérdidas de carga que restan eficacia a la ventilación.

bases a presiones de viento, que forman parte de la ventana o son independientes de ella, que permiten un intercambio de aire mínimo. No son suficientes para garantizar la ventilación necesaria durante la ocupación normal en el aula pero sí un suministro limitado de aire fresco fuera de horario.

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Ventilación: Es importante controlar los dispositivos de ventilación para evitar corrientes de aire y pérdidas de calor.

2.2.9. Control de la ventilación Ventilar de forma ideal supone proveer la cantidad de aire fresco justa en el lugar requerido y en el momento preciso. Esto sólo se consigue con control automático y ventilación mecánica o híbrida. Es importante que la ventilación sea controlable para mantener una calidad de aire razonable, evitar corrientes de aire y pérdidas innecesarias de energía. Independientemente del sistema de ventilación utilizado, el control debiera considerar uno o todos los elementos siguientes presentados en grado creciente de sofisticación. •

Control a través de aperturas de ventanas. Es fundamental para ello el tipo de apertura y cierre, el mejor control y rendimiento de la ventilación se obtiene con ventanas oscilobatientes, proyectantes y de guillotina.

•

Control a través de rejillas de impulsión o extracción dotadas de mecanismos para regular el caudal en un amplio espectro, con ajuste y cierre preciso. En este caso, al igual que al caso anterior, los controles deben estar ubicados en lugar de fácil y seguro acceso para los usuarios y a no más de 2,5m de altura. Fuera de ese alcance se recomienda un medio de accionamiento manual o eléctrico. Los controles simples e intuitivos, bien conceptuados, suelen proporcionar las soluciones más fiables y robustas. El uso de cables, barras o dispositivos similares pueden ayudar a lograr esos objetivos.

•

Medición y control de CO2. Medición con objeto de visualizar en el aula misma o en una central remota las condiciones de calidad del aire del recinto y proceder en consecuencia, ya sea manualmente para modificar la tasa de ventilación o a través de dampers motorizados y ventiladores híbridos enclavados al sensor de CO2.

•

Actuadores para control automático de aberturas de ventilación. Modifica automáticamente la abertura y con ello el flujo necesario en función de señales que entregan sensores de CO2, detectores infrarrojos de personas o sensores de temperaturas para fines de enfriamiento.

Es importante que cualquier mecanismo de control actúe lo menos posible, para ello el diseño y dimensionamiento debe ser el adecuado. Un funcionamiento excesivo aunque sea de bajo nivel de ruido puede causar perturbaciones en la actividad del aula. Funcionamientos silenciosos se logran mediante actuadores modulados en lugar de on-off. De igual forma, el control debe prever la posibilidad de actuación manual para realizar ventilación intensiva localizada si fuese necesario.

2.2.10 Proceso de diseño El proceso de diseño conducente a desarrollar una solución para la ventilación debe ser integrado a objeto de conciliar racionalmente las exigencias de uso mínimo óptimo de energía para el acondicionamiento térmico y las necesidades de confort acústico. Algunas recomendaciones son las siguientes: 1.- Establecer las necesidades de ventilación del aula en función de los requerimientos de aire nuevo por alumnos y profesor. Estimar 5l/s por persona según programa de ocupación de diseño. 2.- Evaluar la capacidad para ventilar y refrigerar que posee el ambiente natural de la localidad. Deducir de los datos de clima el potencial que tienen tanto las estrategias basadas en diferenciales térmicos como las que se sirven de presiones de viento. De igual forma, averiguar respecto de las posibilidades de enfriamiento natural.

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6.- En la etapa de diseño detallado se reducen las dimensiones y orientaciones que entrega la herramienta de cálculo a áreas, componentes reales, y ubicaciones precisas en el proyecto, junto con la identificación de los elementos de control necesarios para su funcionamiento. A menudo es necesario desarrollar un proceso iterativo de ajuste de las dimensiones y/o alturas del stack para lograr el desempeño esperado de la ventilación.

4.- En fase conceptual, la literatura internacional recomienda las siguientes reglas generales: •

Aulas con aberturas en una sola fachada: su profundidad no debe ser superior a 2,5 veces la altura del recinto con un área de abertura de aproximadamente un 5% del área de piso.

•

Aulas con aberturas opuestas para ventilación cruzada: su profundidad no debe superar 5 veces la altura con un área de abertura de 2% del área de piso (1% en cada fachada).

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3.- Decidir las estrategias de ventilación natural a utilizar. La opción siempre deberá considerar primero los medios tecnológicos y económicos disponibles, y explotar al máximo las posibilidades que ofrece la ventilación natural. Las características de diseño y entorno que favorecen la ventilación natural son: dos fachadas opuestas para ubicar aberturas, cielos altos, construcción de alta masa térmica, bajos niveles de contaminación atmosférica y ruidos externos, y adecuado control de ganancias solares.

Por área de apertura se entiende el área libre de una ventana o el área equivalente de una rejilla o dispositivo similar, entendiendo por área equivalente aquella que deja pasar el mismo flujo de aire bajo una diferencia de presión aplicada idéntica al área de apertura libre considerada. 5.- En fase de diseño y dimensionamiento de la estrategia propuesta se recomienda utilizar la herramienta de cálculo Classvent. Esta herramienta proporciona una orientación para la ubicación y tamaño de las aberturas y de los stack que debieran ser integrados al edificio. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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2.3. Estrategias de iluminación El acceso a la luz natural puede ser uno de los atributos más importantes de un establecimiento educacional. La luz natural es una fuente gratuita que, dependiendo de su incorporación en el diseño arquitectónico, puede otorgar un alto nivel de confortabilidad en el aula, además de autonomía energética de los requerimientos de luz artificial. Además, proporciona una buena calidad de luz para las diferentes tareas visuales que se desarrollan en un aula, pues realza el color y la apariencia de los objetos.

2.3.1. Importancia de la luz natural Los estudios indican que la luz del día aplicada al diseño de iluminación de las aulas favorece el rendimiento y confort de los estudiantes. Uno de estos estudios indica que los estudiantes ubicados en aulas con mayor cantidad de luz natural rinden entre un 20 y un 26% en pruebas estandarizadas en relación a aquellos estudiantes ubicados en aulas con menor cantidad de luz natural (Heschong Mahone, 1999). Así como la luz natural favorece el rendimiento de los estudiantes, son igualmente importantes las vistas hacia el exterior que puedan otorgar las aulas. Las ventanas proporcionan una conexión con el entorno (idealmente natural, pero además con el entorno lejano), lo que provee de niveles de visión saludables, permitiendo que la visión del alumno realice cambios de distancia focal, favoreciendo su bienestar.

elementos claves: luz natural y vista al exterior, con la finalidad de lograr una buena iluminación y evitar las fatigas visuales en los estudiantes. A continuación se explica la relevancia de la iluminación natural en los aspectos humanos y energéticos. A continuación se explica la relevancia de la iluminación natural en los aspectos humanos y energéticos.

Luz día y factores humanos La luz natural influye directamente sobre nuestro sistema biológico, pues regula el sistema circadiano, ya que nuestro reloj interno se sincroniza al ciclo solar de luz/oscuridad, e involucra los ritmos biológicos que se repiten a intervalos de aproximadamente 24 horas. Este ciclo regula no sólo los patrones evidentes de comportamiento, como la actividad y el descanso, sino también la función corporal a nivel celular. Éste es especialmente importante en niños, ya que ellos son aún más sensibles a los cambios y variaciones de la luz, siendo crucial que la iluminación de las aulas mantenga el ritmo y reloj biológico natural del organismo (Ford, 2007). Por otra parte, la hormona del estrés-el cortisol-también se asocia con la presencia de la luz del día debido a los altos niveles de esta hormona en el organismo durante el día y los bajos niveles durante la noche. La liberación de cortisol se relaciona directamente con el ciclo circadiano, con niveles de cortisol más altos en verano y más

Además, la luz natural nos otorga el espectro de luz visible completo, contribuyendo positivamente al proceso de aprendizaje en los alumnos, teniendo un efecto significativo en la salud y bienestar tanto en los adultos como en los niños (Veitch & McColl, 2001). Es por ello que al diseñar un aula debemos integrar estos dos 78

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[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Luz natural y eficiencia energética La iluminación natural también permite la eficiencia energética y el ahorro en costos de operación en los establecimientos educacionales. Las aulas diseñadas adecuadamente pueden reducir sustancialmente la necesidad de la iluminación artificial, lo que puede representar entre el 35 al 50% del consumo de energía eléctrica del edificio. También vale la pena señalar que la luz del día ofrece estos ahorros durante el día, cuando la demanda de energía eléctrica está en su apogeo y los precios son más elevados.

2.3.2. Recomendaciones para el confort visual El confort visual es muy importante para evitar la posibilidad de la tensión ocular y dolores de cabeza, por lo que es necesario limitar la intensidad de la luz o posibles focos de deslumbramiento en el campo visual. La incomodidad puede ser causada por ejemplo por focos o aparatos de iluminación artificial en el campo visual, por la visión directa del cielo, o por luces brillantes que se reflejan en la tarea, como una pantalla de computador o material de lectura brillante. La luz solar directa puede ser una causa de este problema dependiendo de la orientación y diseño de la ventana.

Iluminación de las tareas visuales La iluminación de las tareas visuales es la que permite a los

estudiantes y profesores llevar a cabo sus diversas tareas y actividades fácilmente, sin molestias visuales. Es importante que el diseñador evalúe cuidadosamente estos requisitos. En los espacios de enseñanza general, es necesario un nivel mínimo de iluminancia con una uniformidad de iluminación relativamente alta sobre el área de tareas, con el objetivo de desarrollar adecuadamente las actividades típicas de la escuela, como la lectura y escritura. Niveles de iluminancia más altos son necesarios para trabajo más detallado y particularmente exigente, por ejemplo para talleres y sala de arte. En la Tabla 2.10 se entregan algunos valores de iluminancia recomendados para las diferentes tareas que se desarrollan en un aula. La iluminancia debe ser adecuada para las diferentes tareas. Será necesario alcanzar un nivel mínimo de 300 lux para las tareas comunes dentro de las aulas y para tareas exigentes no menos de 500 lux. Cuando esto no se pueda lograr, la luz natural tendrá que ser complementada por la luz artificial.

28 Iluminación: Las aulas escolares deben disponer de un nivel mínimo de 300 lux de iluminación.

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bajos en invierno. Algunos estudios indican que un desequilibrio de la hormona influye en la capacidad de los niños a enfocarse y concentrarse, pudiendo además afectar su crecimiento. Un aula bien diseñada generará menos ausentismo escolar que una que no está bien equipada para la educación y bienestar de los estudiantes (Dudek, 2007).

Tabla 2.10: Valores de iluminancia (lux) recomendados Recintos Jardines infantiles, salas cunas: Sala de juegos Guardería Sala de manualidades Aula de enseñanza: General, trabajos manuales, etc. General Pizarra (plano vertical)* Aula de informática: General Pizarra (plano vertical)* Aula de dibujo: General Pizarra (plano vertical) *

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Em (lux) 300 300 300

300 500 500 300 750 300

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Es importante considerar en el diseño que las superficies

interior recibida en el plano de trabajo (en la tarea), llamado

exteriores a veces pueden ser utilizadas para aumentar la luz

el factor de luz natural o factor de luz día (FLD). Éste define

interior a través de la luz reflejada en ellas. Igualmente, las repisas de luz ayudan a redirigir la luz de las ventanas hacia el espacio interior, aumentando la uniformidad de la luz natural.

la relación entre la iluminancia horizontal difusa (Eext) en una superficie exterior sin obstáculos, medida en forma simultánea, con la iluminancia horizontal interior (Eint), se expresa en

Existe un indicador que permite relacionar la iluminación difusa

porcentaje y se obtiene a través de la siguiente fórmula:

del cielo sin obstrucciones (cielo nublado) y la iluminancia

FDL=Eint/Eext×100%

Ejemplo de cálculo factor de luz día: Iluminancia exterior cielo difuso: 10.000 lux Iluminancia interior sobre el plano de trabajo: Junto a la ventana: 2100 lux

FDL= (2100/10 000)x 100= 21 %

Centros del aula : 400 lux

FDL= (400/10 000)x 100= 4 %

Junto al pasillo: 120 lux

FDL= (120/10 000)x 100= 1,2 %

Figura 2.41: Factor de luz día El factor de luz día (FLD) puede variar dentro de un espacio en función de un número de parámetros que incluye el tamaño y la disposición de las ventanas, las dimensiones del espacio, la reflectancias de las superficies interiores y el grado de obstrucción externa. Por lo general, espacios interiores con un FLD promedio entre 5 y 10% se consideran adecuados para un aula con luz natural, ya que normalmente éstas no requieren iluminación artificial. Cuando el FLD es inferior a 2% se requiere el uso frecuente de iluminación artificial. Los interiores donde el FLD promedio varía entre el 2 y el 5% requerirán algo de iluminación artificial entre junio y septiembre. Factor de luz día mayores al 10 % pueden causar deslumbramiento. 80

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[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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A modo de referencia, la siguiente tabla indica valores aproximados para algunas pinturas y materiales:

Factor de Luz Día (FLD) < 1%

insuficiente

mínimo

2% - 5%

aceptable

5% - 10%

óptimo

FLD > 10%

excesivo

Tabla 2.13: Valores de reflexión de diferentes superficies. Colores de la pintura

Reflexión

Blanco

0,85

Gris claro

0,7

Gris medio

0,45

Gris oscuro

0,15

Negro

0,05

Reflexión de la luz en las superficies del aula La reflexión de la luz depende de las características de las superficies, su material, color y textura. Es importante para obtener mayores beneficios de la luz, conocer el factor de reflexión de los materiales y colores que utilizamos para el diseño interior del aula. A continuación se indican los coeficientes de reflexión que deben tener algunas superficies interiores del aula:

Materiales Pintura blanca nueva

0,65 – 0,75

Madera

0,25 – 0,50

Espejos

0,80 – 0,90

Alfombra

0,45 a 0,1

Ladrillo

0,3 a 0,2

Ventana de cristal

0,1

Tabla 2.12: Valores de reflexión recomendados para un aula. Superficie de aula

Valor de reflexión

Cielos interiores

> 0,7

29 Iluminación: claros aumentan la

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Tabla 2.11: Factor de luz día

Muros : *sobre los 2m

0,5 - 0,7

*bajo los 2m

0,5

Divisiones interiores

0,5 - 0,7

Suelos

0,2 - 0,5

Muebles

0,25 - 0,5

Cortinas/persianas

0,5 - 0,7

Un pequeño aumento en las reflectancias del aula (superficies de color más claro) mejora notablemente la eficiencia. En la Figura 2.42, el recinto de color más claro (derecha) proporciona 55% más luz en la superficie de trabajo para la misma energía utilizada o usa 70% menos energía para obtener un iluminación equivalente a la de la habitación más oscura (izquierda). El aula de color más claro también proporciona una mejor distribución de la luz del día, mejora la proporción de luminosidad y es visualmente más confortable.

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Iluminación: Es importante propender a una uniformidad en la distribución de la luz natural en el aula, y al control del deslumbramiento.

Figura 2.42: Factores de reflexión de las superficies

Uniformidad de la luz día

Control del deslumbramiento

También es útil tener en cuenta la uniformidad de la luz del día. La relación de uniformidad se define como la relación entre la iluminancia mínima (Emin) y la iluminancia media (Emed) de un recinto, para este caso el aula.

Uno de los aspectos más importantes para la obtención de un ambiente interior confortable para las tareas visuales es proporcionar una distribución de luminancias equilibrada, esto se traduce en generar algo de contraste, pero no excesivo. La luz del día puede ser una fuente de deslumbramiento, en la mayoría de los casos la visión del cielo en la dirección de la vista genera deslumbramiento. Un ejemplo de deslumbramiento puede ocurrir cuando hay una ventana en el mismo muro de la pizarra, lo que debería evitarse.

Una relación de uniformidad entre 0,3 y 0,4 se recomienda para habitaciones con una iluminación lateral. Cuando los espacios son iluminados principalmente por atrios o claraboyas, podemos esperar lograr uniformidades del orden de 0,7. Ejemplo de cálculo de la uniformidad en un aula con seis sensores:

Sensores

Lux

sensor 1

878

sensor 2

888

sensor 3

1208

sensor 4

1157

sensor 5

2038

sensor 6

2287

E med

1409

E min

878

Uniformidad

0,62

Si las luminancias del cielo visible a través de una ventana son muy altas en el campo visual entorno a una tarea que tiene luminancias mucho menores, puede ocurrir deslumbramiento debido al contraste que se produce, ya que es difícil ver los detalles de la tarea y como consecuencia se reduce el rendimiento visual. La incomodidad puede ser experimentada cuando algunas partes del interior tienen luminancias muy superiores al entorno general. Los cielos con una luminancia media superior a 8900cd/m2 (correspondiente a una iluminancia de todo el cielo de 28.000 lux) causarán deslumbramiento molesto. En la Figura 2.43 podemos ver diferentes situaciones comunes dentro de un aula que causan incomodidad visual en los estudiantes.

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Igualmente, en la Figura 2.44 se observa el contraste entre la luminancia de la ventana y el plano de trabajo de los estudiantes.

Figura 2.44: Contraste entre el fondo y el plano de trabajo. Una forma de reducir el brillo del cielo es reduciendo el contraste entre la ventana y su entorno, por ejemplo, mediante la utilización de colores claros, aumentando el coeficiente de reflexión del muro de la ventana o utilizando una ventana en un muro adyacente para iluminar. También ayuda el utilizar colores claros en los marcos de ventanas, ya sea de aluminio o PVC de colores, o bien madera pintada o barnizada (Figura 2.45).

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Figura 2.43: Problemas de focos de deslumbramiento encontrados en escuelas. [Fuente: Tesis doctoral B. Piderit, 2011]

Figura 2.45: Deslumbramiento molesto mejorado con colores claros de marco de la ventana y muro. Una de las consideraciones principales al enfrentar un diseño es la reducción de la luminancia del cielo por medio de dispositivos de control solar, que pueden ser translúcidos u opacos, pantallas internas o externas, o toldos retráctiles.

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2.3.3. Estrategias de diseño de iluminación natural El objetivo de una buena iluminación ya no es un ejercicio puramente formal, debe además proporcionar la iluminación suficiente para permitir a los estudiantes realizar sus tareas de manera cómoda, crear un ambiente agradable que mejore el edificio y esté en sintonía con el diseño arquitectónico. Además, una mala concepción de la iluminación puede tener como resultado un mayor consumo de energía, además de situaciones visuales inconfortables o inapropiadas para las tareas visuales. A continuación, se definen seis principios básicos que pueden guiar el diseño de un aula escolar (Stafford et al, 2002): 1.

Evitar la penetración de luz solar directa sobre el plano de trabajo: La luz del día cambia de calidad a lo largo del día y en los diferentes períodos de año y estaciones. Debemos considerar en el diseño la trayectoria solar y comprender los principios básicos como orientación solar, condiciones de climáticas y cielos predominantes, para elegir las estrategias más apropiada a la localidad. Se debe cuidar en el diseño la penetración solar directa en la zona de la pizarra y escritorio de los estudiantes. Proporcionar una iluminación distribuida de manera uniforme: La luz del día uniformemente distribuida proporcionará la mayoría de los ahorros de energía y la mejor calidad visual. Una luz del día difusa balanceada a través de un espacio es uno de los mejores logros de un buen diseño.

3. Evitar las fuentes de deslumbramiento en el campo visual: El contraste excesivo de la iluminación causa deslumbramiento. El deslumbramiento directo es la presencia de una superficie o luz brillante en el campo 84

visual, que causa malestar o pérdida en el funcionamiento visual. 4.

Permitir a profesores o estudiantes controlar la luz del día: Quienes ocupan el aula deben tener fácil acceso a los elementos de control, como cortinas, persianas u otros, con la finalidad de ajustarse a las necesidades a través del día debido a que la luz del día es altamente variable.

5. Diseñar la iluminación artificial como complemento de la luz natural: La luz del día y los sistemas de la luz artificial deben ser diseñados juntos, de manera que se complementen, para crear así una iluminación de alta calidad y lograr ahorros de energía. Esto requiere una comprensión de cómo ambos sistemas entregan la luz al espacio. 6. Planificar la disposición de espacios interiores para aprovechar condiciones de la luz natural: Un buen diseño lumínico debe considerar la distribución del espacio interior y su conexión con los espacios adyacentes. Como la iluminación natural puede variar considerablemente dentro del espacio, es importante localizar las áreas de trabajo para que exista un aprovechamiento apropiado. Además, se deben definir las tareas visuales y la ubicación de pizarras para reducir la probabilidad del malestar o deslumbramiento en las diferentes zonas del aula. Para el diseño lumínico debemos considerar que la luz que recibimos al interior de aula está compuesta por la luz directa que viene del sol y la luz difusa que entrega la bóveda celeste, como muestra la Figura 2.46.

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Las estrategias de diseño para la iluminación natural consiste en: Captar Transmitir Distribuir Proteger Controlar

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Figura 2.46: Componentes de la luz natural que inciden en el aula.

Una manera simple es abordar el diseño en base a cinco

los rayos luminosos de manera de crear una buena

estrategias de diseño (Figura 2.47):

repartición de la luz al interior de un recinto.

• CAPTAR la luz natural: consiste en hacer llegar la luz al interior del edificio en forma natural haciendo un uso correcto de la arquitectura, de su geometría y de los principios de diseño. • TRANSMITIR la luz: consiste en favorecer la penetración

•

PROTEGER de la luz natural: consiste en detener parcial o totalmente la radiación solar cuando ésta presenta características negativas para la utilización del espacio, evitando así el deslumbramiento y el sobrecalentamiento de los espacios interiores.

de la luz al interior del local, a través de los elementos

• CONTROLAR la luz: consiste en generar la cantidad y

arquitectónicos, la geometría y las estrategias de

distribución de luz artificial en un espacio en función la

iluminación.

luz natural disponible, a partir de las necesidades de los

DISTRIBUIR la luz natural: consiste en dirigir y transportar

ocupantes.

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Figura 2.47: Estrategias de diseño para la iluminación

2.3.4. Dispositivos de iluminación aplicables al diseño de un aula El diseñador debe asumir que la luz del día será su principal medio de iluminación cuando esté disponible, debido a la calidad única de la luz natural y el vínculo con el medio externo que las ventanas ofrecen. Sin embargo, además de proporcionar luz natural y vista, las ventanas pueden ser una fuente de incomodidad y molestia, como por ejemplo, cuando hay un cielo especialmente brillante o cuando la penetración solar dificulta las actividades en el aula. De igual forma, las ventanas cumplen con importantes funciones ambientales ya que proveen de aire fresco, e influyen sobre la eficiencia energética y el ingreso de ruido. en consecuencia que las ventanas son una parte compleja del diseño del edificio y deben estudiarse detenidamente para obtener los mayores beneficios.

Ventana lateral baja o ventana de vista Es una abertura a nivel de nuestros ojos, que provee de vista y conexión con el exterior o con otros espacios interiores adyacentes. Son esenciales en todos los espacios de los establecimientos educacionales (exceptuando los que requieren de privacidad visual) para proveer de vistas relajantes, información del exterior, y permitir que el exterior tenga conexión con las actividades del interior. Las vistas exteriores son esenciales para la estimulación mental y el relajamiento de los músculos oculares, por lo que los oftalmólogos recomiendan acceso a vistas lejanas de manera que los frecuentes cambios de la distancia focal promueven la salud del ojo y la buena visión. Los niveles de luz son mucho más intensos cerca de la ventana y disminuyen rápidamente a medida que uno se aleja de ella. La altura de la ventana determina en gran medida la profundidad efectiva de iluminación natural.

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Las ventanas: La ventana lateral baja es esencial para proveer de visitas al exterior, se deben orientar de preferencia al norte o sur. Figura 2.50: Niveles de factor de luz día de referencia para la iluminación unilateral.

Recomendaciones de diseño: •

Balance con otras estrategias: sirven para un amplio rango de funciones como: vista, comunicación social, ventilación y conservación de la energía. Sin embargo, son ineficientes a la hora de suplir las necesidades de iluminación natural dentro del espacio por si solas, ya que otorgan una iluminación poco balanceada.

•

Orientación: orientar de preferencia hacia el norte o sur para evitar los ángulos de incidencia del sol producidos por una ubicación este-oeste, ya que los ángulos bajos podrían provocar encandilamiento.

•

Dispositivos de sombreado: este tipo de ventana se encuentra dentro del campo visual pudiendo provocar durante la jornada un contraste entre el brillo de la ventana y otras superficies interiores, por lo que se recomienda usar dispositivos de protección como aleros, elementos voladizos o utilizar elementos paisajísticos como árboles.

•

Transmitancia de los vidrios: de requerir vidrios con menor coeficiente de transmisión luminosa se recomienda que no sea reducida a menos de 30% en climas de cielo claro o a menos de 50 % en climas muy nublados.

•

Superficies interiores: pintar las superficies cercanas a las ventanas de color blanco reduce el contraste entre el brillo

Figura 2.48: Profundidad de la luz natural con iluminación unilateral 2.

La penetración de la luz considerando el plano de trabajo, será eficaz en la profundidad que corresponde a 2 veces la altura de la ventana sobre el plano de trabajo. (Figura 2.49)

Figura 2.49: Profundidad de la luz natural en base al plano de trabajo. Como referencia, en la Figura 2.50 podemos observar como disminuye el factor de luz día (FLD) en el fondo del aula; junto a la ventana tenemos un FLD de 10% y en el fondo cercano al 1%.

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1. La penetración de la luz del día en la profundidad del espacio llega a cerca de 1,5 veces la altura desde el piso a la parte más alta de la ventana (Figura 2.48).

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Figura 2.51: Dispositivos de sombreado de protección solar ventana lateral.

•

de la ventana y el de los muros adyacentes.

solar directa. Plantas y vegetación en general pueden

Superficies reflectantes exteriores: se debe tener cuidado con las superficies brillantes reflectivas que se encuentran por fuera de las ventanas laterales bajas, porque éstas pueden crear deslumbramiento al interior de las aulas al estar iluminadas directamente por el sol. Los muros coloreados o muros de vidrio de superficies vecinas pueden crear fuentes de brillo cuando están en exposición

ayudar a reducir el brillo de estas fuentes exteriores. •

Ubicación de la ventana: al ubicar las ventanas laterales bajas perpendiculares a una superficie se logra reflejar la luz solar en esta superficie adyacente y difundir la iluminación hacia el interior. Figura 2.53: Ventana lateral, Liceo Técnico Femenino Las

Figura 2.52: Diagrama de la influencia de la reflexión de las superficies exteriores.

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Iluminación: La ventana lateral superior permite la penetración de la luz natural en la profundidad del espacio. Compañías. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

Ventana lateral superior La ventana lateral superior es una superficie vidriada vertical que se ubica en un muro (en contacto con el exterior) a una altura que usualmente va por sobre los 2m. De esta forma, la penetración de la luz del día en la profundidad del espacio es cercana a dos veces la altura desde el piso a la parte más alta de la ventana (Figura 2.54). Las ventanas laterales superiores pueden ser integradas a todos los espacios del establecimiento educacional para proveer de una penetración solar profunda, combinada con la ventana lateral baja. Éstas también son aplicables a todas las regiones climáticas. Las ventanas laterales superiores permiten mejorar la calidad de la iluminación al entregar una distribución homogénea al espacio, permitiendo un ahorro de energía.

Figura 2.54: Penetración de la luz ventana alta.

Figura 2.55: Altura mínima del cielo para ventana lateral alta.

Recomendaciones de diseño: •

•

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Techos altos: la ventana lateral superior trabaja mejor en espacios con techos altos, con una altura mínima recomendada para el cielo de 2,7 metros. Mientras mayor sea la altura, mejor será la distribución de la luz. Equilibrio con la ventana lateral baja: éstas se complementan con las ventanas laterales bajas; las ventanas altas pueden ser continuas a través de toda el área a iluminar, mientras que las ventanas laterales bajas pueden ser selectivamente ubicadas según las necesidades de iluminación de las ventanas altas. Este balance entre ventanas altas y bajas puede liberar área de muro disponible para otros usos especialmente en el aula. En la Figura 2.56 vemos como la ventana lateral es utilizada para equilibrar la iluminación interior, aprovechando la luz indirecta que otorga el atrio. Dispositivos de sombreado: se recomienda complementar las ventanas laterales altas con elementos como: sombreadores exteriores, vidrio difuso, persianas móviles o repisas de luz para evitar la penetración solar directa. Las persianas horizontales son mejores para el rebote de luz hacia la profundidad de la sala, especialmente cuando éstas enfrentan el norte; las persianas verticales son apropiadas en orientación este u oeste, para atrapar los ángulos bajos del sol y distribuir la luz en el aula. Orientación: son más efectivas en la orientación sur y norte, pero deben ser cuidadosamente evaluadas ▪ www.acee.cl

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•

en las orientaciones este-oeste procurando reducir la penetración solar directa en el interior del espacio. Reflectancias: las superficies pintadas blancas (o de colores claros) cerca de la ventana reducen el contraste entre el brillo de la ventana y el de los muros de alrededor. El cielo adyacente deberá tener una superficie blanca o clara de alta reflectividad (mayor al 0,7) para ayudar a difundir al máximo la luz natural dentro del espacio.

interior, logrando así una mayor penetración de la luz.

Figura 2.57: Distribución de luminosidad a través de la repisa de luz. Este sistema aplicado crea una curva descendiente de iluminación de aproximadamente 2,5 veces la altura a la cabeza de la ventana. Cuando se desea iluminar un aula en profundidad, se recomienda incorporar repisas de luz en las ventanas laterales bajas en toda la extensión de la ventana.

Figura 2.56: Ventanas interiores hacia espacio atrio, Escuela Marta Colvin Andrade, Chillán. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

Repisas de luz

Figura 2.58: Curva de penetración lumínica con repisa de luz en ventana alta.

Una repisa de luz es un panel horizontal ubicado debajo de una ventana alta que distribuye la luz homogéneamente dentro del espacio; la luz es reflejada en la superficie de la repisa hacia el cielo del aula distribuyéndose de modo indirecto hacia el

Los niveles de luz con este sistema se reducen considerablemente bajo la repisa, pero se mantienen homogéneos dentro del aula, ayudando a reducir el contraste y evitando el brillo cerca de la ventana como muestra la Figura 2.59.

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Iluminación: Las repisas de luz distribuyen la luz homogéneamente dentro del espacio, mejorando considerablemente el comportamiento lumínico.

Figura 2.60: Efectos de los diferentes ángulos solares en la repisa de luz.

Recomendaciones de diseño: Altura del cielo del aula: se recomienda una altura mínima de 3 metros, considerando que mientras más alta sea el aula, mayor será la penetración de la luz. La posición de la repisa se deberá considerar a un mínimo de 2 metros desde el nivel de piso terminado (Figura 2.61).

•

Figura 2.59: Factor de luz día obtenido con una repisa de luz interior. Para fines lumínicos, las repisas de luz pueden estar ubicadas indistintamente en el exterior, en el interior, o en ambos (es recomendable estudiar el aspecto constructivo desde el punto de vista de puentes térmicos e infiltraciones). Las repisas de luz ubicadas al exterior sombrean las ventanas bajas y reflejan los rayos de sol en verano al interior del edificio. Las repisas interiores reflejan el sol de invierno al interior del recinto y eliminan la penetración solar directa al plano de trabajo, lo que obviamente minimiza el deslumbramiento y el brillo. En la Figura 2.60 se muestra cómo actúa la repisa de luz en los diferentes períodos del año (solsticio de verano y de invierno).

Figura 2.61: Altura mínima recomendada de la repisa y cielo del aula. •

Orientación: la orientación óptima de una repisa de luz es enfrentando el norte con una variación de más o menos 15º (Figura 2.62). Es necesario calcular su dimensión y ángulo en función del clima y de las horas en que el aula será utilizada. Es recomendable evitarlas en orientaciones este y oeste.

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•

Tipos de vidrio: es altamente aconsejable en este caso usar un vidrio claro con una transmisión de luz entre 60% y 90% en las ventanas altas asociadas a una repisa de luz.

•

Reflectancias: la superficie de la repisa de luz o persiana deberán tener una alta reflectancia (mayor al 0,8 y de superficie difusa no espejada). Se recomienda pintar todas

Figura 2.62: Variación de la repisa de luz para la orientación norte. • Materialidad: las repisas de luz pueden ser opacas o traslucidas, tanto construidas de madera, paneles metálicos, fibra de vidrio, hormigón o plástico, sin embargo, siempre se deberá considerar la reflectancia de la superficie a elegir. Se recomienda evaluar, asimismo, su materialidad desde el punto de vista de la ocurrencia

Figura 2.63: Repisa de luz con superficies claras aplicada en aula. 92

las superficies cercanas a ésta de colores claros o blanco, para reducir el contraste entre el brillo de la ventana y el muro alrededor (ver Figura 2.63). El cielo adyacente a la repisa de luz también debe tener una alta reflectancia (>0,7).

de puentes térmicos, por ejemplo, en el caso de ser repisas exteriores, estas podrían ser independientes a la estructura, evitando así debilitar la envolvente térmica. • Repisas opacas v/s traslucidas: las repisas opacas generan espacios oscuros bajo ellas cuando no tienen asociada una ventana baja. Por esta razón se recomienda dejar una separación entre la repisa y el muro o considerar la incorporación de iluminación artificial para evitar este fenómeno. Por otro lado, las repisas translucidas proveen una luz suave bajo ellas, pero se debe poner especial atención en evitar el brillo que se podría producir al mirarlas desde abajo. • Acumulación de suciedad: para evitar la acumulación de basura en repisas exteriores se recomienda dejar una pendiente de al menos 2%, para que de este modo, la lluvia ayude a limpiarla. También se recomienda dar una pequeña pendiente a las repisas interiores, para evitar

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así que se utilicen como lugar de almacenaje.

•

Limpieza: se debe permitir una fácil limpieza de los vidrios a ambos lados (por dentro y por fuera). Una posible solución sería considerar una separación de alrededor de 15cm desde la repisa al muro para que los equipos de limpieza puedan ser insertados desde debajo de la repisa.

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Figura 2.64: Esquema de repisa de luz separada del muro y repisa translúcida.

Luz cenital o lucernario asociado al muro Cuando el lucernario se asocia a un muro, éste proporciona luz natural que baña de luz una pared interior, para así equilibrar mejor la luz de día. Esta estrategia otorga una luz libre de brillo dentro del aula, produciendo además un efecto de amplitud del espacio. La luz uniforme generada puede fácilmente iluminar las dos terceras partes del aula y es excelente cuando está combinada con otro muro iluminado o con una ventana lateral que incremente la luz natural en el lado opuesto del aula (Figura 2.65). Por ejemplo, una ventana perimetral puede incluso balancear los niveles de iluminación natural a través de todo el aula. Es aplicable a edificios de aulas de una sola planta o en el piso superior de un edificio de varios pisos.

Figura 2.65: Factor de luz día obtenido con lucernario asociado junto al muro. Aplicado a un muro, este sistema permite una penetración de la luz natural al interior del aula de aproximadamente 1,5 veces la altura de la pared iluminada (Figura 2.66) por lo que este sistema debería ser equilibrado con otra estrategia de iluminación natural sobre la pared opuesta para proporcionar iluminación a toda el aula. También se debería considerar la incorporación de ventanas de vista.

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Recomendaciones de diseño:

Iluminación: Al utilizar lucernarios, es importante que la luz sea difundida antes de que llegue al muro, lo que se puede lograr con cristales difusos.

Figura 2.66: Distribución de luz en un aula con lucernario asociado al muro.

• Orientación: es importante optimizar el diseño del lucernario según el clima y la orientación. Un lucernario se desempeña mejor en un cielo predominantemente nublado y en condiciones de orientación este-oeste. • Difusión de la luz: es importante que la luz sea difundida antes de que llegue al muro. Para eliminar el sol directo se pueden utilizar cristales difusos (los hay con distintos tintes, como también opacos), asimismo a través de pantallas difusoras o lucernarios más altos. Cuando el vidrio es transparente es conveniente utilizar un sistema de pantallas difusoras, que deben ser diseñado para cortar todos los posibles ángulos de llegada del sol para la orientación diseñada. Esto último también es posible utilizando pantallas móviles. • Pozo de luz: es la estructura que conecta la ventana (en la parte superior) con el cielo plano del aula. Las paredes de estos pozos deben ser altamente reflexivas (> 0,8). Un pozo de luz que tenga una reflexión más difusa no debe tener más de 2,4 metros de profundidad. Por otro lado, los pozos con sus paredes espejadas pueden ser utilizados para alcanzar mayores profundidades.

Figura 2.67: Pozo de luz y altura máxima del pozo sin paredes reflectantes.

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• Otras aplicaciones: es posible generar tragaluces que complementen la iluminación lateral, logrando una mejor distribución de la luz, tal como se ilustra en la Figura 2.68.

Figura 2.68: Distribución de la luz natural a través de tragaluces asociados al muro.

Iluminación cenital central

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• Colores de la superficie: como se había mencionado anteriormente, es conveniente que la superficie del muro sea de un color claro (> 0,7 de reflectancia) para que de este modo pueda reflejar la luz al interior del espacio. La superficie no deberá presentar protuberancias para así evitar las sombras.

Iluminación: La iluminación central proporciona una iluminación homogénea, pero debe complementarse con ventanas laterales para la vista

Esta estrategia utiliza una ventana de techo central (dientes de sierra o lucernario) para distribuir la luz natural a través del aula. Es recomendable para difundir la luz natural utilizar difusores de vidrio traslúcido o pantallas difusoras, los cuales pueden ser fijos o móviles. Los niveles de iluminación son altos directamente bajo la apertura y van reduciéndose gradualmente hacia el perímetro del recinto (Figura 2.69).

Figura 2.69: diagrama de distribución de la luz cenital tipo diente de sierra central aplicado al aula

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Esta estrategia es aplicable a edificios de un piso o al último nivel en un edificio de múltiples plantas. Es capaz de satisfacer por sí sola la mayor parte de las necesidades lumínicas del aula, sin embargo, su desventaja es la falta de vinculación visual con el entorno, es por esto que se recomienda incorporar ventanas bajas para proveer de vistas y vinculación del exterior al recinto (Figura 2.68). Estas ventanas complementarias podrían ser pequeñas y dispuestas en puntos estratégicos, lo que permitiría liberar una mayor superficie de muro para otros usos.

Figura 2.70: Ventana de techo complementada con ventana de vista y factor de luz día obtenido.

Recomendaciones de diseño: •

•

Integración al sistema estructural: como este sistema requiere interrumpir la techumbre, su tamaño y ubicación puede estar limitada al cálculo o al diseño. Por esta razón debe ser coordinada con el sistema estructural para mantener la integridad y resistencia de ésta. Complementar este sistema: un sistema de persianas

•

operables bajo esta ventana permite adaptar los niveles de iluminación según las diferentes actividades que se desarrollen en el aula (obscurecimiento del aula). Transmitancia de los vidrios: se recomiendan el uso de cristales con un coeficiente de transmisión luminosa mayor al 60% para maximizar la luz del día. Utilizar vidrios con una alta transmisión visible en relación a su transmitancia térmica (Valor U).

Figura 2.71: Orientación recomendada sistema dientes de sierra y lucernario. 96

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•

Orientación: su rendimiento lumínico es mejor en climas de cielos predominantemente nublados; ya que puede ser más costoso en climas predominantemente despejados, debido que debemos considerar las protecciones solares. Tienen un buen desempeño en orientación norte y sur, sin contribuir al sobrecalentamiento del recinto. Un lucernario con dos caras vidriadas con orientación este-oeste es también una buena solución incluso en estas orientaciones “no óptimas”, otorgando altos niveles de iluminación a lo largo del día. Pozo de luz: Conecta la parte superior de la ventana con el cielo del aula, sus paredes deben ser altamente reflectantes (<0,8). Un pozo de luz difusamente reflectante no debe tener más que 2,4 m de profundidad. Cuando la profundidad del pozo es mayor se recomienda usar paredes espejadas, siempre considerando la incorporación de difusores a nivel del cielo para evitar deslumbramiento. En la Figura 2.72 se muestra la distribución de luz lograda con un pozo de luz al centro del aula.

Figura 2.73: Inclinación de los muros que conforman el lucernario. •

Difusores de luz: se recomienda difundir la luz en el espacio a través de cristales traslúcidos o el uso de pantallas difusoras, éstos pueden ser fijos, diseñados para evitar la penetración solar directa, o regulables. Hay que tener especial consideración a la hora de utilizar vidrio difuso evitando ubicarlo en el campo de visión normal, de esta forma evitaremos el deslumbramiento excesivo. Es conveniente ubicar un elemento reflectante, la sean curvos o planos, bajo el lucernario para redirigir la luz natural hacia el cielo o los muros del recinto, ayudando a difundir la luz (Figura 2.74). Su materialidad puede ser mate o brillante, también puede ser parcialmente traslúcido y de materiales como plástico, tela o metal perforado.

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•

Figura 2.72: Pozo de luz en el centro del aula: luz difusa distribuida uniformemente. •

Muros del lucernario: cuando los lucernarios son delgados y altos, se recomienda inclinar los muros perimetrales del pozo de luz en un ángulo de entre 45° y 60°, con el fin de lograr una mejor distribución de la luz al interior del recinto Figura 2.73). Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

Figura 2.74: Elementos difusores de luz.

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•

El tamaño del lucernario: debe ser entre un 3% a un 12% de la superficie total del espacio a iluminar. Para aulas con altas demandas de calefacción se recomienda utilizar el porcentaje menor para evitar pérdidas de calor; en cambio para climas de temperaturas sin grandes variaciones y de cielos predominantemente nublados recomendamos utilizar el porcentaje mayor. En climas fríos es preferible optar por un sistema de vidrio vertical de cara al norte.

•

Ventana dientes de sierra: una ventana de dientes de sierra orientada al sur muestra una variación menor en los niveles de luz natural a través del día y tiene un mejor comportamiento desde el punto de vista energético que la misma con orientación este – oeste. Se recomienda evitar la ventana de dientes de sierra en orientación este – oeste puesto que es la que posee una mayor variación en los niveles de luz y una peor calidad de esta a lo largo de día. En la Figura 2.75 se puede apreciar como se incrementan los niveles de iluminación al combinar con la ventana de vista.

Figura 2.75: Distribución de la luz con dispositivos de control lumínico.

Figura 2.76: Liceo Lorenzo Baeza Vega, Isla de Pascua. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

2.3.5. Protecciones solares Una vez presentada las diferentes estrategias de iluminación debemos abordar las consideraciones de diseño para protegernos de la incidencia solar directa, que conlleva calor excesivo y deslumbramiento directo. Las protecciones solares pueden ser diseñadas en conjunto con los dispositivos explicados anteriormente. En los climas fríos del sur del país, se recomienda que las protecciones solares no sean fijas, ya que reduciría la cantidad de radiación solar que ingresa al aula en todo momento, lo que podría ser particularmente indeseable en los meses de invierno. La protección se puede proporcionar por medio de dispositivos ajustables tales como cortinas y persianas. Para una óptima protección contra el sol, los dispositivos de control solar deben colocarse por fuera de la ventana: celosías fijas y móviles, pantallas retráctiles, cubiertas o toldos se pueden utilizar aquí (Figura 2.77). Es importante en el diseño de un sistema de control solar tomar en cuenta la medida de la utilización del establecimiento educacional durante los meses de verano.

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Es ideal que todos los sistemas de iluminación de espacios con aportes de luz natural puedan contar con circuitos sectorizados, de modo que la iluminación artificial pueda ser gestionada respondiendo a la disponibilidad de luz natural, o bien, a las ELEMENTOS EXTERNOS FIJOS

ELEMENTOS EXTERNOS FLEXIBLES

necesidades de uso de equipos audiovisuales, incluyendo el trabajo con computadores. Se recomienda que en aulas con aporte de luz natural de modo de cumplir mejor con las necesidades de sistemas audiovisuales (como Data-Show u otros), considerar que el sistema de iluminación incluya balastos de regulación, sensores automáticos de luz diurna y control manual. Si el aula no cuenta

ELEMENTOS FLEXIBLES INTERNOS

Figura 2.77: Ejemplos de elementos de control solar, persianas pueden ser opacas o translúcidas.

con sistemas audiovisuales, debiese de igual manera incluir los balastos de regulación y detección automática de luz natural, así como la detección de movimiento con control manual.

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2.3.6. Sistemas de iluminación artificial

Figura 2.78: Protecciones solares fijas aplicadas en la Escuela Básica Josefina Gana de Johnson; Puente Alto, Santiago. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Iluminación: El uso de sistemas de control de integración. Sensores de luz diurna balastros de atenuación Detectores de movimiento

Sistema de control de iluminación artificial Los controles son esenciales para alcanzar el objetivo de reducir el consumo energético tanto del punto de vista de la energía eléctrica como los requerimientos térmicos. Por ello, es necesario cuantificar las mejoras esperadas en la operación, debido a que la reducción en las horas de funcionamiento afectará la potencia requerida del sistema de iluminación. Además se disminuirán las ganancias internas de calor en el espacio, alterando las necesidades de calefacción, enfriamiento y ventilación. Un edificio de aulas diseñado con luz natural, pero sin un sistema de control de la iluminación artificial no se puede esperar un importante ahorro de energía. Sólo cuando la carga de iluminación artificial se reduce habrá un ahorro en las cargas eléctricas. Los beneficios de la luz natural se maximizan cuando ambos sensores de iluminación y de ocupación se utilizan para controlar el sistema de iluminación artificial. La combinación

de estrategias de control de iluminación mejora el rendimiento del edificio de aulas: el uso de sensores de presencia, sensores de luz diurna, y temporizadores con atenuación fluorescente pueden ayudar a controlar la iluminación de un edificio completo y reducir aún más la demanda eléctrica. Además del ahorro energético, con estos sistemas se pueden reducir los gastos de mantención debido a un menor desgaste en los accesorios al utilizar dimmers en lugar de interruptores on/off. Por otro lado, se beneficia la productividad de los estudiantes a través del uso de la luz natural y la precisión de los niveles de luz para las tareas visuales necesarias. Las opciones para las funciones más comunes de control de iluminación artificial en las aulas, zonas comunes, y otros tipos de zonas escolares pueden proporcionar beneficios significativos Tabla 2.14.

Tabla 2.14: beneficios de los sistemas de control de la iluminación artificial Sistemas control de iluminación

Beneficios Reducción del uso de energía.

Sensores de luz diurna y balastros de atenuación

Buen balance de luz en toda el aula. No se producen distracciones por los cambios del nivel de luz. Aumento de la productividad.

100

Detección de ocupante

No hay desperdicio de energía cuando las aulas están vacías.

Regulación (dimming) control de muros

Permite crear varias escenas, para presentaciones / trabajo en equipo / trabajo en clases.

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2.4.1. Importancia del confort acústico en el aprendizaje A diferencia de otros aspectos de confortabilidad ya revisados, las estrategias de diseño para el mejoramiento del desempeño acústico de las aulas de enseñanza son transversales a cualquier contexto climático, razón por la cual el presente capítulo tiene por objetivo profundizar sobre las distintas estrategias de diseño acústico aplicables a aulas escolares.

La importancia de dicho factor de confortabilidad en los procesos de enseñanza y aprendizaje ha sido reconocida en manuales como el Marco para la Buena Enseñanza (MINEDUC, año 2003). Dicho manual propone un “ciclo total” del proceso educativo, el cual se sintetiza en cuatro dominios, donde cada uno hace referencia a un aspecto distinto de la enseñanza.

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2.4. Estrategias de Diseño Acústico

Figura 2.79: Ciclo del proceso Enseñanza-Aprendizaje Para los efectos de esta guía de diseño, el Dominio C Enseñanza para el aprendizaje de todos los estudiantes, entre sus criterios de ejercicio profesional docente, contiene los criterios que se describen a continuación: C1. Comunica en forma clara y precisa los objetivos de aprendizaje. C3. El contenido de la clase es tratado con rigurosidad conceptual y es comprensible para los estudiantes.

Debido a esto, es realmente importante que el mensaje emitido sea recepcionado de manera óptima, donde la comprensión de la palabra hablada cobra protagonismo, traduciéndose en el concepto de inteligibilidad, que corresponde al criterio socioacústico más importante en el diseño de salas destinadas a transmitir la voz hablada (aulas y auditorios). A la pérdida asociada a la percepción de las consonantes se le denomina % de Pérdida de Articulación de Consonantes, %ALCons (“Articulation Loss of Consonants”), la cual da cuenta

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101

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de la pérdida asociada a una percepción incorrecta de las consonantes, y con esto, del mensaje emitido por un orador.

la Palabra corresponde al STI (Speech Transmission Index), cuyos valores oscilan entre 0 (nula inteligibilidad) y 1 (total inteligibilidad).

Otro parámetro acústico que cuantifica la Inteligibilidad de

Tabla 2.15 Valoración subjetiva de los grados de Inteligibilidad de la Palabra. %ALCons

STI/RASTI

VALORACIÓN SUBJETIVA

1,4% - 0%

0,88 - 1

Excelente

4,8% - 1,6%

0,66 - 0,86

Buena

11,4% - 5,3%

0,5 - 0,64

Aceptable

24,2% - 12%

0,36 - 0,49

Pobre

46,5% - 27%

0,24 - 0,34

Mala

En efecto, que el estudiante inserto en un ambiente con mala inteligibilidad de la palabra utilizará más recursos físicos y mentales para descifrar un mensaje hablado, lo que acusa agotamiento y distracción durante el transcurso de la jornada escolar. Estos efectos se acrecientan aún más en las clases de idiomas. Estudios realizados en Santiago (Bravo y Vásquez, 2004) concluyen que dentro de un aula escolar, una zona correspondiente al 60% de ésta posee buena inteligibilidad, pero a lo menos un 40% de los alumnos se ubica en zonas con inteligibilidad regular o mala. En adición a lo anterior, un estudio realizado sobre las condiciones acústicas en ambientes académicos en la comuna de Valparaíso concluye que el ruido al interior del aula escolar es el principal agente que atenta sobre la calidad de la enseñanza.

inteligibilidad de la palabra en el aula son: • Ruido de Fondo y razón señal/ruido (S/R), y • Tiempo de Reverberación.

2.4.2. Ruido de Fondo y Razón Señal/ Ruido (S/R) El ruido puede definirse simplemente como un sonido no deseado, y al conjunto de procedimientos y técnicas utilizadas para obtener niveles sonoros que no impacten negativamente en el confort ambiental de un receptor se le denomina control de ruido. La inteligibilidad de la palabra mejora cuando aumenta la razón de nivel entre la señal recepcionada y el ruido ambiente presente en el aula (razón señal/ruido (S/R).

Los principales factores acústicos que intervienen en la 102

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El ruido ambiente presente en aulas tiene origen: a)

Externo, a causa de un mal aislamiento a ruido aéreo de la fachada (al estar inserto el recinto educacional en una zona con altos niveles de ruido), salas contiguas o áreas comunes. En este caso las estrategias de mejora apuntan al emplazamiento del aula y al aislamiento acústico de ésta.

El docente, al momento de emitir un mensaje vía oral, la duración de las vocales y su correspondiente nivel de presión sonora es mayor que el de las consonantes. A ésto se suma la mayor abundancia del contenido energético de las vocales en las frecuencias bajas. Por otro lado, las consonantes presentan un mayor contenido energético en las frecuencias altas. En un aula con un tiempo de reverberación alto, el decaimiento energético de una vocal emitida es apreciablemente más lento que su decaimiento si ésta es emitida en el espacio libre). Tal hecho, junto con la mayor duración y cantidad de energía concentrada en las frecuencias bajas, provoca un solapamiento temporal de la vocal con la consonante emitida inmediatamente después (Figura 2.80).

Interno, sistema de climatización, equipo multimedia y otras instalaciones dentro de la sala de clases.

Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

Esta relación se incrementa en la práctica cuando los docentes, en el intento de “competir” con el ruido ambiente, elevan el nivel de su voz, lo que a mediano plazo genera cuadros de estrés y afonías.

En este caso las estrategias de mejora apuntan al control de ruido y acondicionamiento acústico interior del aula.

2.4.3. Tiempo de reverberación. El Tiempo de Reverberación (T) es el tiempo, expresado en segundos, que tarda el nivel de presión sonora (ruido) en decaer 60 dB una vez cesada la emisión de la fuente sonora excitadora (equivalente a la disminución de la energía sonora a la millonésima parte). El tiempo de reverberación de un recinto es función de: •

El volumen del aula (directamente proporcional)

•

La absorción total del revestimiento interior del aula (inversamente proporcional)

Fuente [Carrión, 2001]

Figura 2.80: Evolución temporal de la energía sonora correspondiente a la emisión de una vocal seguida de una consonante en un recinto cerrado (según Kurtovic)

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[Fuente: Carrión, 2001]

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Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

En un aula, un alto tiempo de reverberación, más un elevado nivel de ruido ambiente generan efectos aditivos que perjudican de mayor manera la inteligibilidad de la palabra, y por ende, a la calidad del proceso enseñanza-aprendizaje.

2.4.4. Estrategias de diseño referentes al aislamiento y acondicionamiento acústico La Ordenanza General de Urbanismo y Construcción (OGUC), en el artículo 4.1.5, clasifica a las escuelas en el grupo 1, las que deberán someterse a las exigencias establecidas en las Normas Oficiales sobre condiciones acústicas de los locales (NCh354. Of61: Condiciones acústicas que deben cumplir los edificios).

Aislamiento acústico a ruido aéreo La ley de masa predice que la pérdida por transmisión aumenta 6 dB por cada duplicación de la masa de la superficie divisoria. Tasa de cambio: 6 dB por cada duplicación en la frecuencia del sonido incidente. La estrategias de aislamiento acústico a ruido aéreo vienen dadas con la correcta elección y montaje de los elementos divisorios tales como tabiques, losas, muros de albañilería, y la inclusión de los elementos débiles acústicamente, tal como puertas de acceso y ventanas (exteriores e interiores).

Figura 2.81: Enmascaramiento de la señal sonora a causa de los efectos de la reverberación y ruido de fondo presentes en un aula.

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Las soluciones de fachada y cerramiento exterior convienen planificarse en la etapa de proyecto, donde el emplazamiento

Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

Figura 2.83: Aislamiento acústico a ruido aéreo y de impacto en aulas

del aula, relativo a las principales fuentes de ruido existentes en el barrio, puede tener criterios de distancias mínimas a grandes vías de circulación vehicular, actividades comerciales y de industria. Una herramienta importante consisten los mapas de ruido (Figura 2.84) iniciados por la Comisión Nacional de Medio Ambiente (CONAMA), en la actualidad gestionados por el Figura 2.82: Aislamiento acústico de puertas y ventanas

Ministerio de Medio Ambiente (MMA).

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Fuente de Ruido Tránsito vehicular

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Consultor del Proyecto: Universidad Austral de Chile Instituto de Acústica

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Figura 2.84: Mapa de Ruido Comuna de Providencia. [Fuente: Instituto de Acústica, UACh, 2010]

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Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

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Estrategias de diseño referentes al acondicionamiento acústico

Los impactos de objetos sólidos en suelos y paredes producen un tipo particular de emisión sonora llamado “ruido de impacto”. La energía se propaga principalmente por vía sólida, radiando sonido a través de las superficies que se encuentran en contacto con el aire.

El acondicionamiento acústico de un recinto puede entenderse como la técnica empleada para controlar el tiempo de reverberación al interior de éste, eliminar las reflexiones molestas y dirigir las que son de carácter útil.

La técnica natural de mejorar el aislamiento acústico a ruido de impacto es aumentar el espesor de losas, con sus ventajas y desventajas (principalmente el sobredimensionamiento que implica nuevos cálculos estructurales y costos asociados a incrementar los materiales de construcción), losas flotantes y la incorporación de recubrimiento que absorba la energía que se genera al impactar un cuerpo sobre la superficie del suelo. Tabla 2.16: Mejoras en el aislamiento acústico a ruido de impacto aplicando recubrimiento. Cubierta Linóleo

3 a 7 dB

Linóleo sobre corcho de 2 mm

15 dB

Piso de PVC con fieltro de 3 mm

15 a 19 dB

Alfombra gruesa

25 a 35 dB

En el caso de las aulas, la estrategia se centra en la distribución del sonido en la zona ocupada por los estudiantes de manera equitativa (equipotencialidad sonora), por lo que se hace necesario utilizar las reflexiones útiles (las que se sumadas al sonido directo, con un adecuado intervalo inicial temporal de arribo, potencian la energía de la señal sonora incidente sobre las posiciones de interés) y controlar las molestas (generadas principalmente por superficies paralelas, con un alto intervalo inicial temporal de arribo, las que producen eco fluctuante).

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Aislamiento acústico a ruido de impacto

Acústica: Objetivos del acondicionamiento acústico de un recinto: Controlar el tiempo de reverberación al interior de éste.

sonido molestas Dirigir el sonido de carácter útil.

Para lograr una distribución uniforme del sonido directo en la sala, debido a la direccionalidad de la voz humana, se recomienda que la audiencia se sitúe en un ángulo de 140° con el vértice de la fuente (Figura 2.84).

Piso flotante de cemento Sobre cartón corrugado

18 dB

Sobre placas de espuma dura

18 dB

Sobre placas de espuma blanda

25 dB

Sobre placas de lana mineral

27 a 33 dB

[Fuente: Mösser & Barros, 2009]

Figura 2.85: Ángulo de cubrimiento orador. [Fuente BRE Acoustics, 2003].

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Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

Es de suma importancia en un aula que todas las posiciones ocupadas por los estudiantes mantengan siempre o permanentemente contacto visual con el docente (Figura 2.86), asegurando de este modo una propagación sonora entre fuente

sonora (docente) y receptor (estudiante) libre de obstáculos y apantallamiento (generado principalmente por la propia audiencia).

Figura 2.86: Importancia del contacto visual al momento de detectar obstáculos presentes entre fuente sonora (docente) y receptores (estudiantes). Tal como muestra la Figura 2.87, el cielo de aula es la superficie más importante en la generación de reflexiones útiles, utilizándose principalmente el primer sector ésta, lo que

otorga la oportunidad para disminuir la reverberación interior si consideramos como alternativa la sección posterior con características absorbentes (aumento del área de absorción).

Figura 2.87: Cielo reflectante en aulas. 108

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La pared posterior al docente, al presentar un bajo intervalo inicial temporal de arribo a la posición de los estudiantes, potencia energéticamente la señal del sonido directo, por lo que la estrategia de diseño debe centrarse en mantener esa superficie con características reflectantes.

La pared posterior a la última fila genera reflexiones con un alto intervalo inicial temporal de arribo a la posición del docente y primeras filas, lo que se traducen en reflexiones molestas que interfieren con el sonido directo y reflexione útiles. Ésta superficie, al ser paralela con la posterior al docente, sumado a la distancia de separación (Figura 2.87), es la principal causa de generación de eco fluctuante al interior de aulas y grandes auditorios, lo que atenta significativamente en la definición del sonido y en la comprensión del mensaje hablado.

Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

El mismo efecto con el cielo se logra con las paredes laterales del aula, esto es, primera sección con características reflectantes, y segunda sección a modo de alternativa para actuar como superficie de absorción.

Figura 2.88: Generación de eco fluctuante a causa de poseer el aula una pared posterior con características reflectantes. El eco fluctuante en consistente en una rápida sucesión de pequeños ecos producidos usualmente por superficies paralelas con características reflectantes. En este caso, la estrategia de diseño debe centrarse en el recubrimiento total de esta superficie con paneles absorbentes, obteniendo así una disminución considerable en la energía sonora reflejada y devuelta hacia la zona del docente. Figura 2.89: Muro de absorción acústica en aula, Colegio Almondale Lomas, Concepción. Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

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Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

2.5. Integración de Diseño Pasivo en Aulas Escolares: Ejemplos Internacionales

39 Integración de Diseño Pasivo en Aulas Escolares: Ejemplos Internacionales

2.5.1. Escuela “Kiowa County”, Greensburg, Kansas, Estados Unidos cálidos y húmedos. La temperatura en el mes más frío (enero)

Arquitectos: BNIM Architects El año 2007, la localidad de Greensburg fue arrasada por un tornado que destruyó el 95% de sus edificaciones, por lo que el proceso de reconstrucción se caracterizó por fomentar el sentido de comunidad a través de estrategias sociales, económicas y ambientales, con la objetivo de generar una comunidad “eco-sustentable”. por ello, las autoridades locales decidieron reconstruir la escuela de Greensburg de acuerdo a estándares LEED Platino, con el objetivo de promover entre los estudiantes conceptos de salud, bienestar y sustentabilidad.

varía entre -8°C y 4°C; mientras que en el mes más cálido (julio) varía entre 19°C y 33°C.

Planteamiento de la escuela El edificio se organiza en torno a un patio que genera un espacio de encuentro para estudiantes de todas las edades. El bloque norte alberga la escuela secundaria y los gimnasios, mientras que el bloque sur alberga la escuela primaria. El principal objetivo del proyecto es aprovechar al máximo la luz natural

Características climáticas

y la ventilación natural para impactar positivamente en el

La localidad de Greensburg, Kansas, se caracteriza por poseer un clima subtropical húmedo; con inviernos fríos y veranos

aprendizaje de los niños. La escuela sirve como una herramienta de enseñanza activa que se ha integrado en el plan de estudios.

Figura 2.90: plantas del edificio [Fuente: BNIM ©]

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Figura 2.91: Vista del patio central [Fuente: Assassi ©]

Figura 2.92: Diagrama con estrategias de diseño sustentable [Fuente: BNIM ©]

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Aulas escolares La espacialidad de las aulas busca aprovechar la iluminación natural y favorecer el movimiento del aire, a través de la disposición de ventanas operables en orientaciones opuestas. El bloque de aulas se orienta según un eje oriente-poniente, de manera que las aulas se orientan al sur y los pasillos se orientan al norte para maximizar la luz natural y reducir el efecto de sobrecalentamiento del sol poniente. Los gimnasios se ubican al norte de las zonas de aulas y administración para evitar bloquear el acceso solar y el flujo de aire a estas áreas, y disponen de lucarnas orientadas al norte en los techos, con lo que se genera una iluminación natural difusa (Figura 2.96). Las aulas poseen amplias ventanas con el fin de ofrecer vistas del entorno, y adecuadas protecciones solares exteriores que reducen el deslumbramiento y la ganancia de calor (Figura 2.95). La parte inferior de las ventanas se abre a nivel del usuario para así crear una ventilación cruzada. Las ventanas superiores se orientan al norte, para distribuir homogéneamente la luz en el espacio, además de posibilitar la ventilación pasiva aprovechando las ventajas de la estratificación natural del aire y las brisas predominantes del sudoeste.

Figura 2.93: Laboratorio [Fuente: Assassi ©]

La envolvente del edificio, orientación, iluminación, y control solar de la escuela, tienen como objetivo minimizar la demanda de calefacción y enfriamiento. La envolvente consta de paneles estructurales aislados (SIP) para reducir la carga térmica y crear un envolvente de alto rendimiento. También se incorpora un revestimiento exterior que mejora la resistencia a la infiltración de humedad y reduce la carga térmica. Se utiliza un sistema de enfriamiento de alta eficiencia con controladores modulares de aire.

Figura 2.94: Fachada de las aulas [Fuente: Assassi ©] 112

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La escuela posee diversas estrategias de sustentabilidad ambiental, tal como la reutilización de aguas lluvias, el uso de energía eléctrica que proviene en un 100% de fuentes de

energías renovables, paisajismo a través de especies nativas; uso de materiales reciclados; y uso de maderas recicladas.

Figura 2.96: Pasillos [Fuente: Assassi ©]

Figura 2.95: Gimnasio [Fuente: Assassi ©]

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Estrategias de sustentabilidad ambiental

Figura 2.97: Biblioteca [Fuente: Assassi ©]

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Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

2.5.2. Escuela Sidwell Friends, Washington, DC, Estados Unidos Arquitectos: Kieran Timberlake Associates La escuela Sidwell Friends se ubica en una zona urbana bastante densa. El proyecto contempló tanto la renovación de la escuela existente como su ampliación, donde las edificaciones antiguas y nuevas se unen para conformar un patio. El proyecto fue diseñado de acuerdo a criterios LEED Platino, por lo que consume un 60% menos de energía que un colegio convencional en Estados Unidos.

Características climáticas Washington posee un clima subtropical húmedo con cuatro estaciones bien diferenciadas; la primavera y el otoño son moderados, con baja humedad, mientras que el invierno trae temperaturas bajas sostenidas y nieve. La temperatura en el mes más frío (enero) varía entre -3°C y 6°C; mientras que en el mes más cálido (julio) varía entre 21°C y 31°C.

Figura 2.98: Paisajismo [Fuente: Assassi ©]

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Figura 2.99: Vista exterior [Fuente: Barry Halkin ©]

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Figura 2.100: Vista del patio [Fuente: Barry Halkin ©]

Figura 2.101: Diagrama de estrategias de sustentabilidad

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Estrategias de ventilación natural El proyecto contempla chimeneas solares combinadas con ventanas y ventiladores en el techo, que permiten minimizar la necesidad de enfriamiento mecánica. El aire exterior ingresa a través de las ventanas y a medida que se calienta es evacuado

Figura 2.102: Diagrama de funcionamiento de chimenea solar

a través de las chimeneas. Se utilizan ventanas operables, de alta eficiencia, que junto con las ventanas superiores y ventiladores en el techo logran reducir al mínimo la necesidad de enfriamiento mecánica.

Figura 2.103: Chimenea solar [Fuente: Peter Aaron - OTTO ©]

Estrategias de iluminación El proyecto incorpora cuidadosas estrategias de iluminación natural con el objetivo de minimizar el consumo de energía eléctrica para iluminación artificial. Esto se logra a través de la incorporación de repisas de luz en los pasillos, que permiten transmitir la luz natural hacia el interior del edificio, generando al mismo tiempo una protección al sol directo. Las protecciones solares exteriores del edificio fueron diseñadas para equilibrar el comportamiento térmico con una óptima iluminación natural. En el lado norte del edificio no fue necesario disponer de pantallas, ya que las ventanas altas se diseñaron para admitir la 116

luz difusa. Sin embargo, en el lado sur, las pantallas se disponen horizontalmente por encima de las ventanas. Por otra parte, en las orientaciones este y oeste, las protecciones solares fueron dispuestas en posición vertical y en un ángulo de 51° al noroeste, obteniendo una ganancia de calor mínima y una máxima penetración de luz natural durante la tarde. El sistema de iluminación artificial proporciona energía fluorescente de alta eficiencia, que integra sensores de luz,

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sensores de ocupación que garantizan que las luces se apagarán cuando los recintos están desocupados.

Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales

sensores de ocupación y de atenuación. El edificio dispone de foto-sensores que atenúan o apagan las luminarias de forma automática cuando la luz natural es suficiente, además de

Figura 2.104: Repisas de luz interiores en pasillos [Fuente: Peter Aaron - OTTO ©]

Figura 2.105: Estrategias de iluminación natural

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Estrategias de sustentabilidad ambiental La escuela posee diversas estrategias de sustentabilidad ambiental, tal como la generación de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos; uso de materiales reciclados y renovables; y tratamiento de aguas a través de un techo verde y un humedal, que forma parte del paisajismo del patio central.

Figura 2.106: Paneles fotovoltaicos en el techo del edificio [Fuente: Peter Aaron - OTTO ©]

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Estrategias de Diseño Pasivo de Establecimientos Educacionales Figura 2.107: Humedal en patio central [Fuente: Albert Vacerka ©]

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Capítulo 3 Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

3. 1 3 .2 3. 3 3. 4 3. 5 3 .6 3. 7 3. 8 3. 9 3 .10 3. 11 3. 12

Zonificación climática de Chile. Metodología de simulación de Aula Tipo. Zona norte litoral – Iquique. Zona andina – Colchane. Zona norte desértico – Calama. Zona norte valles Transversales – Copiapó. Zona centro litoral – Valparaíso. Zona centro interior – Santiago. Zona sur litoral (a) – Concepción. Zona sur interior – Temuco. Zona sur litoral (b) – Puerto Montt. Zona sur extremo – Punta Arenas.

Capítulo 3. Diseño pasivo de aula tipo por zona climática

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Este capítulo detalla los resultados de simulaciones térmicas dinámicas de un aula tipo localizada en 10 ciudades chilenas, que representan diferentes zonas climáticas. El objetivo es determinar como ciertos parámetros de diseño influyen sobre la demanda energética total del aula, lo que incluye demanda de calefacción, de refrigeración y de iluminación. Los parámetros de diseño analizados son: orientación, envolvente térmica, infiltración, superficie vidriada, tipo de vidrio y agrupamiento (primer piso y segundo piso). Con el objetivo de evaluar el impacto de estas variables, se analizó un aula tipo simple, que no incluye estrategias de diseño complejas orientadas a la optimización de las condiciones de confort interior, ya que estos aspectos se discuten en el siguiente capítulo a través del análisis de prototipos de “aulas integrales”. El comportamiento energético y ambiental del aula escolar depende en gran medida del clima en que se localiza, por lo que el impacto de las variables de diseño antes descritas será muy diferente en localidades del norte o del sur del país. En Chile, los parámetros climáticos varían considerablemente a lo largo y ancho del territorio, debido principalmente a la particular geografía del país, que se extiende entre los paralelos 17°29’ S y 56°32’ S, y a las corrientes marinas, lo cual permite identificar en Chile gran parte de los climas existentes en el planeta. Esto nos sitúa en un escenario muy interesante, ya que dentro del territorio abarcado por el país pueden generarse múltiples respuestas arquitectónicas y diversas estrategias de diseño al momento de diseñar aulas que incorporen criterios de eficiencia energética, las que pueden ser más o menos eficientes dependiendo de la localización geográfica del edificio.

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Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

3.1 Zonificación climática de Chile

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La Norma Chilena NCh1079.Of2008 divide al territorio nacional en nueve zonas climáticas en base a una serie de variables meteorológicas que en conjunto definen un determinado clima, entre ellas, temperaturas medias, mínimas y máximas, oscilación térmica, humedad del aire, radiación solar, nubosidad, dirección e intensidad de vientos, precipitaciones y soleamiento. Consecuentemente, dicha norma proporciona recomendaciones de diseño arquitectónico para cada una de las nueve zonas, con objeto de mejorar la eficiencia energética y niveles de confort en los edificios. Las recomendaciones que la norma proporciona son respecto a la transmitancia térmica de la envolvente, pendiente de cubierta y recomendaciones sobre protecciones solares, humedad del aire, humedad del terreno y soluciones salinas. La Figura 3.1 siguiente muestra un mapa de la zonificación climática de Chile según la NCh1079.Of2008, mientras que la Tabla 3.1 entrega detalles sobre la localización de cada una de las nueve zonas.

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Tabla 3.1: Localización de las zonas climáticas establecidas por la NCh1079.Of2008

1 NL

2 ND

3 NVT

4 CL

5 CI

6 SL

Características Generales

Ciudad representativa

Norte Litoral: Se extiende desde el límite con el Perú hasta el límite norte de la comuna de La Ligua, ocupando la faja costera el lado de la Cordillera de la Costa, hasta donde se deja sentir la influencia IQUIQUE del mar. En los valles que rematan los ríos y quebradas se producen penetraciones de esta zona hacia el interior. Ancho variable llegando hasta 50 km aproximadamente. Norte Desértica: Ocupa la planicie comprendida entre las cordilleras de la Costa y de los Andes, desde el límite con el Perú hasta la altura de CALAMA Potrerillos, Pueblos Hundido y Chañaral excluidos. Como límite oriental puede considerarse la línea de nivel 3000 m aproximadamente. Norte Valles Transversales: Ocupa la región de los cordones y valles transversales al oriente de la zona NL excluida la Cordillera de los COPIAPÓ Andes por sobre 400 m y desde Pueblo Hundido hasta el valle del río Aconcagua, excluido. Central Litoral: Cordón costero a continuación de la zona NL desde el Aconcagua hasta el Valle del Bío Bío excluido. Penetra ampliamente en VALPARAÍSO los anchos valles que abren las desembocaduras de los ríos.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Zona

Central Interior: Valle central comprendido entre la zona NL y la precordillera de los Andes por bajo los 1000 m. Por el norte comienza SANTIAGO con el valle del Aconcagua y por el sur llega hasta el valle del Bio-Bio excluido. Sur Litoral: Continuación de zona CL desde el Bío-Bío hasta Chiloé y CONCEPCIÓN Puerto Montt. Variable en anchura, penetrando por los valles de los PUERTO MONTT numerosos ríos que la cruzan.

7 SI

Sur Interior: Continuación de zona CI desde el Bío-Bío incluido, hasta la Ensenada de Reloncaví. Hacia el este, hasta la Cordillera de los Andes TEMUCO por debajo de los 600m aproximadamente.

8 SE

Sur Extremo: La constituye la región de los canales y archipiélagos desde Chiloé hasta Tierra del Fuego. Contiene una parte continental PUNTA ARENAS hacia el este. Dentro de esta zona se presentan variaciones climáticas considerables.

9 An

Andina: Comprende la faja cordillerana y precordillerana superior a los 3000 m de altitud en el Norte (Zona Altiplánica) que bajando paulatinamente hacia el Sur se pierde al Sur de Puerto Montt. > 900m COLCHANE de altitud. Dentro de esta zona se presentan variaciones climáticas considerables.

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3.2 Metodología de Simulación de Aula Tipo

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Diseño pasivo de “aula tipo” Metodología de análisis

Simulación dinámica – determinación de demanda energética en kWh/m2año en las distintas zonas climáticas.

3.2.1 Simulación Térmica Dinámica La metodología empleada consistió en la simulación dinámica del aula tipo localizada en 10 ciudades de Chile, correspondientes a las 9 zonas climáticas, donde para la zona sur litoral se consideraron dos ciudades: Concepción y Puerto Montt, por tener necesidades de calefacción distintas. La simulación se realizó en forma integrada considerando las demandas energéticas de calefacción, refrigeración y consumo energético de iluminación, mediante el software Energy Plus, utilizando la base de datos climática de Meteonorm 6.1.

ocupación1. En verano se consideró ventilación adicional por apertura de ventanas de 2ach cuando la temperatura interior supera los 23ºC, de lunes a viernes entre las 8:00 y las 16:00 hrs. • Reflectancia superficies: muros 0,7; piso 0,4; cielo 0,9. • Los muros exteriores fueron considerados adiabáticos, excepto el que posee ventanas. La losa de entrepiso se consideró adiabática. • Sobre los muros de hormigón se contempló un estuco de e: 10mm y en el muro de fondo de sala un aislante acústico de e: 50mm. Como revestimiento de cubierta se consideró plancha de zinc alum.

Parámetros fijos Los parámetros fijos involucran todos aquellos aspectos que son intrínsecos a las aulas, incluyendo patrones de ocupación, régimen de ventilación, algunas características físicas, etc. Los parámetros fijos considerados en las simulaciones fueron los siguientes: • Cargas internas (sólo durante período de ocupación): alumnos 66W; adultos 108W; iluminación artificial aulas 300lux – 11,25W/m2; equipo informático 6W/m2, densidad ocupacional 45 alumnos por aula + 1 profesor. • Período de ocupación: lunes a viernes, de 8:00 a 12:00 y 13:00 a 16:00 hrs. • Períodos de vacaciones: invierno del 15 al 30 Julio; verano del 10 Diciembre al 3 de Marzo. • Temperaturas operativas durante el período de ocupación: 20°C mínima y 26°C máxima. En períodos sin ocupación no existe límite de temperatura. • Iluminación: mínima de 300lux a la altura del plano de trabajo (76cm). • Ventilación: Se consideraron 2ach en período de

126

[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

1. En base a requerimientos del DS 560 del MINEDUC

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Parámetros variables se muestran en la Tabla 3.2. Tabla 3.2: Parámetros variables Parámetro

Variable

Orientación

Norte - Oriente - Sur - Poniente

Infiltraciones (ach)

2,5 - 1,5 - 0,5

Área vidriada/superficie (%)

11 -14 - 17 - 20 - 23

Tipo de vidrio

Simple (4) - Doble ( 4-12-6) – Doble/Low-E* argón (4-12-*6) Doble /protección solar* (*4-12-6)

Envolvente

A-B-C-D-E-F-G-H-I-K

En la Tabla 3.3 se especifican los valores de transmitancia térmica (Valor U) correspondientes a cada una de las variantes de envolvente utilizadas, tanto para muros como para pisos y techumbre. Así mismo, se muestran los espesores de aislación térmica

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Los parámetros variables corresponden a aquellos estándares de diseño sobre los cuales se pretende observar su incidencia. Éstos

correspondientes a dichos valores, en base a las materialidades propuestas. Tabla 3.3: Transmitancia térmica y espesor de aislación considerado en cada categoría de envolvente. Característica

Elemento

Valor U (W/m °C) 2

Variantes de la envolvente A

Muro

4,00

2,00

1,50

1,00

0,80

0,70

0,60

0,40

0,30

0,19

Techumbre

0,84

0,60

0,47

0,38

0,33

0,28

0,24

0,22

0,18

0,15

Piso

3,80

2,00

1,50

1,00

0,80

0,70

0,45

Muro

130

200

Techumbre

100

120

140

160

180

220

260

Piso

Espesor de aislación térmica (mm)

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127

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41 “Aula tipo” - Caracteristicas

de según aulas de 54m2 habituales, utilizadas en establecimientos educacionales MINEDUC

3.2.2 Características del aula tipo

3.2.3 Resultados Generales

El aula tipo se caracterizó de acuerdo a tipologías que resultan funcionales para los establecimientos educacionales en Chile. así, el aula tipo tiene una superficie de 6m x 9m y una altura de 3m. En esta fase, en términos de diseño, se consideraron los elementos estructurales básicos tales como vigas, cadenas y pilares, así como también un machón de hormigón en la zona de la pizarra con el objeto de proteger a ésta de la luz solar directa (Figura 3.2).

En atención a las diferentes variables y/o parámetros considerados en las simulaciones, se obtuvieron un total de 48.000 resultados correspondientes a 4.800 combinaciones de variables por ciudad cuyos indicadores principales fueron los de demanda de energía total, desagrupada de acuerdo a la demanda de calefacción, de refrigeración y de iluminación.

Respecto de la materialidad, se consideró hormigón armado, para todos los elementos de la envolvente; muros (e:200mm), piso (e:100mm), losa de entrepiso (e:170mm) y losa de techumbre (e:120mm).

El gráfico 3.1 ilustra las demandas energéticas promedio por cada ciudad representativa de cada zona climática, desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación. A modo general se puede observar que las mayores demandas energéticas se concentran en las ciudades del sur del país, asociadas a demanda de calefacción. Además, existe una clara tendencia al aumento en la demanda de iluminación artificial a medida que se avanza hacia el sur, lo que es resultado de la latitud que afecta la disponibilidad de luz natural. En Iquique, las aulas tienen una alta demanda de refrigeración y prácticamente nula demanda de calefacción, por lo que las estrategias de diseño debiesen apuntar a evitar las excesivas ganancias solares y a la ventilación natural, con el fin de evitar el sobrecalentamiento.

Figura 3.2: aula tipo

128

En las ciudades del norte y centro del país (Calama, Colchane, Copiapó, Valparaíso y Santiago) las demandas de calefacción y refrigeración tienden a balancearse, por lo que las estrategias debiesen ser más dinámicas, de manera de aprovechar las ganancias solares en invierno y controlarlas en verano. De igual manera, es importante controlar las pérdidas de calor por infiltraciones, pero diseñar adecuadas estrategias de ventilación nocturna que ayuden a enfriar la masa térmica de las aulas, evitando el sobrecalentamiento. Las estrategias de control del sobrecalentamiento son particularmente significativas en Santiago, donde las demandas de refrigeración son bastante altas.

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ganancias solares. En el gráfico 3.2 se muestra la influencia de los distintos parámetros de diseño analizados sobre la demanda total de energía dependiendo de la ciudad (zona climática) donde fue evaluada el aula tipo.

Gráfico 3.1: Demandas energéticas promedio por ciudad

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En las ciudades del sur del país (Concepción, Temuco, Puerto Montt y Punta Arenas) se observa que las demandas se concentran principalmente en la calefacción, por lo que las estrategias de diseño debiesen apuntar a la protección térmica de la envolvente a través de la aislación y el control de infiltraciones, además del aprovechamiento controlado de las

Gráfico 3.2: Influencia de los parámetros de simulación por ciudad

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En términos generales, el gráfico permite observar que el parámetro más determinante en la demanda energética de las aulas es la infiltración, donde el mayor impacto se produce en las ciudades de Iquique, Concepción, Temuco, Puerto Montt y Punta Arenas. Sin embargo, es importante indicar que en Iquique la tendencia indica que a mayor infiltración menor demanda (mejor desempeño), en cambio, hacia el sur a menor infiltración mayor demanda (peor desempeño), como se verá en el análisis por ciudad. Otro parámetro significativo es la orientación, donde se observa que la mayor influencia se produce en las ciudades de Punta Arenas, Puerto Montt, Temuco, Concepción e Iquique. En general las menores demandas se obtienen con la orientación Norte, a excepción de Iquique donde la orientación más favorable es la Sur. La envolvente térmica también es un parámetro significativo, principalmente en las ciudades del sur del país, donde las mayores incidencias se producen en Iquique, Concepción, Temuco, Puerto Montt y Punta Arenas. En el sur del país lo más recomendable son envolventes térmicas con alta capacidad aislante (bajo Valor U), que limitan la demanda de calefacción, mientras que en Iquique es más conveniente una envolvente con baja capacidad aislante (alto Valor U), que limita la demanda de refrigeración. En las ciudades del norte y centro del país la envolvente es un factor menos determinante ya que las necesidades de calefacción y refrigeración se equiparan, lo que implica que lo más recomendable sean envolventes con capacidad aislante media. En cuanto al agrupamiento, se puede observar que éste incide mayormente en las ciudades de Iquique, Colchane, Santiago y Punta Arenas. Sin embargo, en todos los casos analizados la demanda resulta mayor en el aula del segundo piso, ya sea por refrigeración en el norte y centro, o por calefacción en el sur del país. Esto se explica debido a que la techumbre es

130

un elemento fundamental para la transmisión del calor. El efecto de sobrecalentamiento que genera la techumbre en las ciudades del norte se puede controlar en gran parte a través de la ventilación del techo, lo que se analiza en las simulaciones del aula integral en el Capítulo 4. La superficie vidriada es un parámetro menos significativo, si bien se observa que la mayor incidencia se produce desde Concepción al sur, donde las menores demandas se logran con mayor superficie vidriada. Se explica principalmente por el efecto positivo que genera en la iluminación natural, lo que limita la necesidad de iluminación artificial. El tipo de vidrio tampoco resulta ser un parámetro significativo en el desempeño energético del aula, si bien los mayores impactos se generan desde Concepción al sur, generándose menores demandas de calefacción con vidrio doble y vidrio Low-e.

3.2.3 Gráficos En las secciones siguientes se analizarán los resultados de las simulaciones de demanda energética del aula tipo en cada zona climática, presentando recomendaciones de diseño apropiadas a cada caso. Para cada zona climática analizada se presenta un gráfico los resultados de las 4.800 simulaciones realizadas en cada ciudad. Este gráfico nos permite ver la tendencia de la curva que define el potencial de ahorro energético en cada zona. En este gráfico se presentan además las coincidencias estadísticas de cada parámetro, en grupos definidos por el 10% de mayor demanda, el 10% de demanda media y el 10% de menor demanda. En la parte inferior de cada gráfico se exponen las características comunes de las aulas representativas de cada uno de estos grupos (Gráfico 3.3).

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Gráfico 3.3: gráfico explicativo de curva de demanda energética

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3.3 Zona Norte Litoral – Iquique

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3.3.1 Características climáticas de la Zona Norte Litoral La Zona Norte Litoral corresponde a la una zona desértica con influencia marítima, caracterizada por una baja oscilación térmica diaria. La temperatura media es alta, al igual que la humedad del aire. Durante las mañanas presenta alta nubosidad y humedad (camanchaca) que se disipa generalmente al medio día, dando paso a cielos despejados y alta radiación solar durante la tarde. Las precipitaciones son casi nulas en el norte, las que aumentan débilmente hacia el sur de la zona. Los vientos predominantes son moderados, de componente sur y suroeste, con alguna interferencia de brisa de mar y tierra. Esta zona se caracteriza por una extrema aridez, con atmósfera y suelos salinos donde la vegetación es escasa o nula. A continuación se presenta un análisis climático de Iquique, ciudad que representa a la zona Norte Litoral en este trabajo.

3.3.2 El clima de Iquique Iquique se emplaza en la costa, a 20°32’ latitud sur y 70°11’ longitud oeste, y a una altura promedio de 52 metros sobre el nivel del mar. Se caracteriza por poseer un clima desértico costero con abundante nubosidad, influenciado por la corriente de Humboldt que modera las temperaturas, presentando una baja oscilación térmica diaria y anual.

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Gráfico 3.4: Variación mensual de la temperatura en Iquique. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

La humedad relativa, ilustrada en el Gráfico 3.5, es alta y constante durante todo el año, con una media anual de 74%. Junio es el mes donde la humedad del aire es menor, con una media de 71%, mientras que entre septiembre y diciembre se registran valores entre 75 y 77%, siendo estos los meses donde la humedad es mayor.

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Se observa en el Gráfico 3.4 que las temperaturas medias son muy altas en verano y templadas en invierno, con una media de casi 21°C en los meses estivales y una media máxima de 24,5°C, mientras que en los meses invernales la temperatura media es superior a 15°C y las mínimas medias promedian 13,7°C. Las temperaturas son por tanto muy homogéneas durante todo el año, y están generalmente dentro de la zona de confort térmico.

Gráfico 3.5: Variación mensual de la Humedad Relativa en Iquique. [En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

El Gráfico 3.6 finalmente, muestra que los vientos predominantes en Iquique son de componente sur, el cual se presenta con una frecuencia que supera el 53% de las mediciones anuales, presentando velocidades medias de 4,6 m/s en dicha dirección. Casi el 25% del tiempo restante predominan vientos del suroeste, con velocidades medias de 4,8 m/s.

Gráfico 3.6: Dirección y frecuencia anual del viento en Iquique. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

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Gráfico 3.7: Demanda energética total y características de las aulas para Iquique

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42 En Iquique existe un gran

energética a través de estrategias que apunten principalmente a reducir las demandas de enfriamiento.

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A través de la simulación térmica dinámica, se analizó la influencia de los distintos parámetros de diseño sobre las demandas energéticas totales, incluyendo calefacción, refrigeración e iluminación. El Gráfico 3.7 ilustra la curva de demandas energéticas totales para las 4.800 aulas simuladas en Iquique, donde se destacan y caracterizan el grupo correspondiente al 10% de aulas con mayor demanda (peor desempeño); el 10% con demanda media; y el 10% con menor demanda (mejor desempeño). Se puede observar que en Iquique, la curva de demanda energética disminuye notoriamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima existen grandes oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño relacionadas con la orientación, superficie vidriada, tipo de vidrio, tipo de envolvente e

infiltración. Al caracterizar y comparar las características comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas de mejor desempeño, podemos observar que una envolvente muy aislada (K) y hermética (0,5 ach) genera demandas de refrigeración muy significativas, sobretodo si el aula se ubica en un segundo piso (o en el piso superior). Al otro extremo, podemos observar que una envolvente poco aislada (A) y poco hermética (2,5 ach), en un aula orientada al sur, genera demandas energéticas considerablemente más bajas. El Gráfico 3.8 ilustra la influencia de los distintos parámetros de diseño sobre las diferencias de demanda energética, donde se puede observar que el parámetro más significativo en Iquique es la infiltración. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en los climas del sur del país, en este contexto una alta infiltración influye de manera positiva, como se puede observar en el Gráfico 3.9. Los parámetros menos significativos son la superficie vidriada y el tipo de vidrio, donde ambos parámetros dependen del diseño y especificación de la ventana.

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3.3.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

Gráfico 3.8: Influencia parámetros de diseño en Iquique

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Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación. Aquí se puede observar que en general en Iquique las principales

demandas energéticas se asocian a la refrigeración y en menor medida a la iluminación, siendo la demanda de calefacción prácticamente nula en todas las soluciones estudiadas.

Gráfico 3.9: influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Iquique

Agrupamiento Se puede observar que las aulas ubicadas en el segundo piso tienen una demanda de refrigeración significativamente mayor a las ubicadas en el primer piso, lo que implica que en este contexto es muy importante considerar estrategias que limiten las ganancias de calor a través de la techumbre, como por ejemplo, un techo ventilado.

Orientación La orientación sur es la más recomendable en esta zona climática ya que genera significativas reducciones en la demanda de refrigeración, a pesar de que al mismo tiempo genera las mayores demandas de iluminación. Se puede observar que las orientaciones norte, oriente y poniente tienen similares demandas energéticas totales.

Tipo de envolvente El mejoramiento de la envolvente térmica en Iquique genera un efecto negativo sobre la demanda energética total, ya que aumenta la demanda de refrigeración y no tiene ningún efecto sobre la demanda de calefacción, ya que en este contexto no hay demanda de calefacción en las aulas. Por lo tanto, se concluye que en Iquique lo más conveniente es considerar una envolvente A, con características especificadas en la Tabla 3.3. 136

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Se observa que en Iquique es más conveniente tener altos niveles de infiltración que resultan en una menor demanda de refrigeración. Ello se debe a que los altos niveles de infiltración permiten la ventilación nocturna que aprovecha las bajas temperaturas del exterior para enfriar la masa térmica de las aulas. Este es el parámetro más significativo en el diseño del aula en este contexto, por lo que las estrategias de diseño debiesen apuntar a la ventilación nocturna.

Superficie vidriada La superficie vidriada no es un parámetro significativo en el desempeño energético del aula en Iquique, ya que se puede observar que el aumento de la superficie vidriada aumenta la demanda de refrigeración, pero disminuye la demanda de iluminación, con lo que se compensan los efectos.

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Infiltración

Tipo de vidrio Se puede observar que el tipo de vidrio tampoco es un parámetro significativo, ya que sucede una situación similar a la anterior, donde el vidrio con control solar disminuye la demanda de refrigeración pero aumenta la demanda de iluminación; y en general las diferencias entre las distintas alternativas son mínimas.

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3.3.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según ésto, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Iquique que se observa en la Figura 3.3. La mejor solución para Iquique corresponde a un aula orientada

hacia el sur; localizada en el primer piso; con una envolvente A; una superficie vidriada de 23% (12,4 m2) y vidrio simple; y con niveles de infiltración de 2,5 ach. Este último valor implica que en este contexto no es necesario buscar envolventes más herméticas, como es el caso de las zonas sur del país, ya que un nivel de infiltración alto permite que el aula se ventile durante la noche, generando un efecto refrescante. Esta aula tendrá una demanda energética total de sólo 3,0 kWh/m2 año.

Figura 3.3: aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Iquique

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y poniente. lo anterior se debe a las mayores demandas de refrigeración que generan las aulas en el segundo piso, ya que requieren de menores superficies vidriadas para controlar las ganancias solares. Estas características se detallan en la Figura 3.4.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona norte Recomendaciones de: Envolvente térmica.

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Si diferenciamos las aulas por orientación y agrupamiento, podemos distinguir que las recomendaciones varían en algunos casos, ya que por ejemplo, la superficie vidriada de un aula en el segundo piso (o en el piso superior) debiese ser menor que en el caso del primer piso, en las orientaciones norte, oriente

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.4: aulas tipo con parámetros de diseño óptimos por cada orientación para Iquique

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3.4 Zona Andina – Colchane 3.4.1 Características climáticas de la Zona Andina Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

En la Zona Andina existe una gran diversidad climática, debido a que presenta grandes diferencias en altitud y altura, compuesta por tanto por varias subzonas que han sido poco estudiadas debido a su baja densidad poblacional. Presenta en general condiciones climáticas muy severas, con grandes oscilaciones de temperatura entre el día y la noche. La atmósfera es seca y la radiación solar es en general alta, con gran contenido de radiación ultravioleta. El área del altiplano, al norte de la zona, se caracteriza por presentar tormentas de verano. En invierno son frecuentes las ventiscas y nieve. La vegetación de esta zona es de altura. En este caso se ha seleccionado la localidad de Colchane (ubicada en el norte del país, en la Región de Tarapacá) como representativa de la Zona Andina, pero es importante indicar que esta zona es una de las más diversas del país, por lo que es posible que los resultados varíen considerablemente si se considerase una localidad del sur del país.

3.4.2 El clima de Colchane Colchane se ubica a 19,28° de latitud sur y 68,64° de longitud oeste, a 3.730 metros de altitud promedio. El clima de esta localidad se clasifica como estepárico de altura. La altitud en la que se localiza influye en que sus temperaturas sean bajas y con poca oscilación anual, mientras que la oscilación térmica diaria es considerable.

[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Gráfico 3.10: Variación mensual de la temperatura en Colchane. [En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

La humedad relativa del aire es baja durante todo el año, registrando una media anual de 46%. Se observa en el Gráfico 3.11 que en verano la humedad sube considerablemente, fenómeno que viene acompañado de lluvias que responden al régimen estival influenciado por el “invierno boliviano”, registrándose precipitaciones anuales promedio de 160mm.

Gráfico 3.11: Variación mensual de la Humedad Relativa en Colchane.

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El Gráfico 3.10 muestra la variación mensual de la temperatura, que durante el en verano la media es 13,1°C y en invierno 6,1°C. Se observa en las temperaturas medias máximas una oscilación anual muy reducida, desde 14,6° en junio y julio hasta 21°C en noviembre. Las medias mínimas muestran una oscilación anual mayor, promediando -2,4°C en invierno y 7,3°C en verano. Las temperaturas extremas mínimas pueden llegar casi a -10°C en invierno, mientras que las máximas extremas que se registran en verano superan ligeramente los 24°C.

[En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

Los vientos predominantes en Colchane son de componente sur, como se observa en el Gráfico 3.12, el que se presenta con una frecuencia anual de 40% alcanzando velocidades medias de 4,1m/s en dicha dirección. Son también frecuentes los vientos del suroeste (22% anual) y del sureste (16% anual), los que alcanzan velocidades similares a las registradas en la dirección sur. Gráfico 3.12: Dirección y frecuencia anual del viento en Colchane. [En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

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Gráfico 3.15: Demanda energética total y características de las aulas

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A través de la simulación térmica dinámica, se analizó la influencia de los distintos parámetros de diseño sobre las demandas energéticas totales, incluyendo calefacción, refrigeración e iluminación. El Gráfico 3.13 ilustra la curva de demandas energéticas totales para las 4.800 aulas simuladas, donde se destacan y caracterizan el grupo correspondiente al 10% de aulas con mayor demanda (peor desempeño); el 10% con demanda media; y el 10% con menor demanda (mejor desempeño). El gráfico demuestra que en Colchane, la curva de demanda energética disminuye notoriamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima existen grandes oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño relacionadas con la orientación, superficie vidriada, tipo de vidrio, tipo de envolvente e infiltración. Al caracterizar y comparar las características

comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas de mejor desempeño, podemos observar que una envolvente muy aislada (K) y hermética (0,5 ach) genera demandas de refrigeración muy significativas, sobretodo si el aula se ubica en un segundo piso (o en el piso superior). Al otro extremo, podemos observar que una envolvente medianamente aislada (C), en un aula orientada al norte, con superficies vidriadas de 20% y vidrio doble genera demandas energéticas considerablemente más bajas. El Gráfico 3.14 ilustra la influencia de los parámetros sobre las diferencias de demanda, donde se puede observar que en Colchane, los parámetros más significativos son el agrupamiento y la orientación. En cambio, los parámetros menos significativos son el tipo de vidrio y la superficie vidriada. En todo caso, los parámetros son mucho menos significativos en este clima que en el clima de Iquique (Zona Norte Litoral) o en los climas del sur de Chile, debido a que los efectos de las distintas estrategias tienden a compensarse entre las demandas energéticas de calefacción y refrigeración.

En Colchane, los parámetros

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

3.4.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

agrupamiento y la orientación. En cambio, los parámetros son el tipo de vidrio y la

Gráfico 3.14: Influencia parámetros de diseño en Colchane

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Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación.

En términos generales, se puede observar que las soluciones estudiadas en el contexto de Colchane tienen similares demandas de refrigeración y de calefacción, siendo la refrigeración levemente mayor que la calefacción.

Gráfico 3.15: influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Colchane Agrupamiento Se puede observar que el aula del segundo piso tiene una demanda de refrigeración considerablemente mayor al aula del primer piso, lo que se debe a las ganancias de calor a través de la techumbre. Esta situación se puede controlar a través de estrategias de diseño apropiadas, tal como el techo ventilado.

Orientación Se observa que la orientación norte presenta las menores demandas totales, por lo que es la más recomendable en el contexto de Colchane, mientras que la orientación oriente sería la menos recomendable, por implicar las mayores demandas totales, concentradas principalmente en la refrigeración.

Tipo de envolvente El mejoramiento de la envolvente térmica del aula en Colchane implica una disminución de la demanda de calefacción, pero un aumento de la demanda de refrigeración, con lo que el efecto se compensa. Sin embargo, es posible que un aula optimizada, que incluya estrategias de ventilación nocturna en verano, minimice el sobrecalentamiento, balanceando esta situación a favor de una mejor envolvente térmica. De acuerdo a este análisis, las mejores envolventes están en el rango C, D y E. 144

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Se puede observar que un nivel de infiltración medio, de 1,5 ach, genera el mejor efecto sobre las demandas energéticas, balanceando refrigeración y calefacción. Un mayor nivel de infiltración aumenta la demanda de calefacción y un menor nivel de infiltración aumenta la demanda de refrigeración, si bien esta última situación pudiese compensarse con ventilación nocturna.

Superficie vidriada La superficie vidriada es un parámetro poco significativo en el desempeño energético del aula en Colchane, sin embargo se puede observar que las mejores soluciones están entre 17% y 20%.

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Infiltración

Tipo de vidrio El tipo de vidrio tampoco es un parámetro significativo en las demandas totales, pero las mejores opciones son el vidrio simple y vidrio doble; y al otro extremo está el vidrio con control solar que aumenta las demandas de iluminación.

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3.4.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según esto, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Colchane que se observa en la Figura 3.5. La mejor solución para Colchane corresponde a un aula

orientada hacia el norte; localizada en el primer piso; con una envolvente C; una superficie vidriada de 20% (11,2 m2) y vidrio doble; y con niveles de infiltración de 0,5 ach. Esta solución tiene una demanda energética total de sólo 1,5 kWh/m2 año. Si observamos las recomendaciones por orientación y agrupamiento en la Figura 3.6, podemos observar ciertas variaciones, como que en el segundo piso (o piso superior)

Figura 3.5: aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Colchane 146

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Estas estrategias tienen por objetivo controlar las demandas de refrigeración.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona andina Colchane Recomendaciones de: Envolvente térmica.

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se requieren superficies vidriadas más reducidas y niveles de infiltración mayores, lo que se traduce en ventilación nocturna.

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.6: aula tipo con parámetros de diseño óptimos por orientación para Colchane

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3.5 Zona Norte Desértico – Calama 3.5.1 Características climáticas de la Zona Norte Desértico Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Esta zona se caracteriza por poseer un clima árido y caluroso, sin precipitaciones o con precipitaciones muy escasas, presentando baja humedad ambiental y una atmósfera limpia con fuerte radiación solar. La oscilación térmica diaria es alta durante todo el año, no así la variación anual de las temperaturas medias, ya que diariamente se registran tanto temperaturas altas como bajas, con diferencias entre el día y la noche mayores a 20°C durante todo el año y alto enfriamiento nocturno. Los vientos son intensos, de componente poniente. La vegetación es nula y el agua muy escasa, siendo el río Loa la Fuente hídrica principal, el cual genera un microclima en una angosta subzona adyacente a él. La cordillera de la costa impide la influencia marítima en esta zona, mientras que las precordilleras andinas impiden la influencia de eventuales alcances amazónicos. A continuación se presenta un análisis climático de Calama, ciudad que representa al clima de la zona Norte Desértico en este trabajo.

3.5.2 El clima de Calama Calama se localiza a 22°28’ latitud sur y 68°54’ longitud oeste, a 2270 metros sobre el nivel del mar. El clima de esta localidad se denomina desértico marginal de altura y se caracteriza por la escasez de agua y aridez extrema, con cielos despejados durante todo el año y nubosidad casi inexistente, lo cual permite que la radiación solar acceda libremente durante el día y se produzca una alto enfriamiento durante la noche.

[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Gráfico 3.16: Variación mensual de la temperatura en Calama. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

Otra característica del clima de Calama es la sequedad del aire, presentando una humedad relativa media anual de 38%. La humedad del aire sube ligeramente durante febrero y marzo, como se observa en el Gráfico 3.19, llegando a valores medios de 49%, mientras que entre julio y noviembre la media no sobrepasa el 33%, nivel que se considera cualitativamente como muy bajo. Gráfico 3.17: Variación mensual de la Humedad Relativa en Calama.

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Esto genera una amplia oscilación térmica diaria durante todo el año, cercana a 20°, como se observa en el Gráfico 3.18, mientras que la oscilación térmica anual es baja, bordeando los 7°. Las temperaturas medias máximas promedian 21,4°C en invierno, aumentando hasta 24,8°C en verano. Las medias mínimas, en tanto, promedian -0,9°C en los meses invernales y 6,1°C en la época estival.

[En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

Los vientos predominantes en Calama son intensos y de componente oeste, como se observa en el Gráfico 3.21, registrándose con una frecuencia anual de 43% y alcanzando en esta dirección velocidades medias anuales de 8,3 m/s. Durante las mañanas, sin embargo, el viento predominante es de componente este, alcanzando también altas velocidades medias, cercanas a 8,4 m/s, con una frecuencia de 25% a lo largo del año.

Gráfico 3.18: Dirección y frecuencia anual del viento en Calama. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

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Gráfico 3.19: Demanda energética total y características de las aulas

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A través de la simulación térmica dinámica, se analizó la influencia de los distintos parámetros de diseño sobre las demandas energéticas totales, incluyendo calefacción, refrigeración e iluminación. El Gráfico 3.19 ilustra la curva de demandas energéticas totales para las 4.800 aulas simuladas, donde se destacan y caracterizan el grupo correspondiente al 10% de aulas con mayor demanda (peor desempeño); el 10% con demanda media; y el 10% con menor demanda (mejor desempeño). El gráfico demuestra que en Calama, la curva de demanda energética disminuye notoriamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima existen grandes oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño relacionadas con la orientación, superficie vidriada, tipo de vidrio, tipo de envolvente e infiltración. Al caracterizar y comparar las características comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas

de mejor desempeño, podemos observar que una envolvente muy aislada (K) y hermética (0,5 ach) genera demandas de refrigeración muy significativas, sobretodo si el aula se ubica en un segundo piso (o en el piso superior). Al otro extremo, podemos observar que una envolvente medianamente aislada (E) y medianamente hermética (1,5 ach), en un aula orientada al norte, con superficies vidriadas de 23% y vidrio simple genera demandas energéticas considerablemente más bajas. El Gráfico 3.20 ilustra la influencia de los parámetros sobre las diferencias de demanda, donde se puede observar que en Calama, el parámetro más significativo es la infiltración, seguido por la orientación. En cambio, los parámetros menos significativos son el tipo de vidrio, la envolvente térmica y la superficie vidriada del aula. En todo caso, los parámetros son mucho menos significativos en este clima que en el clima de Iquique (Zona Norte Litoral) o en los climas del sur de Chile, debido a que los efectos de las distintas estrategias tienden a compensarse entre las demandas energéticas de calefacción y refrigeración.

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3.5.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

Gráfico 3.20: Influencia parámetros de diseño en Calama

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Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación. Aquí

se puede observar que en general en Calama las demandas energéticas de calefacción, refrigeración e iluminación son bastante similares.

Gráfico 3.21: influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Calama Agrupamiento Se puede observar que las aulas ubicadas en el segundo piso tienen una demanda de refrigeración mayor a las ubicadas en el primer piso, ello implica que es importante considerar estrategias para evitar ganancias de calor a través de la techumbre, como por ejemplo, un techo ventilado.

Orientación La orientación norte es la más favorable debido a que genera menores demandas energéticas totales y en contraste con los resultados de Iquique, la orientación sur es la menos recomendable debido a sus altas demandas de calefacción e iluminación.

Tipo de envolvente El mejoramiento de la envolvente térmica del aula en Calama implica una disminución de la demanda de calefacción, pero un aumento de la demanda de refrigeración, con lo que el efecto se compensa. Sin embargo, es posible que un aula optimizada, que incluya estrategias de ventilación nocturna en verano, minimice el sobrecalentamiento, balanceando esta situación a favor de una mejor envolvente térmica. De acuerdo a este análisis, las mejores envolventes están en el rango D y E.

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Infiltración Se puede observar que un nivel de infiltración medio, de 1,5 ach, genera el mejor efecto sobre las demandas energéticas, balanceando refrigeración y calefacción. Un mayor nivel de infiltración aumenta la demanda de calefacción y un menor nivel de infiltración aumenta la demanda de refrigeración. Nuevamente se puede concluir que el uso de ventilación nocturna favorece el desempeño del aula disminuyendo las demandas de refrigeración.

Superficie vidriada La superficie vidriada es un parámetro poco significativo en el desempeño energético del aula en Calama. Sin embargo se puede observar que una mayor superficie vidriada tiende a disminuir las demandas totales, principalmente por su efecto positivo sobre la iluminación.

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46 La aulas escolares en Calama tienen demandas de calefacción y de enfriamiento, donde las menores demandas corresponden a la orientación norte.

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3.5.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según lo cual, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Calama que se observa en la Figura 3.7.

La mejor solución para Calama corresponde a un aula orientada hacia el Norte; localizada en el primer piso; con una envolvente E; una superficie vidriada de 23% (12,4 m2) y vidrio simple; y con niveles de infiltración de 1,5 ach. Esta aula tendrá una demanda energética total de sólo 0,7 kWh/m2 año. Si diferenciamos las características de diseño óptimas por orientación y agrupamiento, podemos distinguir que las

Figura 3.7: Aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Calama

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piso requiere niveles de infiltración bajos, mientras que el segundo piso requiere niveles de infiltración altos, lo que se interpreta como el requerimiento de ventilación nocturna para evitar sobrecalentamiento. Estas características se detallan en la Figura 3.8.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona norte desértico Calama Recomendaciones de: Envolvente térmica.

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recomendaciones varían en algunos casos, ya que por ejemplo, un aula al sur debiese tener una envolvente más aislada y más hermética que en las otras orientaciones. Además, se observa que los niveles de infiltración recomendados en los distintos pisos de las aulas oriente y poniente varían, ya que el primer

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.8: Aula tipo con parámetros de diseño óptimos por orientación para Calama

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3.6 Zona Norte Valles Transversales – Copiapó 3.6.1 Características climáticas de la Zona Norte Valles Transversales Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Zona semidesértica caracterizada por poseer microclimas en los valles que la atraviesan. Los veranos son largos y calurosos, presentando alta radiación solar en dicha estación y moderada en invierno. La oscilación térmica diaria es alta durante todo el año, con diferencias de 15°C promedio entre las temperaturas mínimas y máximas. Su atmósfera es relativamente seca, con escasa nubosidad. Las precipitaciones son también escasas, aumentando gradualmente hacia el sur de la zona. Los vientos son irregulares, predominantemente de dirección oeste. La vegetación aumenta al comparar esta zona con las anteriormente descritas, sin embargo los terrenos son áridos y con bajo contenido de humedad. A continuación se presenta un análisis climático de Copiapó, ciudad que representa al clima de la zona Norte Valles Transversales.

3.6.2 El clima de Copiapó Copiapó se emplaza a 27°18’ latitud sur y 70°25’ longitud oeste, a una altura promedio de 291 metros sobre el nivel del mar. El clima que caracteriza a esta localidad se denomina desértico marginal bajo. Las altas temperaturas son ligeramente reguladas por la relativa influencia marítima de la zona, lo que genera nubosidad costera ocasionalmente durante las mañanas, disipándose después del medio día. Sin embargo, los cielos son por lo general despejados y las precipitaciones muy escasas, concentrándose durante el invierno, con un promedio anual aproximado de 12mm.

[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Gráfico 3.22: Variación mensual de la temperatura en Copiapó. [Elaboración propia con datos de la Dirección Meteorológica de Chile].

La humedad relativa del aire, ilustrada en el Gráfico 3.23, es alta y constante durante todo el año, donde la media mínima se observa en diciembre y enero con 71%, y la media máxima en junio con 80%, siendo 76% la media anual.

Gráfico 3.23: Variación mensual de la Humedad Relativa en Copiapó.

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Durante el verano se registran muy altas temperaturas, con una media promedio de 22,6°C, las que se moderan en invierno con una media promedio de 15,1°C. La oscilación diaria de temperaturas es considerable durante todo el año, como se observa en el Gráfico 3.22, con una media máxima en verano superior a 27° y una media mínima ligeramente superior a 16°C. En invierno la media máxima alcanza casi los 20°C, y la media mínima es inferior a 9°C.

[En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

Los vientos de componente oeste predominan sobre el 65% del año en Copiapó, como se observa en el Gráfico 3.24, dirección donde se registran las mayores intensidades, alcanzando velocidades medias de 5,4 m/s. Sin embargo, es también alto el porcentaje del tiempo en que predomina la calma, con una frecuencia anual cercana al 20% de las mediciones.

Gráfico 3.24: Dirección y frecuencia anual del viento en Copiapó. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

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Gráfico 3.25: Demanda energética total y características de las aulas para Copiapó

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A través de la simulación térmica dinámica, se analizó la influencia de los distintos parámetros de diseño sobre las demandas energéticas totales, incluyendo calefacción, refrigeración e iluminación. El Gráfico 3.25 ilustra la curva de demandas energéticas totales para las 4.800 aulas simuladas, donde se destacan y caracterizan el grupo correspondiente al 10% de aulas con mayor demanda (peor desempeño); el 10% con demanda media; y el 10% con menor demanda (mejor desempeño). El gráfico demuestra que en Copiapó, la curva de demanda energética disminuye notoriamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima existen grandes oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño relacionadas con la orientación, superficie vidriada, tipo de vidrio, tipo de envolvente e infiltración. Al caracterizar y comparar las características

comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas de mejor desempeño, podemos observar que una envolvente muy aislada (K) y hermética (0,5 ach) genera demandas de refrigeración muy significativas, sobretodo si el aula se ubica en un segundo piso (o en el piso superior). Al otro extremo, podemos observar que una envolvente medianamente aislada (C) y medianamente hermética (1,5 ach), en un aula orientada al norte, con superficies vidriadas de 23% y vidrio simple genera demandas energéticas considerablemente más bajas. El Gráfico 3.26 ilustra la influencia de los parámetros sobre las diferencias de demanda, donde se puede observar que en Copiapó, el parámetro más significativo es la infiltración, seguido por el agrupamiento. En cambio, los parámetros menos significativos son el tipo de vidrio y la superficie vidriada del aula. En todo caso, los parámetros son mucho menos significativos en este clima que en el clima de Iquique (Zona Norte Litoral) o en los climas del sur de Chile, debido a que los efectos de las distintas estrategias tienden a compensarse entre las demandas energéticas de calefacción y refrigeración.

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3.6.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

Gráfico 3.26: Influencia parámetros de diseño Copiapó

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Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación.

Aquí se puede observar que en general las demandas más significativas en el contexto de Copiapó son asociadas a la refrigeración.

Gráfico 3.27: influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Copiapó

Agrupamiento El agrupamiento es un parámetro significativo en Copiapó, donde las aulas localizadas en el segundo piso tienen mayores demandas de refrigeración que las localizadas en el primer piso, debido fundamentalmente a las ganancias a través de la techumbre. Este efecto se puede controlar a través de un techo ventilado.

Orientación La mejor orientación en este contexto es la orientación norte, ya que concentra las menores demandas de calefacción e iluminación. La orientación sur es también recomendable ya que alcanza demandas mínimas de calefacción y refrigeración, donde sólo la iluminación resulta desfavorecida. Sin embargo, se puede observar que las demandas son similares, ya que cada orientación tiene ventajas y desventajas.

Tipo de envolvente El tipo de envolvente no es un parámetro muy significativo en este contexto, ya que el mejoramiento de la envolvente disminuye las demandas de calefacción pero aumenta las demandas de refrigeración, con lo que se compensa los efectos. Sin embargo, se puede observar que las mejores soluciones están entre las envolventes B y C.

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48 El mejor estándar de infiltración en este contexto corresponde a 1,5ach ya que disminuye la demanda de calefacción sin aumentar considerablemente la demanda de refrigeración. El estándar de 0,5ach no implica mejores ventajas en calefacción, pero si aumenta considerablemente la demanda de refrigeración, por lo que sólo se recomienda en la orientación sur, como se detalla en la Figura 3.10.

Superficie vidriada La superficie vidriada no es un parámetro muy significativo en este contexto, pero se puede observar que en general es recomendable considerar superficies de entre 17 y 23%.

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Infiltración

Las aulas del segundo piso en Copiapó tendrán altas demandas de enfriamiento a menos que se controlen las ganancias a través del techo, lo que se puede lograr aislando y ventilando la techumbre.

Tipo de vidrio El tipo de vidrio tampoco es un parámetro significativo en las aulas localizadas en Copiapó, pero se puede observar que el vidrio simple y vidrio doble obtienen las menores demandas, principalmente debido a la iluminación.

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3.6.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según esto, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Copiapó que se observa en la Figura 3.9. La mejor solución para Copiapó corresponde a un aula orientada

hacia el norte; localizada en el primer piso; con una envolvente C; una superficie vidriada de 23% (12,4 m2) y vidrio simple; y con niveles de infiltración de 1,5 ach. Esta aula tendrá una demanda energética total de sólo 2,3 kWh/m2 año. Si diferenciamos las aulas por orientación y agrupamiento, podemos distinguir que las características recomendadas varían en algunos casos, ya que por ejemplo, los pisos superiores

Figura 3.9: aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Copiapó 162

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orientación sur requiere de bajos niveles de infiltración y vidrio doble o doble Low-e para disminuir la demanda de calefacción. Estas características se detallan en la Figura 3.10.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona norte valles transversales – Copiapó Recomendaciones de: Envolvente térmica.

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en la orientación oriente y poniente debiesen tener menores superficies vidriadas y altos niveles de infiltración para evitar en sobrecalentamiento. Un alto nivel de infiltración se puede traducir como ventilación nocturna. Al otro extremo, la

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.10: aula tipo con parámetros de diseño óptimos por orientación para Copiapó

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3.7 Zona Centro Litoral – Valparaíso 3.7.1 Características climáticas de la Zona Centro Litoral Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

La Zona Centro Litoral posee un clima marítimo, caracterizada por poseer temperaturas moderadas durante todo el año, junto con una baja oscilación térmica diaria. Los inviernos son cortos, de cuatro a seis meses, época donde se concentran las precipitaciones, las que son moderadas, aumentando hacia el sur. La nubosidad es alta durante todo el año, al igual que la humedad ambiental. En verano, la ocurrencia de nubosidad matinal es recurrente, pero por lo general se disipa a medio día. La radiación solar es normal durante el verano y baja en invierno, mientras que los vientos predominantes son débiles, de componente suroeste. Tanto el ambiente como los suelos son salinos y relativamente húmedos. La vegetación aumenta. A continuación se presenta un análisis climático de Valparaíso, ciudad que representa al clima de la zona Centro Litoral.

3.7.2 El clima de Valparaíso Valparaíso está situado a 33°1’ de latitud Sur y 71°38’ de longitud Oeste, a una altura promedio de 41 metros sobre el nivel del mar. Su clima se clasifica como templado cálido con lluvias invernales y estación seca prolongada, caracterizado por la influencia marítima que modera las oscilaciones de temperatura, tanto diarias como anuales.

[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Gráfico 3.28: Variación mensual de la temperatura en Valparaíso. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

El clima de Valparaíso se caracteriza además por presentar alta nubosidad matinal a baja altura, fenómeno que se presenta a lo largo de todo el año. La humedad relativa del aire, ilustrada en el Gráfico 3.29, es también alta durante todo el año, con un promedio anual de 79%. Las precipitaciones se concentran en invierno, principalmente en julio con 110mm de agua caída aproximadamente, y un total anual cercano a 370mm.

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El Gráfico 3.28 muestra la variación mensual de la temperatura, donde la media en verano es 16,8°C, mientras que en invierno promedia 11,9°C. En verano la media de las temperaturas máximas se aproxima a 20°C y la media de las mínimas es ligeramente superior a 14°C, temperatura similar a la que llegan las máximas en invierno, mientras que en dicha estación las mínimas promedian casi 10°C.

Gráfico 3.29: Variación mensual de la Humedad Relativa en Valparaíso. [En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

Los vientos predominantes en régimen anual son de componente suroeste, como se observa en el Gráfico 3.30, registrándose con una frecuencia de 41% y alcanzando velocidades medias de 6,4 m/s en dicha dirección, seguido en frecuencia por la calma, registrada un 16% del año. Son también considerables los vientos de componente norte, que se contabilizan un 13% del año, con velocidades medias cercanas a 3,8 m/s.

Gráfico 3.30: Dirección y frecuencia anual del viento en Valparaíso. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

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Gráfico 3.31: Demanda energética total y características de las aulas para Valparaíso

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A través de la simulación térmica dinámica, se analizó la influencia de los distintos parámetros de diseño sobre las demandas energéticas totales, incluyendo calefacción, refrigeración e iluminación. El Gráfico 3.31 ilustra la curva de demandas energéticas totales para las 4.800 aulas simuladas, donde se destacan y caracterizan el grupo correspondiente al 10% de aulas con mayor demanda (peor desempeño); el 10% con demanda media; y el 10% con menor demanda (mejor desempeño). El gráfico demuestra que en Valparaíso, la curva de demanda energética disminuye moderadamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima, si bien existen oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño, éstas son menos significativas que en otros climas del país. Porque las necesidades de calefacción y refrigeración tienden a balancearse, de manera que algunas estrategias que disminuyen la demanda de calefacción, al

mismo tiempo aumentan la demanda de refrigeración. Al caracterizar y comparar las características comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas de mejor desempeño, podemos observar que un aula orientada al poniente, con una envolvente muy aislada (K), genera demandas de refrigeración significativas, sobretodo si el aula se ubica en un segundo piso (o en el piso superior). Al otro extremo, podemos observar que un aula orientada al norte, con una envolvente poco aislada (B), con superficies vidriadas de 23% y vidrio simple genera demandas energéticas considerablemente más bajas. El Gráfico 3.32 ilustra la influencia de los parámetros sobre las diferencias de demanda, donde se puede observar que en Valparaíso, el parámetro más significativo es el agrupamiento, seguido por la superficie vidriada. Sin embargo, es importante indicar que en este contexto las variaciones de diseño tienen menor impacto sobre la demanda que en todos los otros contextos estudiados, lo que implica que es un contexto climático bastante moderado. Los parámetros de diseño menos significativos son la envolvente térmica y el tipo de vidrio.

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3.7.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

Gráfico 3.3.2: Influencia parámetros de diseño Valparaíso

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Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación. En términos generales, se puede observar que en Valparaíso las

demandas de calefacción, refrigeración e iluminación tienden a ser similares, donde la demanda de refrigeración es levemente superior a las otras.

Gráfico 3.33: influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Valparaíso Agrupamiento El agrupamiento es el parámetro de diseño más importante en el contexto de Valparaíso, ya que las demandas de refrigeración del segundo piso son superiores a las de un aula localizada en el primer piso. Sin embargo, esta diferencia es menor en relación a las diferencias que se generan en el norte del país.

Orientación La orientación no constituye un parámetro de diseño relevante en el contexto de Valparaíso, ya que se puede observar que las diferencias en las demandas totales por orientación son mínimas. Aún así, la orientación norte resulta más favorable por su menor demanda energética total.

Tipo de envolvente El tipo de envolvente no es un parámetro significativo en este contexto, ya que el mejoramiento de la envolvente disminuye las demandas de calefacción pero aumenta las demandas de refrigeración, con lo que se compensa el efecto. Sin embargo, se puede observar que las mejores soluciones están entre las envolventes B y C.

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Infiltración Se puede observar que un nivel de infiltración medio de 1,5 ach, genera el mejor efecto sobre las demandas energéticas, balanceando refrigeración y calefacción. Un mayor nivel de infiltración aumenta la demanda de calefacción y un menor nivel de infiltración aumenta la demanda de refrigeración. Sin embargo, es importante indicar que el aumento de la demanda de refrigeración se podría controlar con estrategias de ventilación nocturna en verano, por lo que bajos niveles de infiltración son recomendables, sobretodo en la orientación sur.

Superficie vidriada La superficie vidriada es un parámetro significativo en este contexto, donde lo más recomendable es disponer de una superficie de 23% que genera un efecto positivo sobre las demandas de iluminación.

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Tipo de vidrio Se puede observar que el vidrio simple y el vidrio doble son las soluciones más recomendables para Valparaíso, ya que alcanzan las menores demandas energéticas totales.

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3.7.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según esto, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Valparaíso que se observa en la Figura 3.11.

La mejor solución para Valparaíso corresponde a un aula orientada hacia el norte; localizada en el primer piso; con una envolvente B; con una superficie vidriada de 23% (12,4 m2) y vidrio simple; y con niveles de infiltración de 0,5 ach. Esta solución tiene una demanda energética total de sólo 6,1 kWh/ m2 año.

Figura 3.11: aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Valparaíso

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Sin embargo, las diferencias son menos significativas que en el caso de las ciudades del norte del país.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona centro litoral Valparaíso Recomendaciones de: Envolvente térmica.

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Si diferenciamos las aulas por orientación y agrupamiento, podemos distinguir que las características recomendadas varían en algunos casos, lo que se detalla en la Figura 3.12.

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.12: aula tipo con parámetros de diseño óptimos por orientación para Valparaíso

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3.8 Zona Centro Interior – Santiago 3.8.1 Características climáticas de la Zona Centro Interior Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

La zona Centro Interior posee un clima mediterráneo, con inviernos de cuatro a cinco meses, caracterizada por poseer temperaturas templadas, con variaciones estacionales considerables, donde la media anual desciende gradualmente de norte a sur. Las oscilaciones diarias de temperatura son moderadas, aumentando hacia el este, como también en verano, mientras que las precipitaciones son moderadas al norte de la zona pero aumentan significativamente hacia el sur, al igual que las heladas. Los vientos predominantes son moderados, de componente suroeste. La radiación solar es intensa en verano, especialmente hacia el noroeste, y es baja en invierno. Respecto a la humedad relativa del aire, se encuentra en rangos normales a bajos en verano, y altos a muy altos en invierno. La vegetación es normal. A continuación se presenta un análisis climático de Santiago, ciudad que representa al clima de la zona Centro Interior.

3.8.2 El clima de Santiago Santiago se emplaza a 33°26’ de latitud sur y 70°41’ de longitud oeste, a una altitud promedio de 520 metros. El clima asociado a esta zona se denomina templado cálido con lluvias invernales y estación seca prolongada, caracterizado por precipitaciones concentradas en invierno, donde entre mayo y agosto se contabiliza el 80% del total de las precipitaciones del año (310mm anuales aproximadamente), y una época seca de 7 a 8 meses donde las precipitaciones son inferiores a 40mm. La continentalidad de la ciudad acentúa las oscilaciones térmicas, que son considerables tanto diaria como anualmente. [Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Gráfico 3.34: Variación mensual de la temperatura en Santiago. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile].

La humedad relativa del aire varía estacionalmente, como se observa en el Gráfico 3.35, siendo muy alta en invierno con 83% promedio, la que se reduce a 66% promedio en los meses de verano, con una media anual de 75%.

Gráfico 3.35: Variación mensual de la Humedad Relativa en Santiago.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

La temperatura media en verano es 20,1°C, con medias máximas mayores a 29° promedio y medias mínimas superiores a 12°C, registrándose en esta estación máximas extremas de 34°C promedio. En invierno la temperatura media es 8,2°C, con máximas medias superiores a 15°C y mínimas medias cercanas a 3°C promedio, registrándose mínimas extremas inferiores a -2°C (ver Gráfico 3.34).

[En base a datos obtenidos de software Meteonorm].

Los vientos predominantes en Santiago son de componente sur a lo largo de todo el año, con una frecuencia anual de 43%, como se observa en el Gráfico 336, registrándose en esta dirección velocidades medias de 3,8m/s. Cuando varía hacia el suroeste, lo que ocurre un 15% del año, se hace más intenso, alcanzando velocidades medias de 3,8 m/s, mientras que al variar hacia el sureste se suaviza, registrándose medias de 2,9 m/s con una frecuencia anual de 17%. Gráfico 3.36: Dirección y frecuencia anual del viento en Santiago. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

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Gráfico 3.43: Demanda energética total y características de las aulas

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A través de la simulación térmica dinámica, se analizó la influencia de los distintos parámetros de diseño sobre las demandas energéticas totales, incluyendo calefacción, refrigeración e iluminación. El Gráfico 3.37 ilustra la curva de demandas energéticas totales para las 4.800 aulas simuladas, donde se destacan y caracterizan el grupo correspondiente al 10% de aulas con mayor demanda (peor desempeño); el 10% con demanda media; y el 10% con menor demanda (mejor desempeño). El gráfico demuestra que en Santiago, la curva de demanda energética disminuye moderadamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima, si bien existen oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño, éstas son menos significativas que en

otros climas del país. Esto se debe a que las necesidades de calefacción y refrigeración tienden a balancearse, de manera que algunas estrategias que disminuyen la demanda de calefacción, al mismo tiempo aumentan la demanda de refrigeración. Al caracterizar y comparar las características comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas de mejor desempeño, podemos observar que un aula orientada al oriente, con una envolvente poco aislada (A), genera demandas de refrigeración significativas, sobretodo si el aula se ubica en un segundo piso (o en el piso superior). Al otro extremo, podemos observar que un aula orientada al norte, con una envolvente medianamente aislada (C), con superficies vidriadas de 23% y vidrio doble genera demandas energéticas considerablemente más bajas. El Gráfico 3.38 ilustra la influencia de los parámetros sobre las diferencias de demanda, en él se puede observar que en Santiago, el parámetro más significativo es el agrupamiento, seguido por la orientación. En cambio, los parámetros menos significativos son el tipo de vidrio y la superficie vidriada.

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3.8.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

Gráfico 3.38: Influencia parámetros de diseño Santiago

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Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación. En términos generales, se puede observar que las soluciones

estudiadas en el contexto de Santiago tienen similares demandas de refrigeración y de calefacción, siendo la refrigeración levemente mayor que la calefacción.

Gráfico 3.39: influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Santiago Agrupamiento El agrupamiento es el parámetro de diseño más significativo en el contexto de Santiago, ya que se puede observar que las aulas localizadas en el segundo piso tienen demandas de refrigeración considerablemente superiores a las de las aulas del primer piso. Esta observación implica que resultaría eficiente controlar las ganancias de calor a través de la techumbre a través de estrategias de diseño apropiadas, tal como la ventilación del techo. Orientación El análisis permite deducir que la orientación Norte es la más eficiente en este contexto, por cuanto implica las menores demandas energéticas totales. La orientación sur es también recomendable, por que disminuye considerablemente las demandas de refrigeración, mientras que el aumento en las demandas de calefacción se puede controlar a través de la envolvente térmica más aislada, menores niveles de infiltración y vidrio doble o Low-e. Tipo de envolvente Si bien se puede observar que el mejoramiento de la envolvente térmica disminuye las demandas de calefacción pero aumenta las demandas de refrigeración, las envolventes C y D alcanzan el mejor balance entre ambos fenómenos.

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La infiltración resulta un parámetro de diseño menos significativo en el contexto de Santiago y Valparaíso de lo que sucede en otros contextos del país. Debido a la compensación que se genera entre las demandas de calefacción y refrigeración; ya que al disminuir el nivel de infiltración disminuye la demanda de calefacción, pero aumenta la de refrigeración. Sin embargo, es importante indicar que el aumento de la demanda de refrigeración se podría controlar con estrategias de ventilación nocturna en verano, por lo que bajos niveles de infiltración son recomendables. Superficie vidriada La superficie vidriada no es un parámetro significativo en este contexto, pero se podría concluir que con una superficie vidriada de entre 17% y 23% se logran las menores demandas energéticas totales, incluyendo la iluminación.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Infiltración

Tipo de vidrio El tipo de vidrio es el parámetro de diseño menos significativo en Santiago, ya que el vidrio simple, doble y Low-e alcanzan demandas energéticas totales muy similares, balanceando los distintos efectos que generan sobre la calefacción, refrigeración e iluminación.

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3.8.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según esto, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Santiago que se observa en la Figura 3.13.

La mejor solución para Santiago corresponde a un aula orientada hacia el Norte; localizada en el primer piso; con una envolvente C; una superficie vidriada de 23% (12,4 m2) y vidrio doble; y con niveles de infiltración de 0,5 ach. Esta solución tiene una demanda energética total de sólo 8,2 kWh/m2 año, donde el mayor componente es la demanda de refrigeración.

Figura 3.13: aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Santiago

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destacar que en los pisos superiores en las orientaciones oriente y poniente resulta más conveniente considerar mayores estándares de aislación térmica, con el fin de evitar pérdidas de calor a través de la techumbre. Esto implica que es conveniente incorporar mayores estándares de aislación térmica en la techumbre.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona centro interior – Santiago Recomendaciones de: Envolvente térmica.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Si diferenciamos las aulas por orientación y agrupamiento, podemos distinguir diferencias que se detallan en la Figura 3.14. Algunas de estas recomendaciones implican disminuir la superficie vidriada en los pisos superiores con el fin de disminuir las demandas de refrigeración, principalmente en las orientaciones oriente y poniente. También es interesante

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.14: aula tipo con parámetros de diseño óptimos por orientación para Santiago

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3.9 Zona Sur Litoral (a) – Concepción 3.9.1 Características climáticas de la Zona Sur Litoral Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Zona de clima marítimo y lluvioso, con inviernos prolongados. Las temperaturas medias son templadas en verano, acompañadas de una alta humedad ambiental y frías en invierno, con humedades relativas muy altas. La oscilación diaria de temperaturas es baja, aumentando ligeramente en verano. La radiación solar en verano es alta en el norte de la zona, disminuyendo hacia el sur, mientras que en invierno es baja en toda la zona. Los vientos son irregulares, de componente suroeste y norte. Es común en esta zona la combinación de viento norte con precipitaciones. El suelo y el ambiente son salinos y húmedos, y la vegetación es robusta. A continuación se presenta un análisis climático de Concepción, ciudad que junto a Puerto Montt representa al clima de la zona Sur Litoral.

3.9.2 El clima de Concepción Concepción se localiza a 36°47’ de latitud sur y 73°7’ de longitud oeste, a quince metros de altitud promedio sobre el nivel del mar. El clima de esta localidad es templado cálido con estación seca de cinco a cuatro meses, y está altamente influenciado por la proximidad al océano, que modera las oscilaciones térmicas tanto diarias como anuales.

[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Gráfico 3.40: Variación mensual de la temperatura en Concepción. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile].

La humedad relativa del aire, representada en el Gráfico 3.41, es muy alta durante casi todo el año, descendiendo ligeramente en verano pero siempre manteniéndose en rangos altos, promediando 78% entre diciembre y febrero, y 88% entre junio y agosto. Las precipitaciones anuales superan los 1100mm, alcanzando los mayores valores acumulados entre junio y julio, con aproximadamente 220mm de agua caída en cada mes.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Como se observa en el Gráfico 3.40, la variación anual de la temperatura media es menor a 8°C y sus valores son siempre moderados, promediando 15,9°C en verano y 9°C en invierno. Las temperaturas máximas medias que se registran en verano son cercanas a 22°C y en invierno ligeramente superiores a 13°C, mientras que en esta última estación la temperatura mínima media es 6°C y 10,6°C en verano.

Gráfico 3.41: Variación mensual de la Humedad Relativa en Concepción. [En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

Los vientos predominantes en Concepción son de componente suroeste, con una frecuencia anual de 36%, los que se registran principalmente entre septiembre y abril. Entre mayo y agosto la dirección predominante es norte, registrándose anualmente un 20% de las mediciones en dicha dirección. La velocidad media del viento, tanto norte como suroeste es 4,8m/s, siendo éstas las direcciones donde el viento alcanza las mayores intensidades.

Gráfico 3.42: Dirección y frecuencia anual del viento en Concepción. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

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Gráfico 3.43: Demanda energética total y características de las aulas

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El gráfico demuestra que en Concepción la curva de demanda energética disminuye notoriamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima,

El Gráfico 3.44 ilustra la influencia de los parámetros sobre las diferencias de demanda, y donde se puede observar que en Concepción, el parámetro más significativo es la infiltración, seguido por la orientación. En cambio, los parámetros menos

3.9.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

existen significativas oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño, tal como la protección térmica de la envolvente, infiltración, orientación, tipo de vidrio y superficie vidriada. Al caracterizar y comparar las cualidades comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas de mejor desempeño, podemos observar que un aula orientada al sur, con una envolvente poco aislada (A) y un nivel de infiltración alto (2,5 ach), genera demandas de calefacción altas. Al otro extremo, podemos observar que un aula orientada al norte, con una envolvente aislada (H), niveles de infiltración bajos (0,5 ach), con superficies vidriadas de 23% y vidrio doble genera demandas energéticas considerablemente más bajas.

Gráfico 3.44: Influencia parámetros de diseño en Concepción

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significativos son el agrupamiento y el tipo de vidrio. Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación. En términos generales, se puede observar que las aulas en el

contexto de Concepción se caracterizarán principalmente por sus requerimientos de calefacción y, en menor medida, de iluminación. Las demandas de refrigeración son prácticamente irrelevantes en este contexto, muy fáciles de controlar a través de la protección solar y la ventilación natural.

Gráfico 3.45: influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Concepción Agrupamiento El agrupamiento en Concepción es el parámetro menos significativo, lo que difiere de lo observado en ciudades del norte del país, donde las aulas localizadas en el segundo piso tienen mayores demandas de refrigeración. En este contexto, se observa un pequeño aumento de la demanda de refrigeración en el segundo piso, pero es muy poco significativo.

Orientación La orientación norte es la más recomendable en este contexto, ya que presenta las menores demandas de calefacción e iluminación, mientras que la orientación sur se encuentra al otro extremo con las mayores demandas, y por lo tanto sería la menos recomendable.

Tipo de envolvente La envolvente resulta un parámetro significativo en Concepción, donde se puede observar que el mejoramiento de la envolvente térmica disminuye las demandas de calefacción, que son las más importantes en este contexto. Debido a esto se puede observar que lo más recomendable son las envolventes H, I y K.

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Se puede observar que la infiltración es el parámetro más significativo en este contexto, donde lo más recomendable sería considerar un estándar de 0,5 ach con el objetivo específico de disminuir la demanda de calefacción. Mayores estándares de infiltración aumentan considerablemente las demandas de calefacción.

Superficie vidriada La superficie vidriada es un parámetro bastante más significativo en Concepción que en las ciudades del norte del país, donde la solución más recomendable es de 23%, ya que disminuye las demandas de iluminación artificial.

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Infiltración

Tipo de vidrio Se puede observar que el vidrio doble y vidrio doble Low-e son las mejores soluciones para el contexto de Concepción, ya que disminuyen las demandas de calefacción.

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3.9.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según esto, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Concepción que se observa en la Figura 3.15. La mejor solución para Concepción corresponde a un aula

orientada hacia el norte, localizada en el primer piso, con una envolvente H, una superficie vidriada de 23% (12,4 m2) y vidrio doble, y con niveles de infiltración de 0,5 ach. Esta solución tiene una demanda energética total de sólo 4,95 kWh/m2 año. Si diferenciamos las aulas por orientación y agrupamiento, podemos distinguir pequeñas diferencias que se detallan en

Figura 3.15: aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Concepción

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primer y segundo piso no son tan significativas como en los climas del norte del país, donde la techumbre representa una importante zona de ganancias de calor.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona sur litoral (a) Concepción Recomendaciones de: Envolvente térmica.

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la Figura 3.16. En la orientación poniente es recomendable considerar ventilación nocturna en el segundo piso con el fin de evitar el aumento en las demandas de refrigeración por sobrecalentamiento. En este clima, las diferencias entre el

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.16: aula tipo con parámetros de diseño óptimos por orientación para Concepción

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3.10 Zona Sur Interior – Temuco 3.10.1 Características climáticas de la Zona Sur Interior Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Zona de clima mediterráneo, donde los veranos son cortos, de cuatro a cinco meses con insolación moderada, y los inviernos largos y lluviosos. Existen en esta zona numerosos lagos y ríos que generan microclimas. Las temperaturas medias disminuyen gradualmente de norte a sur, siendo templadas en verano y frías en invierno, con heladas frecuentes. Las oscilaciones térmicas son medias en verano y bajas en invierno, mientras que la humedad ambiental es alta en verano y muy alta en invierno. Los vientos predominantes son moderados, de componente sur y oeste, predominando la calma en algunas localidades de la zona. Tanto el ambiente como el suelo son húmedos y la vegetación robusta. A continuación se presenta un análisis climático de Temuco, ciudad que representa al clima de la zona Sur Interior.

3.10.2 El clima de Temuco Temuco está situado a 38°46’ de latitud sur y 72°38’ de longitud oeste, a una altitud promedio de 114 metros. Se asocia a esta ciudad un clima templado lluvioso con influencia mediterránea, que se caracteriza por la presencia de precipitaciones durante todo el año, principalmente durante el invierno, contabilizando aproximadamente 1100mm anuales. Enero y febrero son los meses más secos, con promedios de agua caída ligeramente superiores a 40mm en cada mes.

[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Gráfico 3.46: Variación mensual de la temperatura en Temuco. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile].

La humedad relativa del aire es alta en verano y muy alta en invierno, alcanzando valores promedio de 78% y 89% respectivamente (ver Gráfico 3.47).

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Las oscilaciones térmicas son considerables y cercanas a 15°C durante el verano, las que se reducen a la mitad durante el invierno, como se aprecia en el Gráfico 3.46. En esta última estación las temperaturas mínimas promedian 4°C y las máximas 12°C, mientras que en verano las máximas medias superan los 24°C, pero las mínimas se mantienen reducidas, superando levemente los 8°C. Se registran eso sí máximas extremas considerables y mayores a 30°C entre enero y marzo, y mínimas inferiores a -1°C entre abril y octubre.

Gráfico 3.47: Variación mensual de la Humedad Relativa en Temuco. [En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

Los vientos en Temuco son de velocidades moderadas y direcciones variables. Predominan los vientos del oeste y suroeste, como se observa en el Gráfico 3.48, con una frecuencia anual de 33% y 20% respectivamente, y velocidades medias de 3m/s en ambas direcciones, presentándose principalmente entre septiembre y abril. Entre mayo y agosto las direcciones predominantes varían entre el noreste (10% anual), el norte y el este (ambos 9% anual), y la calma (8% anual), presentándose las mayores velocidades al norte y noreste (3,4m/s) y las menores al este (2,3m/s). Gráfico 3.48: Dirección y frecuencia anual del viento en Temuco. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

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Gráfico 3.49: Demanda energética total y características de las aulas

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vidriada. Al caracterizar y comparar las características comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas de mejor desempeño, podemos observar que un aula orientada al sur, con una envolvente poco aislada (A) y un nivel de infiltración alto (2,5 ach), genera demandas de calefacción altas. Al otro extremo, podemos observar que un aula orientada al norte, con una envolvente aislada (I), niveles de infiltración bajos (0,5 ach), con superficies vidriadas de 23% y vidrio doble genera demandas energéticas considerablemente más bajas.

El gráfico demuestra que en Temuco, la curva de demanda energética disminuye notoriamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima, existen significativas oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño, tal como la protección térmica de la envolvente, infiltración, orientación, tipo de vidrio y superficie

El Gráfico 3.50 ilustra la influencia de los parámetros sobre las diferencias de demanda, donde se puede observar que en Temuco, el parámetro más significativo es la infiltración, seguido por la orientación. En cambio, los parámetros menos significativos son el agrupamiento y el tipo de vidrio.

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3.10.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

Gráfico 3.50: Influencia parámetros de diseño en Temuco

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Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación. En términos generales, se puede observar que en Temuco las

demandas más significativas son las de calefacción, y en menor medida, las de iluminación. Las demandas de refrigeración son prácticamente irrelevantes en este contexto.

Gráfico 3.51 influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Temuco

Agrupamiento Se puede observar que el aula del segundo piso tiene una demanda de calefacción levemente mayor al aula del primer piso, lo que se debe a las pérdidas de calor a través de la techumbre. Lo mismo ocurre con las demandas de refrigeración, que aumentan debido al fenómeno inverso de ganancias de calor a través de este elemento.

Tipo de envolvente La envolvente resulta un parámetro significativo en Temuco, donde se puede observar que el mejoramiento de la envolvente térmica disminuye las demandas de calefacción, que son las más relevantes en este contexto. Debido a esto se puede observar que lo más recomendable son las envolventes I y K.

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Se puede observar que la infiltración es el parámetro más significativo en este contexto, donde lo más recomendable sería considerar un estándar de 0,5 ach con el objetivo específico de disminuir la demanda de calefacción. Al otro extremo, un nivel de infiltración alto (2,5 ach) aumenta considerablemente las demandas de calefacción.

Superficie vidriada La superficie vidriada es un parámetro relativamente significativo, donde la solución más recomendable es de 23% de superficie vidriada, debido al efecto positivo que genera al disminuir las demandas de iluminación artificial.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Infiltración

Tipo de vidrio Se puede observar que la mejor solución desde el punto de vista del tipo de vidrio es el vidrio doble Low-e, y en menor medida el vidrio doble, ya que disminuyen las demandas de calefacción.

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3.10.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según esto, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Temuco que se observa en la Figura 3.17.

La mejor solución para Temuco corresponde a un aula orientada hacia el norte; localizada en el primer piso; con una envolvente I; una superficie vidriada de 23% (12,4 m2) y vidrio doble; y con niveles de infiltración de 0,5 ach. Esta solución tiene una demanda energética total de sólo 8 kWh/m2 año.

Figura 3.17: aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Temuco

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la protección térmica de la envolvente, incluyendo los vidrios, y el control de la infiltración. En la orientación sur resulta recomendable considerar vidrio doble Low-e con el fin de minimizar las pérdidas de calor.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona sur interior Temuco Recomendaciones de: Envolvente térmica.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Si diferenciamos las aulas por orientación y agrupamiento, podemos distinguir pequeñas diferencias que se detallan en la Figura 3.18. Sin embargo, éstas no son significativas, ya que en este clima lo esencial es minimizar las demandas de calefacción a través de estrategias muy bien definidas, tal como

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.18: aula tipo con parámetros de diseño óptimos por orientación para Temuco

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3.11 Zona Sur Litoral (b) – Puerto Montt 3.11.1 Características climáticas de la Zona Sur Litoral Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

La Zona Sur Litoral posee un clima marítimo y lluvioso, con inviernos prolongados. Las temperaturas medias son templadas en verano, acompañadas de una alta humedad ambiental, y frías en invierno, con humedades relativas muy altas. La oscilación diaria de temperaturas es baja, aumentando ligeramente en verano. La radiación solar en verano es alta en el norte de la zona, disminuyendo hacia el sur, mientras que en invierno es baja en toda la zona. Los vientos son irregulares, de componente suroeste y norte. Es común en esta zona la combinación de viento norte con precipitaciones. El suelo y el ambiente son salinos y húmedos, y la vegetación es robusta. A continuación se presenta un análisis climático de Puerto Montt, ciudad que junto a Concepción representa al clima de la zona Sur Litoral.

3.11.2 El clima de Puerto Montt Puerto Montt está ubicado a 41°28’ de latitud sur y 72°56’ de longitud oeste, a una altura promedio de 90 metros sobre el nivel del mar. El clima de esta localidad es templado lluvioso con influencia mediterránea, con precipitaciones muy abundantes durante todo el año, registrando 1800mm anuales promedio, las que pese a disminuir considerablemente en verano, no dan lugar definir una estación seca.

[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Gráfico 3.52: Variación mensual de la temperatura en Puerto Montt. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile].

El Gráfico 3.53 muestra que los niveles de humedad relativa son muy altos a lo largo del año, la que se incrementa gradualmente desde una media mensual de 81% en diciembre y enero hasta 91% en junio y julio.

Gráfico 3.53: Variación mensual de la Humedad Relativa en Puerto Montt.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Las temperaturas son uniformes durante todo el año, como se observa en el Gráfico 3.52, con medias cualitativamente muy bajas en invierno, promediando 6,5°C entre junio y agosto, y templadas en verano, con 13,9°C promedio entre diciembre y febrero. Las medias máximas son 10,5°C en invierno y 19,6°C verano, y las mínimas medias 3,9°C y 9°C, respectivamente. La baja oscilación térmica, tanto en régimen diario como anual, se justifica por la alta influencia marítima y lacustre en las temperaturas, lo cual influye además en que el ambiente sea extremadamente húmedo y la nubosidad casi permanente.

[En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

La dirección de viento predominante en Puerto Montt es de componente norte, como se observa en el Gráfico 3.54, y se registra casi un 30% del año, con velocidades medias de 4,7m/s en dicha dirección. Estos vientos se registran a lo largo de todo el año, pero principalmente entre abril y octubre. Los vientos de componente sur son también frecuentes, sobre todo en verano, registrándose un 17% del año, con velocidades medias de 3,2m/s. Le siguen en porcentaje de ocurrencia los vientos del suroeste con 14% y el sureste con 11%, mientras que el 12% del año predomina la calma. Gráfico 3.54: Dirección y frecuencia anual del viento en Puerto Montt. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

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Gráfico 3.55: Demanda energética total y características de aulas

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A través de la simulación térmica dinámica, se analizó la influencia de los distintos parámetros de diseño sobre las demandas energéticas totales, incluyendo calefacción, refrigeración e iluminación. El Gráfico 3.55 ilustra la curva de demandas energéticas totales para las 4.800 aulas simuladas, donde se destacan y caracterizan el grupo correspondiente al 10% de aulas con mayor demanda (peor desempeño); el 10% con demanda media; y el 10% con menor demanda (mejor desempeño). El gráfico demuestra que en Puerto Montt, la curva de demanda energética disminuye notoriamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima, existen significativas oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño, tal como la protección térmica de la envolvente, infiltración, orientación, tipo de vidrio y

superficie vidriada. Al caracterizar y comparar las características comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas de mejor desempeño, podemos observar que un aula orientada al oriente, con una envolvente poco aislada (A), un nivel de infiltración alto (2,5 ach), superficies vidriadas pequeñas (11%) y vidrio con control solar, genera demandas de calefacción e iluminación altas. Al otro extremo, podemos observar que un aula orientada al norte, con una envolvente aislada (K), niveles de infiltración bajos (0,5 ach), con superficies vidriadas de 23% y vidrio doble Low-e, genera demandas energéticas considerablemente más bajas, tanto de calefacción como iluminación. El Gráfico 3.56 ilustra la influencia de los parámetros sobre las diferencias de demanda, donde se puede observar que en Puerto Montt, por lejos el parámetro más significativo es la infiltración. En cambio, los parámetros menos significativos son el agrupamiento y el tipo de vidrio.

54 Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

3.11.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

en el contexto de Puerto Montt, ya que una envolvente hermética disminuye las demandas de calefacción.

Gráfico 3.56: Influencia parámetros de diseño en Puerto Montt

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Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación. En términos generales, se puede observar que en Puerto Montt las

demandas más significativas son las de calefacción, y en menor medida, las de iluminación. Las demandas de refrigeración son prácticamente irrelevantes en este contexto.

Gráfico 3.57: influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Puerto Montt

Orientación Se observa que la orientación norte presenta las menores demandas de calefacción e iluminación, por lo que es la más recomendable en el contexto de Puerto Montt, mientras que la orientación sur sería la menos recomendable, por implicar las mayores demandas de calefacción e iluminación.

Tipo de envolvente La envolvente resulta un parámetro significativo en Puerto Montt, donde se puede observar que el mejoramiento de la envolvente térmica disminuye las demandas de calefacción, que son las más relevantes en este contexto. Debido a esto se puede observar que lo más recomendable son las envolventes I y K.

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Se puede observar que la infiltración es el parámetro más significativo en este contexto, donde lo más recomendable sería considerar un estándar de 0,5 ach con el objetivo específico de disminuir la demanda de calefacción. Un alto nivel de infiltración (2,5 ach), aumenta significativamente las demandas de calefacción, por lo que es importante controlar este aspecto en aulas localizadas en este clima.

Superficie vidriada La superficie vidriada es un parámetro relativamente significativo, donde la solución más recomendable es de 23% de superficie vidriada, que disminuye la demanda de iluminación.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Infiltración

Tipo de vidrio Se puede observar que la mejor solución desde el punto de vista del tipo de vidrio es el vidrio doble Low-e, ya que disminuye las demandas de calefacción. Sin embargo, el vidrio doble representa también una buena opción en este contexto.

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201

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

3.11.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según esto, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Puerto Montt que se observa en la Figura 3.19.

La mejor solución para Puerto Montt corresponde a un aula orientada hacia el norte; localizada en el primer piso; con una envolvente K; una superficie vidriada de 23% (12,4 m2) y vidrio doble Low-e; y con niveles de infiltración de 0,5 ach. Esta solución tiene una demanda energética total de sólo 5,62 kWh/ m2 año.

Figura 3.19: aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Puerto Montt 202

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las demandas de calefacción a través de estrategias muy bien definidas, tal como la protección térmica de la envolvente, incluyendo los vidrios, y el control de la infiltración.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona sur litoral (b) Puerto Montt Recomendaciones de: Envolvente térmica.

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Si observamos las recomendaciones por orientación y agrupamiento en Figura 3.20, podemos observar que estas no sufren variaciones, ya que en este clima lo esencial es minimizar

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.20: aula tipo con parámetros de diseño óptimos por orientación para Puerto Montt

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3.12 Zona Sur Extremo – Punta Arenas 3.12.1 Características climáticas de la Zona Sur Extremo Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

Esta zona posee un clima mediterráneo, donde existen variaciones climáticas considerables dentro del territorio abarcado por la misma zona, generándose distintos microclimas. El clima es especialmente marítimo en las zonas bajas, caracterizado por temperaturas frías a muy frías y altas precipitaciones a lo largo de todo el año, especialmente en el norte de la zona, las que disminuyen en intensidad hacia el sur y de oeste a este. La oscilación diaria de temperaturas es baja tanto en verano como en invierno. Las zonas altas presentan nieve y heladas frecuentes, sobre todo hacia el sur de la zona, donde además se presentan vientos intensos. En general los veranos son cortos y la nubosidad casi permanente, los vientos predominantes son de componente sur y oeste. La radiación solar es moderada en verano y muy baja en invierno. El suelo y el ambiente son muy húmedos y la vegetación robusta. A continuación se presenta un análisis climático de Punta Arenas, ciudad que representa al clima de la zona Sur Extremo.

3.12.2 El clima de Punta Arenas Punta Arenas se emplaza a 53°8’ de latitud sur y 70°53’ de longitud oeste, y sólo a 3 metros de altitud promedio sobre el nivel del mar. El clima asociado a esta ciudad se denomina continental transandino con degeneración esteparia, caracterizado por el predominio de temperaturas frías, alta humedad y precipitaciones moderadas, distribuidas en forma homogénea a lo largo del año, sin sobrepasar por lo general 300mm de agua caída anuales.

[Fuente: Proyecto MINEDUC/UNESCO]

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Gráfico 3.58: Variación mensual de la temperatura en Punta Arenas. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile].

La humedad relativa del aire varía desde un 70% promedio en los meses de verano a 84% promedio en los de invierno, oscilación que puede apreciarse en el Gráfico 3.59.

Gráfico 3.59: Variación mensual de la Humedad Relativa en Punta Arenas. [En base a datos obtenidos de software Meteonorm]

Diseño Pasivo de Aula Tipo por Zona Climática

La oscilación de las temperaturas es baja tanto diaria como anualmente. En invierno las máximas son ligeramente inferiores a 5°C promedio, mientras que la mínima media es ligeramente inferior a 0°C, presentando un régimen térmico muy homogéneo. Las mínimas extremas anuales se registran en junio y julio y son inferiores a -7°C. En verano, la media máxima promedio no supera 15°C, mientras que la media mínima es 6,6°C, aumentando la oscilación térmica respecto al invierno. Las máximas extremas anuales se registran entre enero y marzo y superan los 20°C.

Otro aspecto característico del clima de Punta Arenas es la presencia de vientos intensos, predominantemente de componente oeste, que registran velocidades medias superiores a 8,3m/s, lo que ocurre cerca del 50% del total de mediciones anuales, como se observa en el Gráfico 3.60, y en forma constante a lo largo del año. Los vientos del noroeste contabilizan el 19% de las mediciones restantes, registrando también altas intensidades, de 7,2m/s promedio. Gráfico 3.60: Dirección y frecuencia anual del viento en Punta Arenas. [En base a datos de la Dirección Meteorológica de Chile]

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Gráfico 3.61: Demanda energética promedio para 10% menor, medio y mejor desempeño para Punta Arenas

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En Punta Arenas existe un energética, ya que un diseño que considera una envolvente térmica, bajos

orientación norte, disminuye sustancialmente las demandas de calefacción del aula.

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A través de la simulación térmica dinámica, se analizó la influencia de los distintos parámetros de diseño sobre las demandas energéticas totales, incluyendo calefacción, refrigeración e iluminación. El Gráfico 3.61 ilustra la curva de demandas energéticas totales para las 4.800 aulas simuladas, donde se destacan y caracterizan el grupo correspondiente al 10% de aulas con mayor demanda (peor desempeño); el 10% con demanda media; y el 10% con menor demanda (mejor desempeño). El gráfico demuestra que en Punta Arenas, la curva de demanda energética disminuye muy significativamente desde el aula con peor desempeño (mayor demanda) a aquella con mejor desempeño (menor demanda), lo que permite concluir que en este clima, existen importantes oportunidades de eficiencia energética a través de decisiones de diseño, tal como la protección térmica de la envolvente, infiltración, orientación, tipo de vidrio y superficie vidriada. Al caracterizar y comparar

las características comunes del grupo de aulas con peor desempeño con aquellas de mejor desempeño, podemos observar que un aula orientada al sur, con una envolvente poco aislada (A), un nivel de infiltración alto (2,5 ach), superficies vidriadas pequeñas (11%) y vidrio simple, genera demandas de calefacción e iluminación altas. Al otro extremo, podemos observar que un aula orientada al norte, con una envolvente aislada (K), niveles de infiltración bajos (0,5 ach), con superficies vidriadas de 23% y vidrio doble Low-e, genera demandas energéticas considerablemente más bajas, tanto de calefacción como iluminación. El Gráfico 3.62 ilustra la influencia de los parámetros sobre las diferencias de demanda, donde se puede observar que en Punta Arenas, por lejos el parámetro más significativo es la infiltración. Los parámetros menos significativos son la superficie vidriada y el tipo de vidrio. Sin embargo, es importante indicar que en este contexto todos los parámetros son significativos, por lo que las decisiones de diseño influyen de manera fundamental sobre la demanda energética.

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3.12.3 Efecto de los parámetros de diseño en el desempeño energético del aula tipo

Gráfico 3.62: Influencia parámetros de diseño en Punta Arenas

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Los siguientes gráficos ilustran con más detalle la influencia de cada parámetro de diseño sobre las demandas energéticas desagrupadas por calefacción, refrigeración e iluminación. En términos generales, se puede observar que en Punta Arenas las

demandas más significativas son las de calefacción, y en mucho menor medida, las de iluminación. En este contexto no existen requerimientos de refrigeración en aulas escolares.

Gráfico 3.63: influencia de cada parámetro de diseño sobre demanda energética en Punta Arenas Agrupamiento Se puede observar que el aula del segundo piso tiene una demanda de calefacción mayor al aula del primer piso, lo que se debe a las pérdidas de calor a través de la techumbre.

Orientación Se observa que la orientación norte presenta las menores demandas de calefacción e iluminación, por lo que es la más recomendable en el contexto de Punta Arenas, mientras que la orientación oriente sería la menos recomendable, por implicar las mayores demandas.

Tipo de envolvente La envolvente es un parámetro significativo en Punta Arenas, donde se puede observar que el mejoramiento de la envolvente térmica disminuye las demandas de calefacción, que son las más relevantes en este contexto. Debido a esto se puede observar que lo más recomendable es la envolvente K que tiene altos niveles de aislación.

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Se puede observar que la infiltración es el parámetro más relevante en este contexto, donde lo más recomendable sería considerar un estándar de 0,5 ach con el objetivo específico de disminuir la demanda de calefacción. Un nivel de infiltración alto (2,5 ach), aumenta considerablemente las demandas de calefacción, por lo que se debe tener especial cuidado en controlar este aspecto.

Superficie vidriada La superficie vidriada no es un parámetro significativo en el contexto de Punta Arenas en términos de demanda de calefacción, pero si se considera la iluminación, la solución más recomendable sería de 23% de superficie vidriada que permite aprovechar el potencial de iluminación natural.

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Infiltración

Tipo de vidrio La mejor solución desde el punto de vista del tipo de vidrio en el contexto de Punta Arenas es el vidrio doble Low-e, ya que disminuye las demandas de calefacción.

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3.12.4 Diseño del aula tipo El análisis estadístico de los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas permitió además identificar las características comunes del 10% de soluciones con menores demandas energéticas totales. Según esto, se definió el aula tipo con los parámetros de diseño óptimos para Punta Arenas que se observa en la Figura 3.21.

La mejor solución para Punta Arenas corresponde a un aula orientada hacia el norte; localizada en el primer piso; con una envolvente K; una superficie vidriada de 23% (12,4 m2) y vidrio doble Low-e; y con niveles de infiltración de 0,5 ach. Esta solución tiene una demanda energética total de sólo 12,4 kWh/ m2 año.

Figura 3.21: aula tipo con parámetros de diseño óptimos para Punta Arenas

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las demandas de calefacción a través de estrategias muy bien definidas, tal como la protección térmica de la envolvente, incluyendo los vidrios, y el control de la infiltración.

Diseño recomendado del “aula tipo” – Zona sur extremo Punta Arenas Recomendaciones de: Envolvente térmica.

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Si observamos las recomendaciones por orientación y agrupamiento en la Figura 3.22, podemos observar que éstas no sufren variaciones, ya que en este clima lo esencial es minimizar

Orientación recomendada. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

Figura 3.22: aula tipo con parámetros de diseño óptimos por orientación para Punta Arenas

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212

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CapĂtulo 4

DiseĂąos Pasivos del Aula Integral

Diseños Pasivos del Aula Integral 214

4. 1 4 .2 4. 3 4. 4 4. 5

Metodología de análisis y simulación. Aulas integrales: propuesta y resultados. Resultados análisis acústico. Comentarios generales. Alternativas de diseño de aulas integrales.

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Diseños Pasivos del Aula Integral

En el capítulo anterior, se analizaron los efectos que tienen las variables de orientación, envolvente térmica, superficie vidriada, tipo de vidrio e infiltraciones, sobre la demanda energética del aula escolar. Para ello se consideró un aula tipo, de características simples, que permitió generar determinadas recomendaciones de diseño que apuntan a la eficiencia energética, para cada zona climática de Chile. Sin embargo, es importante recordar que la eficiencia energética no es el único objetivo de diseño del aula, ya que ésta debe ir asociada al bienestar de los estudiantes, lo que se expresa en indicadores de confort lumínico, acústico, térmico y de calidad del aire. Debido a esto, en este capítulo se proponen y analizan diversas estrategias de diseño combinadas que apuntan a la eficiencia energética y al confort ambiental, en base a lo que hemos llamado “prototipos de aulas integrales”. Los prototipos de aulas aquí presentados no pretenden constituirse en modelos de diseño a replicar, sino que apuntan a integrar las estrategias de diseño térmico, lumínico, acústico y de ventilación detalladas en el Capítulo 2, en diseños de aulas apropiados a las distintas zonas climáticas de Chile, y analizar sus efectos en base a simulaciones con distintos software. De este modo, las estrategias de iluminación natural propuestas no sólo apuntan a disminuir el consumo de energía eléctrica por iluminación artificial, sino que también a controlar el riesgo de encandilamiento y asegurar una adecuada uniformidad de la luz interior. De la misma forma, las estrategias de ventilación propuestas buscan alcanzar una adecuada calidad del aire interior sin comprometer el confort térmico y la eficiencia energética.

[Fuente: Proyecto Mineduc / Unesco]

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4.1 Metodología de análisis y simulación

Diseño pasivo de “aula integral” Metodología de análisis

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determinación de demanda energética en kWh/m2año, indicadores de iluminación natural e indicadores de desempeño acústico, de prototipos propuestos de “aulas integrales” en Macrozonas climáticas

216

La metodología utilizada contempla el análisis de diferentes diseños de aulas, considerando soluciones para distintas orientaciones y distintas formas de agrupamiento. A pesar de que los resultados de las simulaciones del Capítulo 3 indican que en casi todas las zonas climáticas resulta más recomendable orientar las aulas al norte, en la práctica existen situaciones de diseño que obligan a disponer las aulas en otras orientaciones, por lo que en estos prototipos se presentan soluciones apropiadas a las orientaciones norte, sur, oriente y poniente. Los prototipos de aula N°1 y N°2 se simularon en base a indicadores lumínicos y térmicos, para cada una de las 10 ciudades representativas de las zonas climáticas del país, además de indicadores acústicos que son independientes al clima local. Los prototipos N°3, N°4 y N°5 se presentan como propuestas alternativas. Para desarrollar las propuestas de aulas integrales se zonificó el país en 3 macrozonas; correspondientes a la zona norte, centro y sur, de manera de generar estrategias adaptadas a las condiciones climáticas locales predominantes. De esta manera, las estrategias pasivas de los prototipos para la macrozona norte se centran en enfriamiento por sobre calentamiento, mientras que las estrategias para la macrozona sur se centran en calentamiento por sobre enfriamiento. Además, el diseño consideró los requerimientos del DS560 para establecimientos educacionales que indican que desde el Ñuble al sur, además de la zona Andina, es necesario contar con pasillos cerrados a la intemperie, mientras que al norte los pasillos son abiertos. De acuerdo a esto, los prototipos propuestos para la zona Andina son similares a aquellos de la macrozona sur.

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ZONA NORTE LITORAL, ZONA NORTE DESÉRTICO, ZONA NORTE VALLES TRANSVERSALES

MACROZONA CENTRO

MACROZONA SUR ZONA SUR LITORAL,

ZONA CENTRO LITORAL,

ZONA SUR INTERIOR,

ZONA CENTRO INTERIOR

ZONA SUR EXTREMO, ZONA ANDINA (*) Concepción

Iquique

Valparaíso

Temuco

Calama

Santiago

Puerto Montt Punta Arenas

Copiapó

Colchane (*) Se ha incorporado la zona Andina a la macrozona sur debido a que el DS560 indica que debe tener pasillo cerrado, al igual que los establecimientos educacionales de esta zona.

4.1.1 Metodología de Análisis Térmico El análisis térmico tiene por objetivo determinar las demandas energéticas de calefacción y refrigeración del aula escolar, lo que también se relaciona con estándares de confort térmico interior. El análisis se realizó en base a simulaciones dinámicas realizadas con el software Design Builder, considerando los mismos parámetros de simulación base considerados en el Capítulo 3, con algunas diferencias que se detallan a continuación: • En las simulaciones del aula tipo del Capítulo 3 se consideró un estándar de ventilación de 2ach según lo requerido por el DS 560 del MINEDUC. En las simulaciones de aulas integrales se utilizó un estándar de 5 l/s pp, que equivale aproximadamente a 5ach, recomendado por la literatura internacional. En verano se consideró ventilación adicional por apertura de ventanas de 2ach cuando la temperatura interior supera los 23ºC, de lunes a viernes, entre 8:00 y 16:00 hrs.

59 Macrozonas climáticas: Norte – Centro - Sur

Diseños Pasivos del Aula Integral

MACROZONA NORTE

• Los niveles de infiltración considerados en estas simulaciones fueron de 0,5ach para todas las zonas climáticas del país. Si bien las simulaciones del aula tipo realizadas en el Capítulo 3 resultaron en recomendaciones de mayores niveles de infiltración para algunas ciudades del norte del país debido al potencial de ventilación nocturna para enfriamiento que ello conlleva, en estas simulaciones se optó por el criterio de “construir herméticamente y ventilar correctamente”. De esta manera, las necesidades de enfriamiento se suplen a través de estrategias de ventilación natural generada por elementos y dispositivos especialmente diseñados para este fin, tal como aquellos que se detallan en el Capítulo 2. • Si bien las simulaciones iniciales resultan en recomendaciones de especificar vidrio simple en las

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zonas al norte del país, en las propuestas de aulas integrales se considera doble vidriado hermético por motivos de aislación acústica de fachadas.

Parámetros de simulación térmica – “aulas integrales”

Tabla 4.1: Parámetros de simulación térmica

Calidad del Aire Configuración envolvente

Ubicación

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En base a recomendaciones por zonas climáticas del capitulo 3 Envolvente térmica. Vidrios, tipo y porcentaje de área.

• Las especificaciones de envolvente térmica se deducen de los resultados de las simulaciones iniciales con el aula tipo, por lo que varían a través de las distintas ciudades (Tabla 4.1).

Zona Climática

NVT

Ciudad

Iquique

Calama

Copiapó

Valparaíso

Santiago

Concepción

Temuco

Puerto Montt

Punta Arenas

Colchane

Zona Térmica

ZT 1

ZT 2

ZT 3

ZT 4

ZT 5

ZT 6

ZT 7

Tipo de envolvente A

Valor U Muro (Wm2/°C)

0,8

1,5

0,4

0,3

0,19

1,5

Valor U Piso (Wm2/°C)

3,8

0,8

0,7

0,45

3,8

Valor U Techo (Wm2/°C)

0,84

0,33

0,47

0,6

0,47

0,22

0,18

0,15

0,47

Tipo de vidrio

DVH (*)

DVH

DVH Low-e

DVH

Superficie vidriada fachada principal

23%

20%

Infiltración

0,5ach (**)

0,5 ach (**)

0,5ach

Ventilación base

5 l/s pp

Ventilación adicional verano (Temp. int. ≥ 23°C)

2 ach

(*) Si bien las simulaciones térmicas iniciales indican vidrio simple, por objetivos de aislación acústica se recomienda doble vidriado hermético DVH (**) Si bien las simulaciones iniciales indican mayores niveles de infiltración debido a opción de ventilación nocturna, en este caso se consideró construcción hermética complementada con estrategias de ventilación.

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• Pozo canadiense: para los prototipos de aulas integrales de las macrozonas norte y centro se simuló el efecto de un tubo de intercambiador de calor geotérmico o “pozo canadiense” sobre las demandas de calefacción y refrigeración. Este sistema, que se describe en el Capítulo 2, permite precalentar o enfriar el aire que ingresa, aportando al confort térmico y calidad del aire en el aula. El sistema se simuló con el software EnergyPlus a través del módulo ZoneEarthtube (Earth Tube), donde las condiciones del suelo se determinaron con el programa CalcSoilSurfTemp. Se consideró un tubo de 40cm de diámetro, 30m de longitud, ubicado a 3m de profundidad. • Sistema de recuperación de calor: para los prototipos de aulas integrales de la macrozona sur se simuló el efecto de un sistema de recuperación de calor sobre las demandas de calefacción. Este sistema, que se describe

Figura 4.1: Intercambiador de calor geotérmico o pozo canadiense

Los resultados de la simulación térmica se expresan a través de los siguientes indicadores: • Demanda energética de calefacción (kWh/m2 año) • Demanda energética de refrigeración (kWh/m2 año) • Demanda energética total (kWh/m2 año) Para cada aula se grafican los resultados comparativos entre la situación con y sin sistema de apoyo, considerando pozo canadiense en las macrozonas norte y centro (Figura 4.1); y recuperador de calor en la macrozona sur (Figura 4.2).

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en el Capítulo 2, permite aprovechar el calor del aire que se extrae del aula para precalentar el aire limpio que ingresa del exterior, satisfaciendo además los exigentes requerimientos de ventilación. El sistema se simuló con el software DesignBuilder, a través de la opción HVAC compacto, con una eficiencia del recuperador de calor de 70%.

Además, se consideraron las siguientes estrategias y sistemas:

Figura 4.2: diagrama de resultados térmicos evaluando recuperador de calor

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4.1.2 Metodología de Análisis Lumínico Se realiza un análisis lumínico para diferentes diseños del aula integral propuesta para cada zona climática. Para éste se utilizan los indicadores presentados en Capítulo 2.3, tales como la iluminancia, factor de luz día y uniformidad, incorporando además otros indicadores complementarios como la autonomía de luz día, la superficie en los rangos esperados de iluminancia y la demanda energética para efectos de iluminación artificial. Todos estos indicadores se expresan en diagramas para cada caso analizado. El arquitecto puede utilizar estos diagramas para identificar patrones que permitan prever algunos resultados y poder así generar una base que apoye al diseño de las estrategias de iluminación de un aula escolar. Para orientar la selección de estrategias que permitan alcanzar los objetivos de iluminación natural propuestos para el aula, esta guía identifica a cada indicador, resumiéndolo en un diagrama codificado con colores, un “diagrama de torta” (ver Figura 43), que integra seis indicadores con sus valores objetivo para guiar un buen diseño de iluminación natural.

Figura 4.3: Diagrama de torta con los seis indicadores.

El diagrama fue dividido en seis segmentos, donde cada segmento está asociado a un indicador y a su respectiva métrica. Éste nos permite resumir y comprender rápidamente los resultados anuales obtenidos al utilizar las diferentes estrategias de iluminación propuestas. La lectura del diagrama propuesto se realiza mediante el uso del color, donde los colores cercanos al verde indican que se cumple plenamente con el objetivo propuesto, mientras que a medida que el indicador se acerca al rojo se genera una advertencia respecto a la improbabilidad de que este objetivo se cumpla utilizando la estrategia analizada. El arquitecto o diseñador puede comparar cada uno de los diseños y en las diferentes orientaciones presentadas. Ésta es una herramienta conceptual que permite tener un acercamiento del alcance obtenido por cada indicador como resultado de una determinada estrategia en un clima definido.

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Parámetros base de las simulaciones condiciones de luz exterior más favorable y más desfavorable, para cada una de las 10 ciudades analizadas en esta guía, concibiéndose de la siguiente manera:

• Iquique, Calama, Copiapó y Colchane:

Cielo intermedio Cielo despejado

• Valparaíso, Santiago, Concepción, Temuco, Puerto Montt y Punta Arenas:

Cielo nublado Cielo despejado

Se calcularon los valores de iluminancia (luxes) en cada punto de una grilla horizontal de 12 puntos ubicada a 70 centímetros del suelo, correspondiente al plano de trabajo de los estudiantes, distribuida simétricamente en esta área (ver Figura 44). Se simularon tres días representativos: 21 de marzo/ septiembre (equinoccio), 21 de junio (solsticio de invierno) y 21 de diciembre (solsticio de verano); evaluándose a las 9:00 am, 12:00 pm y 15:00 pm para tener un panorama del comportamiento lumínico a lo largo de la jornada escolar.

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Para realizar la evaluación lumínica de las diferentes estrategias propuestas se utilizó el software RADIANCE, que permite simular en diferentes condiciones de cielo: nublado, intermedio y despejado. El objetivo fue conocer el comportamiento con las

Se obtuvo el rendimiento de cada modelo (estrategia) durante los nueve momentos representativos, simulados en las condiciones de cielo explicadas anteriormente. Los datos obtenidos de cada punto de la grilla se utilizaron como entrada para la evaluación de los diferentes indicadores que se explican detalladamente en la siguiente sección. Los resultados entregados en este diagrama corresponden al promedio obtenido a través del año de las simulaciones realizadas. Figura 4.4: Grilla de 12 puntos en el aula de referencia.

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61 Indicadores de simulación lumínica – “aulas integrales”

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Factor luz día. Iluminancia media. Uniformidad. Autonomía del día. Demanda energética de

Factor de luz día El objetivo es que un porcentaje adecuado de la luz natural exterior ingrese al interior del recinto e incida en el plano de trabajo. Es la relación entre la iluminancia exterior sin obstáculos y la iluminancia sobre en el plano de trabajo al interior del recinto (refiérase al capítulo 2). Este indicador es útil para hacer comparaciones rápidas de penetración de la luz del día al interior del recinto en las condiciones de cielo más desfavorables, es decir, bajo condiciones de cielo cubierto (nublado), por lo que no aplica para otros tipos de cielos. Se considera que si el FLD es menor a 2%, se necesitará iluminación artificial para alcanzar el confort visual. En el otro extremo, cuando el FLD sea mayor al 20%, se tendrán iluminancias extremadamente altas, con el consecuente riego de deslumbramiento. En un nivel de

desempeño intermedio se ubica un FLD entre 2–5%, que indica que la iluminación natural es suficiente, aunque pudiese ser requerida la utilización de iluminación artificial. Asimismo, un FLD entre 10-20% se considera un buen nivel de iluminación, pero podrá existir riesgo de deslumbramiento. Finalmente, el rango óptimo se ubica entre 5-10%, valores que indican que el plano de trabajo se encuentra bien iluminado y que, por lo tanto, no se requiere iluminación artificial en el recinto. Factor de luz día = 0% = “No Aplica” (para ese tipo de cielo).

indicador

unidad

FLD

>20%

2%-5%

10%-20%

5%-10%

<2%

Iluminancia media El objetivo es entregar una cantidad de luz natural suficiente para realizar las diferentes tareas visuales dentro del aula. Se evalúa la iluminancia media sobre el plano de trabajo de los estudiantes en los 12 puntos analizados. Este indicador nos permite conocer los niveles de iluminación natural disponibles para realizar las tareas visuales en el aula, y así evaluar la idoneidad de la estrategia de iluminación natural utilizada. De este modo, cuando se obtengan iluminancias medias bajo los 200 lux (rojo), será difícil trabajar sin iluminación artificial complementaria. Por el contrario, cuando se obtengan valores excesivos de iluminancia, es decir, sobre los 5000 lux (naranja oscuro), existirá el riesgo de deslumbramiento, lo que nos indica que la superficie de ventanas del aula pudiese ser excesiva.

222

Consecuentemente, iluminancias medias entre 2000-5000 lux indican que tenemos demasiada luz natural sobre el plano de trabajo, por lo que se requiere aplicar alguna medida de control solar, mientras que iluminancias medias entre 200-300 lux indican que existirán niveles de iluminación bajos en ciertas épocas del año, por lo que deberemos revisar el tamaño de las ventanas y el tipo de vidrio a utilizar. Finalmente, iluminancias entre 300-2000 lux indican que tenemos luz natural suficiente para realizar las tareas comunes del aula escolar, sin necesidad de utilizar iluminación artificial para tal fin.

indicador

unidad

Iluminancia promedio

lux

<200 lux

>5000

200-300

2000-5000

300-2000

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Superficie en rango

Este indicador muestra el porcentaje de superficie (área) dentro del aula que se encuentra en el rango de iluminancia definida como “adecuada” para las tareas visuales, es decir, entre 3002000 lux. Una alta cobertura (>80%) indica que la mayor parte del aula recibe una cantidad adecuada de luz natural, mientras que una baja cobertura (<20%) indica que gran parte del aula

tiene zonas que están insuficientemente iluminadas. Los valores entre una baja cobertura y una amplia cobertura se escalaron gradualmente para indicar en qué porcentaje nos acercamos al objetivo de diseño.

indicador

unidad

Superficie en rango

% de la sala

<20%

20%-40%

40-60%

60-80%

>80%

Uniformidad

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El objetivo es contar con un rango de iluminación natural adecuado, evitando áreas dentro del aula con bajos niveles de iluminancia.

El objetivo es conseguir una iluminación natural correctamente equilibrada en el área de trabajo. Se debe conseguir una iluminación donde no haya variaciones importantes para las tareas visuales. Un nivel muy alto puede conducir a problemas de percepción, y niveles muy bajos puede conducir a contrastes que pueden causar fatiga visual e incomodidad.

El color verde indica una relación de uniformidad que permite un adecuado contraste con iluminación natural, el color rojo indica que existen zonas con demasiado contraste que dificultan el rendimiento visual. Entre el rojo y verde se escala graduando los niveles uniformidad.

indicador

unidad

uniformidad

< 0.2

0.2 - 0.3

0.3 - 0.4

0.4 - 0.5

> 0.5

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223

Autonomía del día

Diseños Pasivos del Aula Integral

El objetivo es lograr una adecuada autonomía respecto del uso de la luz artificial de apoyo. La autonomía de la luz del día en un aula se define como la fracción de los tiempos ocupados durante el año cuando el nivel de iluminancia mínima deseada en el aula puede ser mantenida “sólo” por luz natural. Se define para este caso una iluminancia mínima de 300 lux (DA300) de acuerdo a las recomendaciones internacionales y nacionales. El color verde indica que tenemos una alta autonomía de luz natural, es decir, un alto porcentaje de tiempo donde la luz natural es suficiente para alcanzar el confort visual y, como

indicador

unidad

% de tiempo <20%

consecuencia, se tiene un alto potencial de ahorro de energía. Por el contrario, el color rojo indica que la mayor parte del tiempo no podremos lograr los niveles mínimos de iluminancia deseada utilizando sólo iluminación natural, y tendremos por lo tanto un bajo potencial de ahorro de energía. Los valores entre el verde y el rojo se escalan en relación al porcentaje de autonomía de luz natural a través del año.

20% - 40%

40 -60%

60 -80%

> 80%

Demanda energética en iluminación El objetivo es reducir los requerimientos energéticos para la iluminación artificial. Este indicador nos permite conocer cual será el requerimiento energético anual para la iluminación artificial considerando el porcentaje de tiempo de ocupación en que se requiere utilizar luz artificial para alcanzar los niveles de iluminancia mínimo requerido (300 lux) en el plano de trabajo. El color verde indica que el aula tendrá una demanda energética de iluminación baja, ya que se utilizará la luz artificial menos de un 20% del período escolar. El color rojo, contrariamente, indica que más de un

224

80% del período escolar se requerirá iluminación artificial para alcanzar el confort visual. De igual manera, se escala entre el rojo y el verde de modo de acercarnos gradualmente a la menor demanda energética posible.

indicador

unidad

demanda

KWh/m2 año

> 12

12 - 9

9-6

6-3

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Los resultados se expresan por estrategia de forma paralela en los dos niveles de piso correspondientes, teniendo un diagrama de torta para cada cielo analizado, siendo éste el resultado de los promedios anuales. Para que el arquitecto pueda reconocer espacialmente la distribución de la luz natural se presenta un “diagrama isolux” escalado de 200 a 3000 lux en cada aula integral para cielo intermedio en el caso de Iquique, Calama, Copiapó y Colchane; y cielo cubierto para las ciudades de Santiago, Valparaíso, Concepción, Temuco, Puerto Montt y Punta Arenas. Todos los “diagrama isolux” corresponden al solsticio de invierno a las 12 hrs.

4.1.3 Metodología de Análisis Acústico El objetivo del análisis acústico es evaluar los prototipos de aulas integrales mediante simulación acústica, para obtener resultados de aislamiento acústico a ruido aéreo y de impacto, de los elementos divisorios y perimetrales del aula; así como el tiempo de reverberación, que indica la inteligibilidad de la palabra al interior del aula. El análisis consiste en cuantificar el aislamiento acústico de los elementos divisorios, tanto horizontales como verticales, determinando los Niveles de Reducción Acústica (R’) y el Nivel de Presión Sonora de Impacto Normalizado (L’n); y la Inteligibilidad de la Palabra, por medio del Tiempo de Reverberación (T). La metodología consistió en: • Simulación del comportamiento acústico referente al aislamiento a ruido aéreo y de impacto para soluciones constructivas utilizando el software INSUL v6.2 que predice el aislamiento de paredes, suelos, techos y ventanas. Sus algoritmos de cálculo corresponden a la aproximación de la ley de la masa y frecuencia de coincidencia, y modelos basados en los trabajos realizados por B.H. Sharp, Cremer y otros.

Figura 4.5: Diagrama “isolux” aula de referencia.

• Para simular acústicamente el recinto en su totalidad, considerando los caminos de transmisión a través de los flancos, se utilizó como herramienta de cálculo el software SONarchitect ISO v2.2.15 (versión profesional), el que permite analizar el comportamiento del aislamiento acústico de un edificio integral, en su etapa de proyecto y construido. El método de cálculo de aislamiento acústico utilizado por el software para transmisión estructural corresponde al detallado en la norma UNE EN 12.354 partes 1 y 2.

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Resultados

• Simulación de las propiedades de absorción sonora del recubrimiento interno del aula mediante el software ZORBA v2.8, el cual es un programa que puede calcular el desempeño acústico de materiales comunes y algunos sistemas simples, tales como absortores ranurados o de listón, recubiertos con paneles, telas u otras soluciones más. El método de cálculo se basa en la obtención de la impedancia acústica y el coeficiente de absorción a incidencia normal y aleatoria. • El comportamiento acústico del aula se obtiene mediante el software de simulación AUTODESK ECOTECT ANALYSIS v2011 (EASE - Enhanced Acoustic Simulator for Engineers,

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62 Indicadores del análisis acústico “aulas integrales”

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elementos constructivos Índice de reducción sonora aparente. Diferencia de niveles normalizada. Nivel de presión sonora de impacto normalizado.

versión 4.3), con su aplicación asociada al Tiempo de Reverberación y Respuesta de Salas. El método de cálculo se basa en los datos de la absorción sonora de los materiales que recubren el aula, considerando sus respectivas superficies, y los parámetros geométricos de la sala, tales como superficie y volumen. Se utilizan tres indicadores para cuantificar de calidad de los elementos constructivos: • El Índice de Reducción Sonora Aparente (R`), cuyo objetivo es cuantificar la pérdida de transmisión sonora de un elemento constructivo. • La Diferencia de Niveles Normalizada (D2m,nT ), cuyo objetivo es cuantificar la pérdida de transmisión sonora de fachadas y elementos de fachadas. Ambos indicadores entregan valores de aislamiento acústico aéreo dependiente de la frecuencia. Al aplicar la Norma ISO 717-1, estos valores se pueden convertir en un número único. • El Nivel de Presión Sonora de Impacto Normalizado (L’n), cuyo objetivo es cuantificar el aislamiento acústico a ruido de impacto. Este indicador entrega valores de aislamiento acústico dependiente de la frecuencia. Al aplicar la Norma ISO 717-2, estos valores se pueden convertir en un número único. • Se utilizan tres indicadores para cuantificar de calidad del acondicionamiento acústico interior del aula, y con esto, la inteligibilidad de la palabra. • Tiempo de Reverberación del recinto sujeto a evaluación, como parámetro de confort acústico. • Porcentaje de Pérdida de Articulación de Consonantes, %ALCons (“Articulation Loss of Consonants”), el cual permite cuantificar el grado de inteligibilidad de la palabra. • Índice de Transmisión de la Palabra, STI (“Speech Transmission Index”), parámetro alternativo que permite cuantificar el grado de inteligibilidad de la palabra.

226

Para evaluar la calidad del aislamiento acústico a ruido aéreo, entre un aula y el exterior, y entre dos aulas, se utilizan las siguientes referencias: • Valores de aislamiento acústico a ruido aéreo entre un recinto y el exterior (fachadas), el artículo 10º de la norma chilena NCh352.Of61 Condiciones acústicas que deben cumplir los edificios, establece un aislamiento acústico mínimo de 35 dB. • Los valores de aislamiento acústico a ruido aéreo entre dos salas de clases (elementos de separación interior) se basan en ANSI S12.60-2002. “Acoustical Performance Criteria, Design Requirements, and Guidelines for Schools”. Para cuantificar el aislamiento acústico, esta norma utiliza el coeficiente STC1, clase de transmisión sonora, el cual corresponde a un índice de número único mediante el cual se cuantifica el aislamiento acústico proporcionado por una partición, ésto es: pared, ventana, puerta, etc. El STC recomendado por esta norma entre dos salas de clases es de 50 dB. • El Nivel de Presión Sonora de Impactos Normalizado, L`n, máximo permitido de losas que separen aulas no deberá ser mayor a 75 dB, de acuerdo a lo establecido en los Términos de Referencias Estandarizados TDRe (DA-MOP, 2012). • El Tiempo de Reverberación se basa en los valores recomendados por la ANSI S12.60-2002, “Acoustical Performance Criteria, Design Requirements, and Guidelines for Schools”, que establece un tiempo de reverberación máximo en función del volumen del aula (Tabla 4.2). 1 El STC, realiza la comparación entre la pérdida de transmisión medida en bandas de 1/3 de octava entre las frecuencias de 125 Hz y 4000 Hz, y una curva patrón. El STC es el valor de la pérdida de transmisión (TL), correspondiente a la banda de 500 Hz de la curva patrón más alta y que cumpla las siguientes condiciones: - Exista una diferencia máxima de 8 dB de TL debajo de la curva patrón de STC. - Las diferencias de los valores de TL en bandas de 1/3 de octava, debajo de la curva patrón de STC, sumen como máximo 32 dB.

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Tabla 4.2: Valores máximos del tiempo de reverberación al interior de los recintos sujetos a evaluación, según el estándar ANSI/ASA S12.60-2010/ Part 1.

TIEMPO MÁXIMO DE REVERBERACIÓN, S, PARA OCTAVAS DE BANDAS 500, 1000 Y 2000 HZ.

Volúmen encerrado < 283 m3

0,6

Volúmen encerrado > 283 m3 y < a 566 m3

0,7

Volúmen encerrado > 566 m

Indicadores del análisis acústico “aulas integrales”

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ESPACIO DE APRENDIZAJE

acondicionamiento acústico interior del aula Tiempo de reverberación. Porcentaje de pérdida de articulación de consonantes. Índice de transmisión de la palabra.

[Fuente: ANSI/ASA S12.60-2010/Part 1]

Tabla 4.3: Pérdida porcentual de articulación de las consonantes (% AlCons).

% AlCons

STI

Valoración Subjetiva

1,4% – 0%

0,88 – 1

Excelente

4,8% – 1,6%

0,66 – 0,86

Buena

11,4% – 5,3%

0,50 – 0,64

Aceptable

24,2% – 12%

0,36 – 0,49

Pobre

46,5% – 27%

0,24 – 0,34

Mala

[Fuente: Carrión, A., 2001]

Tabla 4.4: Parámetros de simulación de aislamiento acústico

Elemento

Detalle elemento constructivo

S (m2)

R` (dBA) L’n (dB)

Muro de hormigón armado, e= 200 mm.

14,6

N/A

Vidrio DVH (termopanel) 4/10/6

12,4

N/A

Muro de hormigón armado, e= 200 mm.

17,4

N/A

Vidrio DVH (termopanel) 4/10/6

7,8

N/A

Puerta acústica de madera

1,8

N/A

Muro divisorio

Muro de hormigón armado, e= 200 mm.

18,0

N/A

Losa divisoria

Muro de hormigón armado, e= 160 mm. c/sobrelosa 15mm.

54,0

Fachada Exterior (S=27,0m2)

Fachada Interior (S=27,0m ) 2

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Tabla 4.5: parámetros de simulación de acondicionamiento acústico

Elemento

Detalle revestimiento interior

Fachada Exterior (S=27,0m ) 2

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Fachada Interior (S=27,0m2)

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S (m2)

Muro de hormigón armado, e= 200 mm.

14,6

Vidrio DVH (termopanel) 4/10/6

12,4

Muro de hormigón armado, e= 200 mm.

17,4

Vidrio DVH (termopanel) 4/10/6

7,8

Puerta acústica de madera

1,8

Muro divisorio

Muro de hormigón armado, e= 200 mm. recubierto con Absortor 18,0 Ranurado sintonizado en 500-1000Hz

Losa divisoria

Muro de hormigón armado, e= 160 mm. c/sobrelosa 15mm.

54,0

Piso

Zona de estudiantes en asientos de madera

42,0

Zona de docente, hormigón armado

12,0

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4.2 Aulas integrales: propuestas y resultados de análisis térmico y lumínico

4.2.1 AULA INTEGRAL N° 1a MACROZONA NORTE (Zonas Norte Litoral, Norte Desértico, Norte Valles Transversales) través de ventanas operables en fachadas, ventanas interiores y la gran abertura que se genera en la parte superior del corredor techado. Además, se propone y analiza un sistema de intercambiador de calor geotérmico, o pozo canadiense, que permite enfriar el aire exterior que ingresa al aula. Los prototipos pueden generar variaciones de diseño de acuerdo al contexto específico.

Modelo propuesto: Aula integral n.˚1 a macrozona norte

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Este prototipo corresponde a un bloque de doble crujía, donde las aulas se orientan al norte y al sur respectivamente. Similares estrategias se pueden aplicar a un bloque de crujía simple en una u otra orientación. En la Figura 4.6 se puede observar que las aulas al norte disponen de repisas de luz interiores y exteriores con el fin de bloquear el ingreso de radiación solar y controlar el encandilamiento. La ventilación natural se logra a

Figura 4.6: Prototipo Aula Integral N°1a - Macrozona Norte

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Gráfico 4.1: Matriz de asoleamiento anual – Prototipo 1 a - Macrozona Norte (Iquique)

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Equinoccio 21 Marzo 9:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 13:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 17:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 9:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 13:00 hrs.

Solsiticio Inv. 21 Junio 17:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 9:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 13:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 17:00 hrs.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte del segundo nivel logra un buen rendimiento con cielo intermedio. Con cielo despejado tenemos un área junto a la ventana con iluminancias altas lo que afecta a la uniformidad y eleva la iluminancia media sobre los 2000 lux. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

El aula sur del segundo nivel, si bien presenta un excelente rendimiento con cielo intermedio, con cielo despejado presenta iluminancias muy altas por lo que no alcanza buena superficie en rango. Presenta una excelente uniformidad. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

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El aula norte del segundo nivel logra un buen rendimiento con cielo intermedio. Con cielo despejado tenemos un área junto a la ventana con iluminancias altas lo que afecta a la uniformidad y eleva la iluminancia media sobre los 2000 lux. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte con cielo intermedio presenta un buen rendimiento, pero con cielo despejado debemos cuidar las iluminancias altas que se producen en la zona junto a la ventana, por lo que se recomienda complementar con alguna estrategia de control solar. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

El aula sur logra un excelente desempeño con cielo intermedio. Con cielo claro tendremos una excelente uniformidad, 100% de autonomía y una baja demanda energética, sin embargo, tendremos de igual manera iluminancias altas en el plano de trabajo. Tienen una demanda energética de calefacción bastante mayor a las aulas norte, que se reduce con la integración del pozo canadiense, pero no significativamente.

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El aula norte del segundo piso resulta tener un muy buen desempeño lumínico, no obstante, no alcanza la uniformidad ideal producto de altas iluminancias, en especial en invierno cuando la incidencia solar es mayor en el plano de trabajo. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense 234

El aula sur tiene un excelente desempeño con cielo intermedio. Con cielo claro, si bien logra una excelente uniformidad, el 100 % del tiempo tiene iluminancias sobre los 2000 lux. No requiere iluminación artificial. Tiene una demanda energética de calefacción bastante mayor a las aulas norte, que se reduce con la integración del pozo canadiense, pero no significativamente.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte con cielo intermedio presenta un buen rendimiento, para el cielo despejado deberemos cuidar las iluminancias altas que se producen en la zona junto a la ventana. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

El aula sur logra un excelente desempeño lumínico con cielo intermedio. Con cielo despejado se obtiene una iluminancia media mayor a 2000 lux y un alto porcentaje del aula con iluminancias muy altas, siempre logrando una excelente uniformidad. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense

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El aula norte con cielo intermedio cuenta una iluminancia media de 938 lux, con más del 90% de la superficie en rango, teniendo un excelente rendimiento. La uniformidad no es alcanzada por altas iluminancias junto a la ventana, como se aprecia en el diagrama isolux. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense. 236

El aula sur alcanza un excelente desempeño con cielo intermedio, sin embargo gran parte del tiempo tenemos iluminancias sobre los 2000 lux, pero uniformemente repartidas como expresa el diagrama. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense

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Este prototipo corresponde a un bloque de doble crujía, donde las aulas se orientan al norte y al sur respectivamente. Similares estrategias se pueden aplicar a un bloque de crujía simple, en una u otra orientación. En la Figura 4.7 se puede observar que las aulas al norte disponen de repisas de luz interiores y exteriores con el fin de bloquear el ingreso de radiación solar y controlar el encandilamiento. La ventilación natural se logra a

través de ventanas operables en fachadas, ventanas interiores y la gran abertura que se genera en la parte superior del corredor techado. Además, se propone y analiza un sistema de intercambiador de calor geotérmico, o pozo canadiense, que permite enfriar el aire exterior que ingresa al aula. Los prototipos pueden generar variaciones de diseño de acuerdo al contexto específico.

Modelo propuesto: Aula integral n˚1b macrozona centro

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4.2.2 AULA INTEGRAL N° 1b-MACROZONA CENTRO (Zonas Centro Interior y Centro Litoral)

Figura 4.7: Prototipo Aula Integral N°1b - Macrozona Centro

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Gráfico 4.2: Matriz de asoleamiento anual – Prototipo 1b - Macrozona Centro (Santiago)

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Equinoccio 21 Marzo 9:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 13:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 17:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 9:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 13:00 hrs.

Solsiticio Inv. 21 Junio 17:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 9:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 13:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 17:00 hrs.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte con cielo nublado alcanza una buena iluminancia media, sin embargo, tiene algunos puntos con iluminancias bajas junto a la pizarra. Se requiere iluminación artificial. Con cielo despejado aumenta los niveles de luz, disminuyendo el porcentaje de superficie en rango. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración se reducen aproximadamente en un 40% con la incorporación de un pozo canadiense, si bien son demandas bastante bajas incluso sin el pozo canadiense.

El aula sur tiene un buen rendimiento, alcanzando una autonomía de iluminación, la superficie en rango no se alcanza pues existen puntos que tiene baja iluminancia. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración se reducen aproximadamente en un 40% con la incorporación de un pozo canadiense, si bien son demandas bastante bajas incluso sin el pozo canadiense.

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El aula norte tiene excelente aprovechamiento de la luz acercándonos a la uniformidad de objetivo. Con cielo despejado la superficie en rango se reduce, obteniendo iluminancias altas a partir de las 12 horas, requiriendo cortinas para reducir el brillo propio de este cielo. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración se reducen aproximadamente en un 40% con la incorporación de un pozo canadiense, si bien son demandas bastante bajas incluso sin el pozo canadiense. 240

El aula sur tiene un excelente desempeño lumínico, donde sólo una pequeña área no alcanza las iluminancias en rango. Con los dos cielos se logra una excelente uniformidad. Con cielo claro se requieren cortinas para reducir el brillo proveniente del luz del pasillo (lado norte). Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración se reducen aproximadamente en un 40% con la incorporación de un pozo canadiense, si bien son demandas bastante bajas incluso sin el pozo canadiense.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte no alcanza los valores objetivos; en el período invernal se obtienen iluminancias bajas, por lo que se debe complementar con luz artificial. Los días soleados las repisas de luz favorecen una buena iluminación, aumentando la autonomía. La incorporación de un tubo canadiense logra reducir tanto las demandas de calefacción como de refrigeración en aproximadamente un 40%. En este clima se justifica más esta tecnología debido a que las demandas son más importantes que en los climas del norte.

El aula sur logra un mejor rendimiento de la luz, el FLD nos indica que esta estrategia es efectiva para cielo nublado, los días soleados tendremos iluminancias altas pero una excelente uniformidad. La incorporación de un tubo canadiense logra reducir tanto las demandas de calefacción como de refrigeración en aproximadamente un 40%. En este clima se justifica más esta tecnología debido a que las demandas son más importantes que en los climas del norte del país.

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El aula norte logra un excelente desempeño lumínico, donde sólo la uniformidad no es alcanzada. Con cielo despejado se logra una muy alta iluminancia media afectando la superficie en rango, por lo que se debe complementar con mayor control solar. La incorporación de un tubo canadiense logra reducir tanto las demandas de calefacción como de refrigeración en aproximadamente un 40%. En este clima se justifica más esta tecnología debido a que las demandas son más importantes que en los climas del norte.

242

El aula sur con cielo nublado logra un excelente desempeño lumínico. Con cielo despejado se logra una alta iluminancia media afectando la superficie en rango, por lo que se debe complementar con control solar. La incorporación de un tubo canadiense logra reducir tanto las demandas de calefacción como de refrigeración en aproximadamente un 40%. En este clima se justifica más esta tecnología debido a que las demandas son más importantes que en los climas del norte del país.

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Este prototipo corresponde a un bloque de doble crujía, donde las aulas se orientan al norte y al sur respectivamente. En la Figura 4.8 se puede observar que las aulas al norte disponen de repisas de luz interiores con el fin de controlar el encandilamiento, pero permiten el ingreso de radiación solar para aportar ganancias de calor al ambiente. El pasillo interior techado dispone de ventanas y celosías en la parte superior que

permiten que la luz natural llegue al interior de las aulas a través de pozos de luz en los corredores, que también permiten la ventilación convectiva en verano. Para el invierno se propone y analiza un sistema de recuperador de calor que permite realizar las renovaciones de aire necesarias utilizando el calor del aire extraído para precalentar el aire exterior que ingresa.

Modelo propuesto: Aula integral n˚1c macrozona sur

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4.2.3 AULA INTEGRAL N° 1c – MACROZONA SUR (Zonas Sur Litoral, Sur Interior, Sur Extremo y Andina)

Figura 4.8: Prototipo Aula Intgral N°1c – Macrozona Sur

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Gráfico 4.3: Matriz de asoleamiento anual – Prototipo 1 c - Macrozona Sur (Punta Arenas)

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Equinoccio 21 Marzo 9:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 13:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 17:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 10:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 13:00 hrs.

Solsiticio Inv. 21 Junio 16:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 9:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 13:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 17:00 hrs.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte con repisa interior permite lograr un excelente FLD e iluminancia media, aunque podemos ver que la estrategia no es suficiente para iluminar sólo con luz natural. La demanda energética de calefacción es bastante baja en esta aula, pero la incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 80%, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación.

El aula sur, si bien logra una amplia cobertura, existe casi un 30% de su superficie que tendrá iluminancias bajas con cielo cubierto. Con cielo despejado logra un excelente desempeño, aunque requiere control solar cerca del solsticio de verano. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 80% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que también suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional.

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El aula norte no logra una buena uniformidad, ya que hay mucha luz junto a la ventana y baja en la zona alejada. Con cielo despejado disminuye la iluminancia media y la cobertura por los altos niveles de luz, se requiere mayor control. La demanda energética de calefacción es bastante baja en esta aula, pero la incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de más de un 80%, lo que es muy significativo, sobre todo si se considera que además suple las necesidades de ventilación.

246

El aula sur logra un FDL e iluminancia media excelente, sin embargo, se presentan problemas de iluminancias bajas durante el período. Con cielo despejado logramos una excelente uniformidad y autonomía, a pesar de tener iluminancias altas junto al pasillo. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de más de un 70% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobre todo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte presenta una baja cobertura de la iluminancia en rango, junto al pasillo durante el período invernal tendremos bajos niveles de luz afectando la uniformidad. Con cielo claro las iluminancias se elevan y se requiere de un control solar complementario. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de más de un 70% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobre todo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional.

El aula sur logra una excelente FLD e iluminancia media durante el año. Además mejora la cobertura de la iluminancia en rango. Con cielo despejado se logra un mejor rendimiento e uniformidad, teniendo una baja cobertura durante el período invernal. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de más de un 70% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobre todo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional

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El aula norte tiene una zona del aula con iluminancias bajas durante el invierno. No se logra una buena uniformidad, la luz que penetra por el pasillo no es suficiente para compensar la distribución de la luz. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de más de un 80% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobre todo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional. 248

El aula sur con cielo nublado logra un excelente aprovechamiento de la luz exterior y buena iluminancia media, pero no se logra una autonomía de luz día. Con cielo despejado obtenemos una excelente uniformidad y autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 70% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobre todo si se considera que además suple las necesidades de ventilación.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte con cielo nublado logra un excelente aprovechamiento de la luz natural, excelente iluminancia media, sin embargo, en invierno tendremos iluminancias bajas junto al pasillo. Con cielo claro se requiere de un control mayor de la luz incidente al interior. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de casi un 90% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional.

El aula sur alcanza para los dos tipos de cielos una buena iluminancia media, sin embargo no logra una buena cobertura. La luz indirecta del pasillo con cielo nublado no es suficiente para lograr una buena uniformidad. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de más de un 80% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional.

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El aula norte no alcanza una buena autonomía por lo que las estrategias propuestas no logran una buena uniformidad con cielo cubierto. Con cielo despejado mejora la autonomía, pero los demás indicadores decrecen por las iluminancias altas. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 90% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional. 250

El aula sur con cielo cubierto tiene iluminancias bajas junto al pasillo, afectando la autonomía. Con cielo claro mejora la autonomía y se logra una excelente uniformidad. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 70% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Con la incorporación de este sistema, estas aulas sur pudiesen requerir de calefacción adicional en algunas ocasiones puntuales.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte alcanza una excelente iluminancia media y FDL, sin embargo, no logra una buena cobertura, tendremos áreas con iluminancias bajas. Con cielo claro mejora la autonomía pero la uniformidad empeora. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 70% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Es posible que aún con la incorporación de este sistema se requiera calefacción adicional en algunas ocasiones puntuales.

El aula sur, si bien tiene una buena uniformidad, no logra una buena cobertura, ya que tendremos una baja autonomía elevando las necesidades de iluminación artificial. Con cielo claro tendremos una excelente uniformidad y una mayor autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 70% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, considerando que además suple las necesidades de ventilación. Es posible que aún con la incorporación de este sistema se requiera calefacción adicional en estas aulas en algunas ocasiones puntuales.

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251

Diseños Pasivos del Aula Integral

El aula norte del segundo piso en los dos cielos vemos que la estrategia no logra una buena uniformidad. Con cielo cubierto tenemos mayor superficie en rango, pero una baja autonomía. Por el contrario, con cielo claro se logra una excelente autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 70% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Es posible que aún con la incorporación de este sistema se requiera calefacción adicional en estas aulas en algunas ocasiones puntuales. 252

El aula sur con cielo claro tiene un excelente rendimiento lumínico, ya que tan sólo tenemos una pequeña porción del aula sin iluminancias en rango. Los aportes de luz indirecta del pasillo no son suficientes para lograr una buena cobertura. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 70% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Incluso con la incorporación de este sistema se requiera calefacción adicional en estas aulas orientadas al sur, ya que la demanda alcanza 38,61 kWh/m2 año.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula norte tiene un excelente rendimiento lumínico con cielo cubierto, donde sólo no logra una buena uniformidad. Con cielo despejado la iluminancia media se eleva lo que conlleva a tener iluminancias altas fuera del rango en una parte del aula. Se requieren aplicar otras estrategias de control solar. Las demandas energéticas de esta aula se concentran principalmente en refrigeración, por lo que un recuperador de calor tiene un impacto negativo. El recuperador de calor es recomendable en localidades de la Zona Andina localizadas en el sur de Chile, donde la demanda de calefacción lo justifica.

El aula sur tiene un excelente desempeño en todos los indicadores con cielo intermedio. Con cielo claro tenemos iluminancia altas que afectan la superficie en rango. El recuperador de calor tiene un impacto positivo sobre las demandas de calefacción de las aulas sur, pero éstas son muy bajas como para justificar el sistema. El recuperador de calor es recomendable en localidades de la Zona Andina localizadas en el sur de Chile, donde la demanda de calefacción lo justifica.

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El aula norte con cielo cubierto tiene un excelente rendimiento lumínico. Con cielo despejado, la iluminancia media se eleva, lo que conlleva a un bajo porcentaje de superficie en rango, por lo que se deben aplicar otras estrategias de control solar. Las demandas energéticas se concentran principalmente en refrigeración, por lo que un recuperador de calor tiene un impacto negativo. Debido a esto, en Colchane podría ser más conveniente incorporar un pozo canadiense. El recuperador de calor es recomendable en localidades de la Zona Andina localizadas en el sur de Chile, donde la demanda de calefacción lo justifica. 254

El aula sur tiene un excelente resultado en todos los indicadores con cielo intermedio. Con cielo claro presenta iluminancia altas que afectan la superficie en rango, sin embargo se logra una excelente uniformidad de la iluminación. El recuperador de calor tiene un impacto positivo sobre las demandas de calefacción de las aulas sur, pero éstas son muy bajas como para justificar el sistema. El recuperador de calor es recomendable en localidades de la Zona Andina localizadas en el sur de Chile, donde la demanda de calefacción lo justifica.

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Este prototipo corresponde a un bloque de crujía simple, en el que las aulas se orientan, ya sea al poniente con pasillo al oriente; o bien al oriente con pasillo al poniente. El prototipo se analiza de manera simétrica para ambas orientaciones. En la Figura 4.9 se puede observar que las aulas disponen de un sistema de protecciones solares verticales combinado con repisas de luz horizontales que tienen por objetivo bloquear la radiación solar en estas orientaciones que son las más complicadas por

el ángulo bajo del sol, con lo que se pretende controlar el sobrecalentamiento y el encandilamiento, principalmente, en verano y estaciones intermedias. En la macrozona norte el pasillo es abierto, por lo que las ventanas interiores permiten la ventilación natural de las aulas por efecto del viento y por efecto stack. Se propone también un sistema de intercambiador geotérmico o tubo canadiense para enfriar el aire que ingresa en verano, o bien precalentarlo en invierno.

67 Modelo propuesto: Aula integral n˚2a macrozona norte

Diseños Pasivos del Aula Integral

4.2.4 AULA INTEGRAL N.º 2a – MACROZONA NORTE (Zonas Norte Litoral, Norte Desértico, Norte Valles Transversales)

Figura 4.9: Prototipo Aula Integral N° 2a – Macrozona Norte

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255

Diseños Pasivos del Aula Integral

Gráfico 4.4: Matriz de asoleamiento anual – Prototipo 2 a - Macrozona Norte (Iquique)

256

Equinoccio 21 Marzo 9:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 13:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 17:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 9:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 13:00 hrs.

Solsiticio Inv. 21 Junio 17:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 9:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 13:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 17:00 hrs.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer nivel logra un excelente rendimiento lumínico con cielo intermedio. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva disminuyendo la superficie en rango. Esta estrategia ofrece una excelente autonomía de luz natural. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

El aula oriente del segundo piso logra con cielo intermedio un excelente rendimiento lumínico, logrando el objetivo de diseño en todos los indicadores. Con cielo despejado las iluminancias se elevan pero la uniformidad de la iluminación se mantiene en el objetivo de diseño. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

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El aula poniente del primer nivel logra una excelente iluminancia promedio y superficie en rango. Sin embargo, no se alcanza la autonomía de objetivo, se producen iluminancias bajas en la zona junto al pasillo en ciertos momentos. Con cielo despejado la iluminancia promedio se eleva, disminuyendo la superficie en rango. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense. 258

El aula poniente del segundo piso logra con cielo intermedio un excelente rendimiento lumínico y la uniformidad astá casi alcanzada. Con cielo despejado las iluminancias se elevan, afectando el porcentaje de superficie en rango. Esta estrategia logra una excelente uniformidad de la iluminación para este cielo. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer nivel con cielo intermedio alcanza una excelente iluminancia promedio y superficie en rango. La uniformidad y autonomía no son alcanzadas; se requerirá luz artificial. Con cielo despejado se eleva la autonomía y mejora la uniformidad. Tienen una demanda energética de calefacción bastante mayor a las aulas norte, que no se reduce significativamente con la integración del pozo canadiense. Se concluye que la protección solar propuesta podría ser móvil para aprovechar las ganancias solares en invierno.

El aula oriente del segundo piso logra con cielo intermedio un excelente rendimiento lumínico, con una uniformidad que se acerca al objetivo de diseño. Con cielo despejado las iluminancias se elevan pero la uniformidad de la iluminación se mantiene, siendo una excelente estrategia de iluminación. Tienen una demanda energética de calefacción bastante mayor a las aulas norte, que no se reduce significativamente con la integración del pozo canadiense. Se concluye que la protección solar propuesta podría ser móvil para aprovechar las ganancias solares en invierno.

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259

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El aula poniente del primer nivel logra un excelente rendimiento lumínico con cielo intermedio. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva, disminuyendo la superficie en rango. Ésta ofrece una excelente autonomía de luz natural. Tienen una demanda energética de calefacción bastante mayor a las aulas norte, que se reduce con la integración del pozo canadiense, pero no significativamente.

260

El aula poniente del segundo piso con cielo intermedio logra un excelente rendimiento lumínico, logrando el objetivo en todos los indicadores. Con cielo despejado las iluminancias se elevan, afectando el porcentaje de superficie en rango pero manteniendo una excelente uniformidad de la iluminación. Tienen una demanda energética de calefacción bastante mayor a las aulas norte, que se reduce con la integración del pozo canadiense, pero no significativamente.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer nivel, con cielo intermedio alcanza un excelente rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva, disminuyendo la superficie en rango. Ésta ofrece una excelente autonomía de luz natural y uniformidad. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

El aula oriente del segundo piso con cielo intermedio logra un excelente rendimiento lumínico, logrando el objetivo en todos los indicadores. Con cielo despejado las iluminancias se elevan pero la uniformidad de la iluminación se mantiene, siendo una excelente estrategia de iluminación. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son más significativas que en el primer piso, pero no se justifica la incorporación de un pozo canadiense. Se concluye que la protección solar propuesta podría ser móvil para controlar las ganancias de calor versus iluminación.

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El aula poniente del primer nivel logra un excelente rendimiento lumínico con cielo intermedio. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva, disminuyendo la superficie en rango afectando la uniformidad, por lo que se requiere incrementar el control solar. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

262

El aula poniente del segundo piso con cielo intermedio logra un excelente rendimiento lumínico. Con cielo despejado las iluminancias se elevan, afectando el porcentaje de superficie en rango, por lo que se requiere aplicar estrategias de mayor control solar. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son muy poco significativas, por lo que no se justifica la incorporación de un pozo canadiense.

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Este prototipo corresponde a un bloque de crujía simple, donde las aulas se orientan, ya sea al poniente con pasillo al oriente; o bien al oriente con pasillo al poniente. El prototipo se analiza de manera simétrica para ambas orientaciones. En la Figura 4.10 se puede observar que las aulas disponen de un sistema de protecciones solares verticales combinado con repisas de luz horizontales que tienen por objetivo bloquear la radiación solar en estas orientaciones que son las más complicadas por el ángulo bajo del sol, con lo que se pretende controlar

el sobrecalentamiento y el encandilamiento, principalmente en verano y estaciones intermedias. En esta macrozona el pasillo es abierto, por lo que las ventanas interiores permiten la ventilación natural de las aulas por efecto del viento. Se propone también un sistema de intercambiador geotérmico o tubo canadiense para enfriar el aire que ingresa en verano, o bien precalentarlo en invierno. El aula superior dispone de una ventana alta con vidrio traslúcido y difusor de luz, que debiese ser operable para permitir la ventilación por efecto stack.

68 Modelo propuesto: Aula integral n˚2b macrozona centro

Diseños Pasivos del Aula Integral

4.2.5 AULA INTEGRAL N.º 2b – MACROZONA CENTRO (Zonas Centro Interior y Centro Litoral)

Figura 4.10: Prototipo Aula Integral N°2b – Macrozona Centro

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Diseños Pasivos del Aula Integral

Gráfico 4.5: Matriz de asoleamiento anual – Prototipo 2b - Macrozona Centro (Santiago)

264

Equinoccio 21 Marzo 9:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 13:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 17:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 9:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 13:00 hrs.

Solsiticio Inv. 21 Junio 17:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 9:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 13:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 17:00 hrs.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer piso con cielo nublado alcanza un excelente iluminancia media sin lograr los objetivos en los demás indicadores. Con cielo cubierto esta estrategia no es efectiva. Con cielo despejado la iluminancia promedio se eleva, disminuyendo la superficie en rango. Ésta ofrece una excelente autonomía de luz natural y uniformidad. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración se reducen aproximadamente en un 20% con la incorporación de un pozo canadiense, si bien son demandas relativamente bajas incluso sin el pozo canadiense.

El aula oriente del segundo piso con cielo nublado logra un excelente rendimiento lumínico. Con cielo despejado las iluminancias se elevan afectando la superficie en rango, por lo que se requiere mayor control solar. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración se reducen aproximadamente en un 20% con la incorporación de un pozo canadiense, lo que resulta conveniente al considerar que la demanda de esta aula es mayor que las del primer piso. Se concluye que la protección solar propuesta podría ser móvil para aprovechar las ganancias solares en invierno.

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265

Diseños Pasivos del Aula Integral

El aula poniente del primer nivel con cielo nublado no logra un buen rendimiento lumínico. Con cielo despejado la iluminancia promedio se eleva y mejora la autonomía. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración se reducen aproximadamente en un 20% con la incorporación de un pozo canadiense, si bien son demandas relativamente bajas incluso sin el pozo canadiense.

266

El aula poniente del segundo piso con cielo nublado logra un excelente rendimiento lumínico, con una pequeña disminución en la autonomía. Con cielo despejado las iluminancias se elevan, afectando el porcentaje de superficie en rango. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración se reducen aproximadamente en un 20% con la incorporación de un pozo canadiense, es conveniente considerar que la demanda de ésta es mayor que las del primer piso.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer nivel, con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva, disminuyendo la superficie en rango. Ésta ofrece una excelente autonomía de luz natural. La incorporación de un tubo canadiense logra reducir tanto las demandas de calefacción como de refrigeración en aproximadamente un 30%. En este clima se justifica más esta tecnología debido a que las demandas son más importantes que en los climas del norte del país.

El aula oriente del segundo piso con cielo nublado logra un excelente rendimiento lumínico, con una pequeña disminución en la autonomía. Con cielo despejado las iluminancias se elevan y la uniformidad se mantiene. La incorporación de un tubo canadiense logra reducir tanto las demandas de calefacción como de refrigeración en aproximadamente un 20%. En este clima se justifica más esta tecnología debido a que las demandas son más importantes que en los climas del norte del país.

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Diseños Pasivos del Aula Integral

El aula poniente del primer nivel con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva y además mejora la autonomía. La incorporación de un tubo canadiense logra reducir tanto las demandas de calefacción como de refrigeración en aproximadamente un 30%. En este clima se justifica más esta tecnología debido a que las demandas son más importantes que en los climas del norte del país.

268

El aula poniente del segundo piso con cielo nublado logra un excelente rendimiento lumínico, con una pequeña disminución en la autonomía. Con cielo despejado las iluminancias se elevan afectando el porcentaje de superficie en rango. La incorporación de un tubo canadiense logra reducir tanto las demandas de calefacción y de refrigeración en aproximadamente un 20%. Se justifica más esta tecnología, ya que las demandas son más mayores que en los climas del norte.

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Este prototipo corresponde a un bloque de crujía simple, donde las aulas se orientan ya sea al poniente con pasillo al oriente; o bien al oriente con pasillo al poniente. El prototipo se analiza de manera simétrica para ambas orientaciones. En la Figura 4.11 se puede observar que las aulas disponen de un sistema de protecciones solares verticales combinado con repisas de luz horizontales que tienen por objetivo bloquear la radiación solar en estas orientaciones que son las más complicadas por el ángulo bajo del sol, con lo que se pretende controlar el sobrecalentamiento y el encandilamiento, principalmente cerca

del verano. En estas zonas el pasillo debe ser cerrado, por lo que el aula del primer piso dispone de ventanas interiores para recibir luz natural desde ambas fachadas. El aula superior dispone de una ventana alta con vidrio traslúcido y difusor de luz, que debiese ser operable para permitir la ventilación por efecto stack. Para el invierno se propone y analiza un sistema de recuperador de calor que permite realizar las renovaciones de aire necesarias utilizando el calor del aire extraído para precalentar el aire exterior que ingresa.

69 Modelo propuesto: Aula integral n˚2c macrozona sur

Diseños Pasivos del Aula Integral

4.2.6 AULA INTEGRAL N° 2c – MACROZONA SUR (Zonas Sur Litoral, Sur Interior, Sur Extremo y Andina)

Figura 4.11: Prototipo Aula Integral N°2c – Macrozona Sur.

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Diseños Pasivos del Aula Integral

Gráfico 4.6: Matriz de asoleamiento anual – Prototipo 2c - Macrozona Sur (Punta Arenas)

270

Equinoccio 21 Marzo 9:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 13:00 hrs.

Equinoccio 21 Marzo 17:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 10:00 hrs.

Solsticio Inv. 21 Junio 13:00 hrs.

Solsiticio Inv. 21 Junio 16:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 9:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 13:00 hrs.

Solsticio Ver. 21 Diciembre 17:00 hrs.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer nivel, con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva y alcanza una excelente autonomía de luz. La demanda energética de calefacción es relativamente baja en esta aula, pero la incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 80% lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de calefacción adicional.

El aula oriente del segundo piso con cielo nublado logra un buen rendimiento, con una disminución en la autonomía y superficie en rango. Con cielo despejado las iluminancias se elevan y alcanza una excelente autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 50% en la demanda de calefacción, siendo significativo, considerando que suple las necesidades de ventilación. Es posible que con su incorporación se requiera calefacción adicional en ocasiones puntuales.

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271

Diseños Pasivos del Aula Integral

El aula poniente del primer nivel con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva y mejora la autonomía. La demanda energética de calefacción es relativamente baja en esta aula, pero la incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 80%, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional. 272

El aula poniente del segundo piso con cielo nublado logra un buen rendimiento, con una disminución en la autonomía. Con cielo despejado mejora la uniformidad y la autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 60% en la demanda de calefacción, lo que es significativo considerando que también suple las necesidades de ventilación. Es posible que aún con la incorporación de este sistema se requiera calefacción adicional en algunas ocasiones puntuales.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer nivel, con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva y logra una excelente autonomía. La demanda energética de calefacción es relativamente baja en esta aula, pero la incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 80%, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional.

El aula oriente del segundo piso con cielo nublado logra un buen rendimiento lumínico. Con cielo despejado las iluminancias se elevan y mejora la autonomía, uniformidad. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 75% en la demanda de calefacción, lo que es significativo, considerando que también suple las necesidades de ventilación. Aún con la incorporación de este sistema, es posible que se requiera de calefacción adicional en ocasiones puntuales.

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273

Diseños Pasivos del Aula Integral

El aula poniente del primer nivel con cielo nublado no logra el rendimiento lumínico deseado. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva y además mejora la autonomía y superficie en rango. La demanda energética de calefacción es relativamente baja, pero la incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 80%, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional. 274

El aula poniente del segundo piso con cielo nublado logra un buen rendimiento. Con cielo despejado las iluminancias se elevan afectando el porcentaje de superficie en rango. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 75% en la demanda de calefacción, lo que es significativo, sobretodo si se considera que también suple las necesidades de ventilación. Aún con la incorporación de este sistema, es posible que estas aulas requieran de calefacción adicional.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer nivel con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva, aumentando la superficie en rango y autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de casi un 90% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional en el primer piso.

El aula oriente del segundo piso con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. Con cielo despejado las iluminancias se elevan mejorando la autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 70% en la demanda de calefacción, lo que es significativo si se considera que también suple las necesidades de ventilación.

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275

Diseños Pasivos del Aula Integral

El aula poniente del primer nivel con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva y además mejora la autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de casi un 90% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Si se incorpora este sistema no se requiere de un sistema de calefacción adicional en el primer piso.

276

El aula poniente del segundo piso con cielo nublado logra un buen rendimiento. Con cielo despejado las iluminancias se elevan logrando una excelente autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 70% en la demanda de calefacción, lo que es significativo si se considera que también suple las necesidades de ventilación. .

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer nivel con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. La estrategia de protecciones solares no es apta para este clima. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción un 75% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, sobretodo si se considera que además suple las necesidades de ventilación. Es posible que aún con la incorporación de este sistema se requiera calefacción adicional en estas aulas en algunas ocasiones puntuales.

El aula oriente del segundo piso con cielo nublado logra un mejor rendimiento lumínico, con una disminución en la autonomía. Con cielo despejado las iluminancias se elevan y mejora la autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 60% en la demanda de calefacción. Aún con la incorporación de este sistema, estas aulas del segundo piso requerirán de calefacción adicional.

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Diseños Pasivos del Aula Integral

El aula poniente del primer nivel con cielo nublado no presenta el rendimiento lumínico deseado. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva y además mejora la autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de un 75% en la demanda de calefacción, lo que es muy significativo, considerando que suple las necesidades de ventilación. Es posible que, aún con la incorporación de este sistema se requiera calefacción adicional en algunas ocasiones puntuales . 278

El aula poniente del segundo piso con cielo nublado logra un mejor rendimiento lumínico, requiere complementar con luz artificial. Con cielo despejado las iluminancias se elevan logrando una mejor autonomía. La incorporación de un sistema de recuperación de calor implica una reducción de aproximadamente un 60% en la demanda de calefacción. Aún con la incorporación de este sistema, estas aulas del segundo piso requerirán de calefacción adicional.

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Diseños Pasivos del Aula Integral El aula oriente del primer piso con cielo nublado logra un excelente rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva, logrando una excelente autonomía de luz natural. El recuperador de calor no tiene un impacto significativo sobre las demandas de calefacción de las aulas. El recuperador de calor es recomendable en localidades de la Zona Andina localizadas en el sur de Chile, donde la demanda de calefacción lo justifica.

El aula oriente del segundo piso con cielo nublado logra un excelente rendimiento lumínico. Con cielo despejado las iluminancias se elevan afectando a las superficies en rango. El recuperador de calor no tiene un impacto significativo sobre las demandas de calefacción de las aulas. El recuperador de calor es recomendable en localidades de la Zona Andina localizadas en el sur de Chile, donde la demanda de calefacción lo justifica.

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279

Diseños Pasivos del Aula Integral

El aula poniente del primer nivel con cielo nublado no alcanza un buen rendimiento lumínico. En el caso del cielo despejado la iluminancia promedio se eleva y además mejora la autonomía. El recuperador de calor no tiene un impacto significativo sobre las demandas de calefacción de las aulas. El recuperador de calor es recomendable en localidades de la Zona Andina localizadas en el sur de Chile, donde la demanda de calefacción lo justifica.

280

El aula poniente del segundo piso con cielo nublado logra un excelente rendimiento lumínico, con una pequeña disminución en la uniformidad. Con cielo despejado las iluminancias se elevan afectando el porcentaje de superficie en rango. El recuperador de calor no tiene un impacto significativo sobre las demandas de calefacción de las aulas. El recuperador de calor es recomendable en localidades de la Zona Andina localizadas en el sur de Chile, donde la demanda de calefacción lo justifica.

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4.3 Resultados Análisis Acústico:

Análisis acústico elementos constructivos de aislamiento: 4.34.3.1 Resultados Análisis Acústico:

Fachadas interiores Fachadas exteriores Muros divisórios Losa Cielo

Aislamiento acústico: Muro de fachada exterior Diagrama elemento fachada

Gráfica de diferencia niveles estandarizados

Diseños Pasivos del Aula Integral

Análisis acústico elementos constructivos de aislamiento.

4.3.1 Análisis acústico elementos constructivos de aislamiento

Tabla rango de frecuencia

La razón de superficies de muros y ventanas de termopanel con que cuentan las fachadas de las aulas permiten los propuesto la Norma Chilena NCh354.Of61, cual establece aislamiento acústicoconmínimo Lacumplir razón decon superficies de murospor y ventanas de termopanel con que cuentanellas fachadas de lasun aulas permiten cumplir lo de 35 dB para fachadas. propuesto por la Norma Chilena NCh354.Of61, la cual establece un aislamiento acústico mínimo de 35 dB para fachadas. Nota:LasLas proporciones mostradas el modelo de las referente aulas, referente a ventanas, o cualquier unarrojadas muro, son Nota: proporciones mostradas en el en modelo de las aulas, a ventanas, puertas opuertas cualquier abertura enabertura un muro,enson porarrojadas por defecto por el software de simulación acústica SONarchitect ISO Profesional. defecto por el software de simulación acústica SONarchitect ISO Profesional.

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Aislamiento acústico: Muro de fachada interior Gráfica de diferencia niveles estandarizados

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Diagrama elemento fachada

Tabla rango de frecuencia

La razón de superficies de muros y ventanas de termopanel con que cuentan las fachadas de las aulas permiten cumplir con los propuesto por la Norma Chilena NCh354.Of61, el cual establece un aislamiento acústico mínimo La razón de superficies de muros y ventanas de termopanel con que cuentan las fachadas de las aulas permiten cumplir con los de 35 dB para fachadas. propuesto por la Norma Chilena NCh354.Of61, el cual establece un aislamiento acústico mínimo de 35 dB para fachadas.

Nota:Nota: Las Las proporciones mostradas delas lasaulas, aulas,referente referente a ventanas, puertas o cualquier abertura un son muro, son arrojadas proporciones mostradasen enelel modelo modelo de a ventanas, puertas o cualquier abertura en un en muro, arrojadas por por defecto por el software de simulación acústica SONarchitect ISO Profesional. defecto por el software de simulación acústica SONarchitect ISO Profesional.

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Aislamiento acústico: Muro divisorio Gráfica de diferencia niveles estandarizados

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Diagrama elemento fachada

Tabla rango de frecuencia

El muro divisorio de aulas presenta un aislamiento acústico a ruido aéreo conforme a las exigencias establecidas en el estándar ANSI S12.60-2002, cumpliendo holgadamente con el valor mínimo exigido (50 dB).

Nota: Las proporciones mostradas en el modelo de las aulas, referente a ventanas, puertas o cualquier abertura en un muro, son arrojadas por defecto por el software de simulación acústica SONarchitect ISO Profesional.

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283

Aislamiento acústico: Losa, aislamiento a ruido aéreo Gráfica de diferencia niveles estandarizados

Diseños Pasivos del Aula Integral

Diagrama elemento fachada

Tabla rango de frecuencia

La losa divisoria de aulas presenta un aislamiento acústico a ruido aéreo conforme a las exigencias establecidas en el estándar ANSI S12.60-2002, cumpliendo holgadamente valor mínimoa las exigido (50 establecidas dB). La losa divisoria de aulas presenta un aislamiento acústico acon ruidoel aéreo conforme exigencias en el estándar ANSI S12.60-2002, cumpliendo holgadamente con el valor mínimo exigido (50 dB). Nota: Las proporciones mostradas en el modelo de las aulas, referente a ventanas, puertas o cualquier abertura en un muro, son arrojadas por defecto por el software de simulación acústica SONarchitect ISO Profesional. Nota: Las proporciones mostradas en el modelo de las aulas, referente a ventanas, puertas o cualquier abertura en un muro, son arrojadas por defecto por el software de simulación acústica SONarchitect ISO Profesional.

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Aislamiento acústico: Losa, aislamiento a ruido de impacto Gráfica de diferencia niveles estandarizados

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Diagrama elemento fachada

Tabla rango de frecuencia

La losa divisoria de aulas presenta un aislamiento acústico a ruido de impacto conforme a las exigencias establecidas en los Términos de Referencias Estandarizados, (TDRe DA-MOP 2012), cumpliendo holgadamente con el valor La losa divisoria de aulas presenta un aislamiento acústico a ruido de impacto conforme a las exigencias establecidas en los Términos máximo exigido (75 dB). de Referencias Estandarizados, (TDRe DA-MOP 2012), cumpliendo holgadamente con el valor máximo exigido (75 dB).

Nota: Las proporciones mostradas en el modelo de las aulas, referente a ventanas, puertas o cualquier abertura en un muro, son arrojadas

Nota: Las proporciones mostradas en el modelo de las aulas, referente a ventanas, puertas o cualquier abertura en un muro, son arrojadas por por defecto por el software de simulación acústica SONarchitect ISO Profesional. defecto por el software de simulación acústica SONarchitect ISO Profesional.

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4.3.2 Análisis de acondicionamiento acústico: 4.3.2 Análisis de acondicionamiento acústico:

Ficha Acústica: AULA DOBLE CRIJÍA EN DOS PISOS : 1a/ 1b/ 1c

Ficha Acústica: AULA DOBLE CRIJÍA EN DOS PISOS : 1a/ 1b/ 1c AULA INTEGRAL N°1a

ACÚSTICO

Diseños Pasivos del Aula Integral

Análisis de acondicionamiento acústico: inteligibilidad y reverberación em “aulas integrales” propuestas

Conclusiones: Inteligibilidad de la valorada Palabra Conclusiones: Aula Aula poseeposee Inteligibilidad de la Palabra valorada como “Buena” en el 80% de la superficie como “Buena” en el 80% de la superficie ocupada por los ocupada por los restante estudiantes. 20% restante tiene estudiantes. El 20% tiene El valoración “Excelente”. valoración “Excelente”.

El tiempo de reverberación cumple con el máximo establecido en el estándar ANSI S12.60-2002.

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ACÚSTICO

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AULA INTEGRAL N°1a

Conclusiones: Aula posee Inteligibilidad de la Palabra

Conclusiones: Aula posee Inteligibilidad de la Palabra valorada valorada como “Aceptable” en el 27% de la superficie como “Aceptable” en el 27% de la superficie ocupada por los ocupada por los estudiantes. El 70% restante tiene estudiantes. El 70% restante tiene valoración “Buena”, mientras valoración “Buena”, mientras que sólo un 3% es que sólo un 3% es valorada como “Excelente”.

valorada como “Excelente”.

El tiempo de reverberación no cumple con el máximo establecido en el estándar ANSI S12.60-2002, siendo levemente superior, lo que se traduce principalmente en la calificación de Inteligibilidad de la Palabra mostrada más arriba.

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4.4 Comentarios Generales

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Comentarios generales sobre resultados y recomendaciones de diseño, por macrozona

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4.4.1 Resultados Macrozona Norte (Zonas Norte Litoral, Norte Desértico y Norte Valles Trans-

versales)

En esta macrozona, las demandas energéticas de calefacción y refrigeración son bastante bajas, por lo que la incorporación de un pozo canadiense no genera un efecto significativo. En general, las aulas orientadas al norte con repisas de luz interiores y exteriores tienen el mejor desempeño, con menores demandas energéticas totales, sobretodo en Calama. En Iquique y Copiapó, las estrategias de diseño propuestas, incluye distintas soluciones de protección solar para cada orientación (excepto al sur, donde no son aconsejables), además de estrategias de ventilación natural y envolvente térmica, resultan muy efectivas para lograr disminuir las demandas energéticas. Las estrategias de iluminación propuestas, en general presentan un buen rendimiento lumínico, lo que se refleja en el porcentaje

de la superficie con iluminancias en el rango con cielo intermedio. La tipología N.º 1 de doble crujía con repisa de luz aplicada hacia el norte logra alcanzar una mayor cobertura tanto en el primer y segundo piso. Las aulas sur del segundo piso requieren de algún dispositivo adicional de control solar en las ventanas que se orientan al pasillo (norte), con el fin de controlar la incidencia solar y encandilamiento con cielo despejado. Todas las aulas con cielo despejado requieren algún tipo de control solar bajo la repisa, ya sea cortinas o pantallas móviles, la luz incidente provoca iluminancias muy altas. Las aulas de la tipología N.º 2 logran un buen porcentaje en rango con cielo intermedio. Sin embargo, las del segundo piso deberán considerar estrategias de mayor control solar o utilizar una reflexión menores en los cielos de aula para disminuir la luz incidente dentro de ella.

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4.4.2 Resultados Macrozona Centro (Zonas Centro Litoral y Centro Interior) kWh/m2 año y una demanda de refrigeración menor a 5 kWh/ m2 año, lo que se logra con estrategias de protección solar, envolvente térmica, ventanas con DVH y ventilación natural que permite una renovación de aire de 5 l/s por persona. Las estrategias de iluminación propuestas para esta macrozona presentan un buen rendimiento lumínico reflejado en el porcentaje de la superficie del aula con iluminancias en el rango. La luz difusa del cielo cubierto contribuye a lograr una mayor cobertura. Todas las aulas con cielo despejado requieren algún tipo de control solar bajo la repisa, ya sea cortinas o pantallas móviles, la luz incidente provoca iluminancias muy altas lo que no permite conseguir el objetivo de diseño. En el aula integral N.º 2 se consigue un adecuado control solar con las protecciones solares verticales propuestas. En el segundo piso se requiere complementar con algún dispositivo de control solar o disminuir la transmitancia del vidrio.

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En esta macrozona, las demandas energéticas son más importantes que en la zona norte, por lo que la incorporación de un pozo canadiense resulta recomendable debido a que disminuye tanto las demandas de calefacción como de refrigeración en aproximadamente un 40%. En Valparaíso y Santiago, la tipología N°1 tiene mejor desempeño, tanto en las aulas orientadas al norte con repisas de luz exteriores e interiores, como las orientadas al sur. La tipología N°2, con orientación oriente y poniente obtiene buenos desempeños en el primer piso, pero las aulas del segundo piso tienen altas demandas que se atribuyen a una mayor superficie vidriada por las ventanas altas, lo que implica mayores ganancias y pérdidas de calor, y a un mayor volumen de aire a calefaccionar debido al techo inclinado. Se puede observar que, considerando un pozo canadiense, la mayoría de las aulas propuestas para Santiago tienen una demanda energética de calefacción menor a 10

289

Diseños Pasivos del Aula Integral

4.4.3 Resultados Macrozona Sur (Zonas Sur Litoral, Sur Interior y Sur Extremo)

290

Esta macrozona se caracteriza por sus altas demandas de calefacción, por lo que las aulas requieren de una envolvente térmica de alto estándar, ventanas DVH y Low E; y bajos niveles de infiltración de aire. Con estas estrategias, las demandas sin recuperador de calor son bastante bajas en Concepción, especialmente en la orientación norte, donde bordean los 10 kWh/m2 año. En Temuco, Puerto Montt y Punta Arenas las demandas sin recuperador de calor van en aumento debido a las pérdidas de calor asociadas a la ventilación de 5 l/s por persona requerida para una óptima calidad del aire. Debido a ésto, la incorporación de un sistema de ventilación con recuperación de calor resulta muy eficiente, ya que disminuye las demandas entre 70 y 90%. La orientación norte con repisa de luz interior es la más recomendable en esta zona sur.

Las estrategias de iluminación propuestas para esta macrozona presentan un buen rendimiento lumínico con cielo cubierto, para Concepción y Temuco sobre el 50 % de la superficie del aula se encuentra con iluminancias entre 300 y 2000 lux. En el caso de Puerto Montt y Punta Arenas no se logra el objetivo de diseño, se requiere complementar con iluminación artificial en especial en la época invernal. En el caso de la tipología n.º 1 de doble crujía ubicadas en el primer piso norte deberán ser complementadas con luz artificial, ya que tendremos una baja cobertura de iluminancias en el rango deseado. Las aulas sur presentan un incremento de este porcentaje ya que no existe ningún elemento en la ventana que obstruya el paso de la luz. La tipología n.º 2 presenta problemas de porcentaje de superficie en rango en las aulas del primer piso. La estrategia aplicada en las aulas del segundo piso permite mejorar la distribución e incrementar la iluminación en el aula.

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4.5 Alternativas de Diseño de Aulas Integrales Con el objetivo de enriquecer las herramientas de diseño pasivo aplicables a las aulas, a continuación, se desarrollan nuevas propuestas como alternativas a las anteriormente analizadas. Las estrategias aquí presentadas fueron elaboradas a partir de los aspectos teóricos presentada en esta guía. Esperamos que sirvan como punta de partida para enfrentar el diseño arquitectónico que responde a las condiciones propias de cada localidad.

4.5.1 AULA INTEGRAL N° 3ab – MACROZONA NORTE Y CENTRO (Zonas Norte Litoral, Norte Este prototipo corresponde a un bloque crujía simple, donde las aulas se orientan ya sea al poniente con pasillo al oriente; o bien al oriente con pasillo al poniente. El prototipo se analiza de manera simétrica para ambas orientaciones. Se propone una estrategia de ventilación e iluminación a través de pozos, que disponen de aberturas tipo celosías en la parte superior y en la parte inferior conectadas a cada aula, con el fin de favorecer el

flujo de aire; así como superficies vidriadas en ambos extremos para traer luz a las zonas más profundas del aula. Esta estrategia de ventilación convectiva por tiro térmico es apropiada en aquellos climas donde la velocidad del viento es muy baja para generar ventilación cruzada, tal como se explica en el Capítulo 2. Es importante que cada aula disponga de su propio pozo, por motivos acústicos.

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Desértico, Norte Valles Transversales, Zonas Centro Interior y Centro Litoral)

Figura 4.17: Prototipo Aula Integral N°3ab – Macrozona Norte y Centro

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4.5.2 AULA INTEGRAL N° 3c – MACROZONA SUR (Zonas Sur Litoral, Sur Interior, Sur Extremo y

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Andina)

Este prototipo corresponde a un bloque de doble crujía, donde las aulas se orientan al oriente y al poniente, funcionando de manera simétrica. En estas zonas el pasillo debe ser cerrado, por lo que se propone una estrategia de ventilación e iluminación a través de pozos, que disponen de aberturas tipo celosías en la parte superior y en la parte inferior conectadas a cada aula, con el fin de favorecer el flujo de aire; así como

superficies vidriadas en ambos extremos para traer luz a las zonas más profundas del aula. Es importante que cada aula disponga de su propio pozo, por motivos acústicos. Además, las aulas disponen de un sistema de protección solar combinado con repisas de luz que tienen por objetivo bloquear la radiación solar en las orientaciones oriente y poniente, controlando el sobrecalentamiento y el encandilamiento.

Figura 4.18: Prototipo Aula Integral N°3c– Macrozona Sur

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Este prototipo corresponde a un bloque de crujía simple, donde las aulas se orientan al sur y los corredores al norte. En el aula del piso superior se propone una estrategia de ventilación e iluminación a través de una lucarna orientada al norte, que dispone de difusores de luz en la parte inferior. Esta lucarna

puede cumplir un rol de ventilación convectiva a través de la incorporación de aberturas operables. En el aula del primer piso se propone que la iluminación y ventilación se genere a través de ventanas interiores, que permitan la ventilación cruzada y la iluminación de la zona profunda del aula.

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4.5.3 AULA INTEGRAL N° 4ab – MACROZONA NORTE Y CENTRO (Zonas Norte Litoral, Norte Desértico, Norte Valles Transversales, Zonas Centro Interior y Centro Litoral)

Figura 4.19: Prototipo Aula Integral N°4ab – Macrozona Norte y Centro

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4.5.4 AULA INTEGRAL N° 4c – MACROZONA SUR (Zonas Sur Litoral, Sur Interior, Sur Extremo y

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Andina)

se propone que la iluminación y ventilación se genere a través de ventanas interiores, que permitan la ventilación cruzada y la iluminación de la zona profunda del aula. En esta macrozona, el corredor al norte puede funcionar como espacio solar, donde el calor acumulado puede ingresar a las aulas a través de aberturas en el muro interior, o bien, se pueden incorporar muros Trombe y un sistema de manejo de aire, con el mismo propósito.

Figura 4.20: Prototipo Aula Integral N°4c – Macrozona Sur

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Este prototipo corresponde a un bloque de crujía simple, donde las aulas se orientan al norte y los corredores al sur. En el aula del piso superior se propone una estrategia de ventilación e iluminación a través de una lucarna orientada al norte, que dispone de difusores de luz en la parte inferior. Esta lucarna

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4.5.5 AULA INTEGRAL N° 5ab – MACROZONA NORTE Y CENTRO (Zonas Norte Litoral, Norte Desértico, Norte Valles Transversales, Zonas Centro Interior y Centro Litoral)

Figura 4.21: Prototipo Aula Integral N°5ab – Macrozonas Norte y Centro

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4.5.6 AULA INTEGRAL N° 5c – MACROZONA SUR (Zonas Sur Litoral, Sur Interior, Sur Extremo y

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Andina)

piso se propone que la iluminación y ventilación se genere a través de ventanas interiores, que permitan la ventilación cruzada y la iluminación de la zona profunda del aula. Además, en la fachada norte, en el muro que se genera junto a la pizarra, se pueden incorporar muros Trombe que precalienten el aire que ingresa a las aulas.

Figura 4.22: Prototipo Aula Integral N°5c – Macrozona Sur.

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CapĂtulo 5

Casos de Estudio

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile 300

5. 1 5 .2 5. 3 5. 4 5.5 5.6

Instituto Superior de Comercio n.° 2 Joaquín Vera Morales (INSUCO). Liceo Artístico Experimental Santiago. Liceo Comercial de San Bernardo. Liceo Politécnico de Curacautín. Liceo Industrial de Nueva Imperial. Resultados comparativos.

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Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Los casos de estudio nacionales que aquí se presentan corresponden a proyectos asesorados por consultores de eficiencia energética según licitación pública ID 623663-32-LP11 “Asesorías en eficiencia energética para el diseño de arquitectura de los Liceos: Instituto Superior de Comercio N°2 Joaquín Vera Morales (INSUCO) de Santiago, Liceo Artístico Experimental de Santiago, Liceo Comercial de San Bernardo, Liceo de Curacautín y Liceo de Nueva Imperial de la Región de la Araucanía solicitada por la Agencia Chilena de Eficiencia Energética. La metodología para la asesoría de eficiencia energética de estos cinco liceos consistió en el diagnóstico de los proyectos desarrollados originalmente por los arquitectos; el análisis de alternativas que mejoren la calidad energética y ambiental de éstos, concluyendo en propuestas de mejoramiento.

[Fuente: Proyecto Mineduc / Unesco]

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5.1 Instituto Superior de Comercio N° 2 Joaquín Vera Morales (INSUCO)

73 Caso de estudio AChEE MINEDUC:

R. Strappa, J.E. Barros, D. García de la Huerta, A. Echeverría, M. Wood.

Consultor E.E

ArqEnergía

Ubicación

Avda España esq. Claudio Gay, Santiago Centro.

Clima

Zona Térmica: 3 (O.G.U.C.) Zona Climática: Centro Interior 3 CI (Ref. NCh 1079 Of.2008)

El Instituto Superior de Comercio N°2 Joaquín Vera Morales (INSUCO) se encuentra ubicado en el centro de la ciudad de Santiago. El edificio actual tiene una superficie de 8.500 m2, de los cuales este proyecto contempla la remodelación del 50% de la superficie, además de la ampliación de 50% adicional. La matrícula actual es de 1625 alumnos y la del nuevo Liceo será de 1920 alumnos.

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Instituto Superior de Comercio N˚2 Joaquín Vera Morales (INSUCO)A.

Arquitectos

Figura 5.1: Vista del acceso [Fuente: MINEDUC- Strappa, Barros, García de la Huerta, Echeverría, Wood Arqtos.]

302

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5.1.1 Estrategias de Diseño Pasivo El edificio se compone de distintos bloques orientados según un eje oriente-poniente, de manera que las aulas están orientadas al norte, con las circulaciones orientadas al sur.

un alero en la fachada norte y disminuir la superficie de ventanas con el fin de controlar el ingreso de radiación solar directa en verano y estaciones intermedias.

Casos de Estudio:

De acuerdo al análisis de asoleamiento, se propuso incorporar

Establecimiento Educacional en Chile

El estudio del diagrama bioclimático de Givoni permitió identificar las estrategias de diseño pasivo apropiadas para este proyecto (Figura 5.2). Según ello, se observa que en el mes de julio las temperaturas están bajo la zona de confort, mientras que en el mes de diciembre se encuentran dentro y sobre la zona de confort. Sin embargo, es posible controlar la temperatura interior a través de estrategias pasivas, tal como el aprovechamiento de las ganancias internas durante períodos fríos; y el uso de estrategias de ventilación durante períodos cálidos. Para evitar el sobrecalentamiento, se propone utilizar muros con alta masa térmica y ventilación nocturna.

Figura 5.3: Vista aérea del proyecto

[Fuente: MINEDUC- Strappa, Barros, García de la Huerta, Echeverría, Wood Arqtos.]

Figura 5.2: Diagrama bioclimático de Givoni [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE]

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Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Figura 5.4: Asoleamiento 21 de marzo – caso base [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE]

Figura 5.5: Asoleamiento 21 de marzo – caso mejorado [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE]

5.1.2 Estrategias de Ventilación Natural Las estrategias de ventilación propuestas buscan mantener una adecuada calidad del aire interior, además de evitar el sobrecalentamiento en verano. Se contempla un flujo de ventilación variable que depende de la temperatura interior, con variaciones estacionales. En invierno se propone un mínimo de 2 ach, con el objetivo de mantener una concentración de CO2 de alrededor de 2200 ppm, y en verano se propone un mínimo de 6 ach, lo que debería mantener una concentración de CO2 de alrededor de 1000 ppm. Para los períodos estivales se propone una estrategia de ventilación nocturna de masa térmica, mediante aberturas de ventilación ubicados en fachadas opuestas de cada aula, a una diferencia de altura de 1m. Para asegurar un adecuado control de la ventilación, de fácil mantenimiento, se propone instalar en cada aula un sensor de CO2 y otro de temperatura, e instruir a los profesores en la operación de las aberturas de ventilación.

304

Figura 5.6: Vista de la circulación [Fuente: MINEDUC- Strappa, Barros,

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García de la Huerta, Echeverría, Wood Arqtos.]

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5.1.3 Estrategias de Iluminación Natural Sala de computación

Estas aulas poseen ventanas en la fachada norte y en la fachada sur, hacia las circulaciones. Se propone modificar las dimensiones de las ventanas proyectadas en las fachadas norte y sur, manteniendo la misma superficie final, con el objetivo de evitar las sombras interiores. Se propone aumentar la altura de los antepechos e incluir una repisa de luz en las ventanas al norte para mejorar la uniformidad de la iluminación natural. De esta manera se logra un FLD de 4,9% y un valor de iluminancia promedio de 416 lux.

La sala de computación en su condición original presentaba una inadecuada distribución de la iluminación natural, debido a que las ventanas se concentraban en el sector norte. Debido a lo cual, se proponen nuevas ventanas en la fachada sur-oeste y se disminuyen las superficies de ventanas en otras fachadas. Se aconseja utilizar una repisa de luz en la fachada oriente.

Figura 5.7: Análisis de iluminación aula norte [Fuente: ArqEnergía,

Figura 5.8: Estrategias de iluminación natural en sala de computación [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE]

consultor AChEE]

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Casos de Estudio:

Aula norte

Establecimiento Educacional en Chile

Se proponen estrategias de iluminación natural y se realiza un análisis para tres recintos representativos del edificio.

305

5.1.4 Desempeño energético

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Se analizó el desempeño energético del edificio en base a la comparación entre el caso base y el caso final optimizado. El caso final contempla la incorporación de aislación térmica en muros, techumbre y losa ventilada, además de ventanas con doble vidriado hermético y marco de PVC, con el objetivo de disminuir las pérdidas de calor en períodos fríos.

Tabla 5.1: Características de la envolvente térmica

Casos

Caso Base

Muros Perimetrales

Muros Medianeros

U= 3,4 W/m2K

U= 2,8 W/m2K

Muro de HA 20 cm sin aislación

Muro de HA 15 cm sin aislación

Ventanas U= 5,8 W/m2K Vidrio monolítico y marco de aluminio

Puertas

U= 2,58 W/ m2K Madera solida

Techumbre U= 0,46 W/m2K

U= 3,0 W/m2K

Losa de HA 20 cm + 73 mm lana de vidrio

Losa de HA 20 cm sin aislación U= 0.64 W/m2K

U= 0,66 W/m2K Caso Final

306

Muro de HA 20 cm + 50 mm poliestireno expandido por el exterior

Losa Ventilada

U= 2,8 W/m2K Muro de HA 15 cm sin aislación

U= 2,8 W/m2K Vidrio DVH y marco de PVC

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U= 2,58 W/ m2K Madera solida

U= 0,35 W/m2K Losa de HA 20 cm + 100 mm lana de vidrio

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Losa de HA 20 cm + 50mm poliestireno expandido por el exterior

Confort térmico Las estrategias propuestas resultan efectivas para mejorar el confort térmico de los ocupantes durante todo el período escolar, de acuerdo a los resultados de las simulaciones térmicas dinámicas. El Gráfico 5.1 y el Gráfico 5.2 muestran que el caso

mejorado permite aumentar considerablemente el porcentaje

Gráfico 5.1: Distribución de temperaturas aula norte 2° piso – caso base

Gráfico 5.2: Distribución de temperaturas aula norte 2° piso– caso mejorado

de horas de ocupación que se encuentra dentro de la zona de

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

confort definida entre 16,8°C y 28,9°C.

Climatización

Energías Renovables

Se propone instalar un equipo de aire acondicionado en sala de computación para evitar el sobrecalentamiento derivado de la alta carga que suponen los equipos computacionales. En salas de música, talleres, biblioteca y sala de profesores se propone la instalación de calefactores eléctricos de acumulación.

El proyecto propone incluir 30m2 de colectores solares del tipo vidriado plano sobre los techos del instituto, con un ángulo de inclinación de entre 20 y 50 grados y una desviación máxima de 30 grados desde el norte, además de un estanque de acumulación de entre 2300 y 2600 litros.

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5.2 Liceo Artístico Experimental de Santiago

74 Caso de estudio AChEE MINEDUC :

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Liceo Artístico Experimental de Santiago.

Arquitectos

Martín Hurtado Arquitectos

Consultor E.E

IDIEM

Ubicación

Mapocho 3885, Quinta Normal, Santiago de Chile

Clima

Zona Térmica: 3 (O.G.U.C.) Zona Climática: Centro Interior 3 CI (Ref. NCh 1079 Of.2008)

El edificio del Liceo Artístico Experimental de Santiago se ubica en la comuna de Quinta Normal, en la ciudad de Santiago. El actual edificio cuenta con 4200m2 que serán demolidos y reemplazados por un nuevo edificio que considera la construcción de 5707m2 distribuidos en cuatro volúmenes orientados según un eje oriente-poniente, de manera que las aulas se orientan al norte y los pasillos de circulaciones hacia el sur. Una de las características del proyecto es la incorporación de patios ventilados sobre los cuales se proyectan los bloques de aulas sin interrumpir la continuidad de los espacios exteriores del liceo.

Figura 5.9: Vista general anteproyecto arquitectura [Fuente: MINEDUC - Martín Hurtado Arqtos.]

308

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Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Figura 5.10: Vista patio del Liceo [Fuente: MINEDUC - Martín Hurtado Arqtos.]

5.2.1 Estrategias de Diseño Pasivo Las estrategias de diseño pasivo propuestas para el período de invierno buscan aprovechar las ganancias internas con el fin de conservar la energía al interior de los recintos, y junto a la inercia térmica, lograr alcanzar una diferencia de temperatura con el exterior que permita mantener la mayor cantidad de horas de ocupación dentro del rango de confort. Se propone también incorporar aislación térmica en muros, techumbre y pisos ventilados, además de ventanas con doble vidriado hermético. Durante este período, la ventilación debe ser controlada y reducida a lo mínimo necesario para suplir las aulas con aire limpio.

Para el período de verano se considera un aumento en la tasa de ventilación acoplada al aprovechamiento de la inercia térmica de los materiales, lo que permitirá el control del sobrecalentamiento al interior de los recintos. Para el período de media estación se requiere un aumento de la ventilación cruzada con respecto al invierno, sin embargo, esta tasa de ventilación debe ser controlada para evitar el descenso de la temperatura en las aulas.

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Casos de Estudio:

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Figura 5.1: Planta del Liceo Artístico Experimental [Fuente: MINEDUC -

Figura 5.12: Imagen del proyecto [Fuente: IDIEM,

310

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Martín Hurtado Arqtos.]

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5.2.2 Estrategias de Ventilación Natural La ventilación natural es una de las estrategias más importantes del proyecto, lo que fue analizado en base a simulación de dinámica de fluidos (CFD).

la temperatura exterior, alcanzando temperaturas dentro del rango de confort en el período de verano al considerar ventilación diurna (en ocupación) y ventilación nocturna de masa térmica correspondiente al 10% de apertura de ventana desde las 18:00 hasta las 8:00 hrs.

Figura 5.13: Análisis de ventilación natural en aula tipo [Fuente: IDIEM,

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Casos de Estudio:

Se propone una estrategia de ventilación cruzada hacia un pasillo abierto, que representa una opción más económica que un pasillo cerrado. De las simulaciones realizadas, se puede concluir que la operación de las ventanas permite lograr una reducción de las temperaturas interiores por debajo de

Establecimiento Educacional en Chile

Aula

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Teatro

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

El recinto del teatro presenta la ventaja de estar ubicado en dirección a los vientos predominantes, por lo que se propone una estrategia de ventilación considerando el ingreso del aire

desde la fachada sur del edificio, aprovechando la fachada norte del teatro como “chimenea solar”, mediante el calentamiento natural de la estructura de hormigón.

Figura 5.14: Análisis de ventilación Teatro [Fuente: IDIEM,

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5.2.3 Estrategias de Iluminación Natural Las recomendaciones de iluminación natural se hicieron para tres recintos representativos de las distintas orientaciones del liceo.

Aulas

El liceo cuenta con veinte aulas en los pisos 2 y 3 orientadas al norte, por lo que la estrategia de iluminación natural consistió en reducir el porcentaje de superficie vidriada en la fachada norte del aula, y aumentar el porcentaje de superficie vidriada en el muro sur de éstas, hacia el pasillo. Ello permitió mantener un factor de luz día por sobre un 5% reduciendo la superficie

vidriada de la envolvente. Se desestimó colocar una repisa de luz reflectiva a pesar de que ésta incrementa la iluminación en espacios de planta profunda, ya que se consideró que la disminución del factor de luz día debido a esta estrategia era muy alta (Figura 5.15).

Figura 5.15: Análisis del comportamiento lumínico de aula con repisa de luz [Fuente: IDIEM, 312

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Sala de danza 40cm de largo, con un distanciamiento no mayor a 60cm entre los elementos (Figura 5.16).

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Biblioteca Se recomendó la incorporación de ventanas en la fachada sur de la biblioteca, lo que permite mejorar la distribución de la

iluminación natural y alcanzar un factor de luz día de 2,5% en un 90% del recinto (Figura 5.17).

Figura 5.17: análisis de iluminación natural en biblioteca [Fuente: IDIEM, Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

Casos de Estudio:

Figura 5.16: Propuesta de celosías de protección solar en Sala de danza [Fuente: IDIEM,

Establecimiento Educacional en Chile

Se realizaron propuestas enfocadas a disminuir el ingreso de radiación solar directa a través de la fachada oriente. Se propuso un diseño de celosía en base a lamas verticales de

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313

5.2.4 Desempeño Energético de aislación en muros; 80mm en la techumbre; 50mm en pisos ventilados; y ventanas con doble vidriado hermético.

Gráfico 5.3: Balance energético del Liceo

LICEO ARTISTICO EXPERIMENTAL Con Estrategias de EE

125

Referencia 98 81

75 55 55

kWh/m²-Año

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Se analizó el comportamiento térmico del edificio para distintas opciones de aislación térmica, y se propuso incorporar 50mm

25 3

0 -3

-25

-16 -28 -35

4 7 -1 -1

-3

-5

-6

23 23 4 4

-14-12

-16

-43

-75 -85 -99

-125

[Fuente: IDIEM, Consultor AChEE]

314

Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE)

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5.3 Liceo Comercial de San Bernardo

Cruz & Browne Arquitectos

Consultor E.E

IDIEM

Ubicación

Santiago de Chile, Calle Freire N° 589, Comuna de San Bernardo.

Clima

Zona Térmica: 3 (O.G.U.C.) Zona Climática: Centro Interior 3 CI (Ref. NCh 1079 Of.2008)

Liceo Comercial de San Bernardo.

Casos de Estudio:

El Liceo Comercial de San Bernardo se encuentra ubicado en la Región Metropolitana, en una zona urbana densamente edificada. El proyecto contempla la renovación de 2170m² existentes y una ampliación de 3500m².

Caso de estudio AChEE MINEDUC :

Establecimiento Educacional en Chile

Arquitectos

Figura 5.18: Fachada del Liceo [Fuente: MINEDUC -

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Cruz y Browne Arqtos.]

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315

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

5.3.1

Estrategias de Diseño Pasivo

El análisis de las características climáticas del lugar determinó la

Se propuso también una envolvente térmica en muros,

definición de estrategias de diseño pasivo apropiadas para este

techumbre y pisos, además de ventanas con doble vidriado

establecimiento educacional, donde la principal estrategia fue

hermético DVH, en base a un análisis realizado a través de

el aprovechamiento de la masa térmica del edificio para mejorar el comportamiento térmico tanto en períodos fríos como en períodos cálidos; complementada con ventilación natural diurna

simulaciones térmicas. Se analizaron los distintos bloques de aulas del edificio por separado, ya que sus distintas orientaciones llevaron a definir

y nocturna, de manera de mantener las temperaturas dentro de

estrategias específicas. Además, se analizó el gimnasio y casino

la zona de confort térmico durante el período de ocupación.

que poseen características arquitectónicas particulares.

Figura 5.19: Vista aérea del Liceo [Fuente: MINEDUC -

316

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Cruz y Browne Arqtos.]

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Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Figura 5.20: Planta del Liceo [Fuente: MINEDUC -

Cruz y Browne Arqtos.]

5.3.2 Estrategias de Ventilación natural

Aulas:

Una de las principales estrategias de diseño del edificio

Se analiza un aula tipo ubicada en el cuarto piso del bloque

correspondió a la ventilación natural en aulas, gimnasio y casino.

El objetivo de las estrategias de ventilación fue

tanto disminuir las temperaturas interiores en verano, como mantener una adecuada calidad del aire en los recintos. En estaciones intermedias (primavera, otoño), se recomienda

sur-poniente, con una densidad ocupacional de 1,5 m²/pp (40 alumnos y 1 profesor), desde las 8:00 hasta las 15:00 hrs.

Para el período de verano se recomienda ventilación

diurna combinada con ventilación nocturna por ventanas en

utilizar ventilación natural combinada con masa térmica,

fachadas norte, considerando al menos una apertura del 30%

considerando que en estos períodos existen temperaturas muy

de los vanos durante el día y 10% durante la noche. Con esta

altas y muy bajas. Durante el invierno, se deben aprovechar al

estrategia se logra que los peaks de temperatura sean menores

máximo las ganancias internas, por lo que la ventilación se debe

que la temperatura exterior, y que en promedio la temperatura

reducir al mínimo que garantice la calidad del aire al interior de

interior se mantenga alrededor de los 25°C.

los recintos.

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Casino

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

El casino también se ventila en forma natural a través del efecto convectivo, por lo que se propone que las ventanas de las lucarnas del techo sean practicables para extraer el aire del

Gimnasio

recinto. Además, se propone que las ventanas en fachadas oriente y poniente estén divididas para que los ocupantes puedan operar de mejor manera los vanos.

Figura 5.21: Análisis de ventilación natural casino [Fuente: IDIEM, Consultor AChEE]

Se propone una estrategia de ventilación convectiva, donde el ingreso del aire se realiza a través de ventanas inferiores orientadas al sur, y la salida del aire se realiza a través de

ventanas superiores orientadas al norte, tal como se ilustra en los diagramas de simulación de dinámica de fluídos (CFD), en la Figura 5.22.

Figura 5.22: Análisis de ventilación natural gimnasio [Fuente: IDIEM, Consultor AChEE] 318

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5.3.3 Estrategias de Iluminación Natural

Casos de Estudio:

Figura 5.23: Planta esquemática del proyecto [Fuente: MINEDUC -

Establecimiento Educacional en Chile

El proyecto contempla estrategias de iluminación natural para recintos representativos de las distintas orientaciones del liceo.

Cruz y Browne Arqtos.]

Aulas norte Se estudian dos casos de aulas con distintos tamaños de ventana y un tercer caso que contempla la ventana más pequeña con un alero hacia el norte. De acuerdo a los resultados del análisis detallado en la Tabla 5.2, se propone reducir el área vidriada y

agregar el alero como protección solar para mejorar el factor de luz día y la uniformidad de la luz (Figura 5.24). Se espera que esta estrategia permita además reducir las pérdidas térmicas a través del área vidriada.

Tabla 5.2: Análisis de iluminación natural aulas norte-sur

Caso 0 Caso 1 Caso 2

Descripción

Area vidriada (m2)

Factor de Luz Día (%)

Uniformidad

Autonomía de luz día a 300 lux (%)

Iluminancia util (%)

Anteproyecto

18,6

16,5

0,3

100% sobre 80%

17,32

13,2

0,31

100% sobre 80%

14,81

13,23

0,7

100% sobre 80%

Disminucion de area vidriada Disminucion area vidriada + alero al norte

[Fuente: IDIEM, Consultor AChEE]

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319

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Figura 5.24: Factor de Luz Día Caso 2 (mejorado) - Promedio FLD: 4,96% [Fuente: IDIEM, Consultor AChEE]

Aulas poniente Se analiza la sala de física que está orientada al poniente, al igual que otros recintos con alta carga interna, tal como los laboratorios de computación. Se estudian para esta orientación cinco casos distintos, los que consideran celosías horizontales, verticales y

alero. Se estudian al mismo tiempo los distanciamientos entre las celosías. Se proponen celosías horizontales en las aulas, con el fin de disminuir el ingreso de radiación solar directa y de controlar la uniformidad de la luz.

Tabla 5.3: Análisis de iluminación natural aulas poniente

Factor luminico(%)

Descripción

Autonomía de luz día a 300 lux

Caso 0

Celosía vertical 30 cm cada 120 cm

5,59

100% sobre 80%

Caso 1

Celosía vertical 30 cm cada 60 cm

5,04

100% sobre 80%

Caso 2

Celosía vertical 60 cm inclinada a 45°

4,49

100% sobre 80%

Caso 3

Alero 100 cm sobre ventana

4,23

100% sobre 80%

Caso 4

Celosía horizontal 30cm cada 40 cm

3,59

100% sobre 80%

[Fuente: IDIEM, Consultor AChEE]

320

Iluminancia útil (100 a 2000 lux) (%)

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Casino contra la luz directa del sol en las fachadas oriente y poniente, que resultan esenciales para evitar episodios de disconfort por deslumbramiento.

Establecimiento Educacional en Chile

El casino cuenta con iluminación natural a través de sus fachadas oriente y poniente, así como a través de elementos cenitales en la cubierta. Se recomienda incorporar elementos de protección

75.90%

Casos de Estudio:

63.97%

Figura 5.25: Análisis de iluminancia útil en casino y gimnasio [Fuente: IDIEM, Consultor AChEE]

Gimnasio El gimnasio dispone de lucarnas en la techumbre, donde la asesoría en eficiencia energética recomendó que éstas sean orientadas hacia el sur, de manera de controlar el ingreso de

iluminación directa en la zona de cancha, y de aprovechar la iluminación difusa en el recinto.

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321

5.3.4 Desempeño energético

• Caso Base: edificio sin aislación térmica en la envolvente. • Caso Propuesto: considera aislación térmica en muros, techumbre y pisos, con una ventilación de 2 ach. • Caso Optimizado: considera aislación térmica en muros, techumbre y pisos, con una ventilación de 6ach.

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Se realizó un análisis del desempeño energético del edificio de acuerdo a diferentes estándares de envolvente térmica:

Figura 5.26: Propuesta de envolvente térmica por muros, techumbre y pisos ventilados [Fuente: IDIEM, Consultor AChEE] La simulación de las demandas energéticas anuales de calefacción y refrigeración del edificio, detalladas en la Tabla 5.4, permiten observar que el Caso Propuesto implica una disminución de las demandas en 8.3kWh/m² año, equivalente a

un 29% con respecto al Caso Base. El Caso Optimizado aumenta las demandas de calefacción al considerar un estándar de ventilación alto y permanente.

Tabla 5.4: Demanda energética anual Liceo Comercial de San Bernardo

322

Demanda calefacción (kWh/m2 año)

Demanda refrigeración (kWh/m2 año)

Demanda total (kWh/m2 año)

Caso Base

17,8

11,0

28,8

Caso Propuesto

10,2

10,3

20,5

Caso Optimizado

26,2

8,6

34,5

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Confort térmico En el Gráfico 5.4 se puede observar el porcentaje de horas de ocupación dentro de la zona de confort para los distintos meses del año, en régimen libre. Según lo cual, el Caso Optimizado porcentaje de horas dentro del rango definido, sobretodo en los meses más calurosos. Ello se debe a la ventilación natural alcanzada por apertura de ventanas.

Gráfico 5.4: Porcentaje de horas dentro del rango 17°C – 28°C

Casos de Estudio:

presenta mejores condiciones de confort al aumentar el

Establecimiento Educacional en Chile

Considerando que el edificio no cuenta con un sistema activo de calefacción ni de enfriamiento, se analizó el confort térmico previsto para el edificio en base a la definición de una zona de confort en el rango entre los 17°C y los 28°C. En este caso, se comparó el comportamiento del Caso Base con el Caso Optimizado, considerando ventilación de 6 ach durante los meses de noviembre, diciembre, marzo y abril; mientras que el resto del año se consideró 2 ach.

[Fuente: IDIEM, Consultor AChEE]

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323

5.4 Liceo Politécnico de Curacautín

76 Caso de estudio AChEE MINEDUC :

Arquitectos

Crisosto Arquitectos Consultores

Consultor E.E

ArqEnergía

Ubicación

Curacautín, Región de la Araucanía.

Clima

Zona Térmica: 5 (O.G.U.C.) Zona Climática: Sur Interior SI (Ref. NCh 1079 Of.2008)

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Liceo Politécnico de Curacautín.

Figura 5.27: Vista desde acceso [Fuente: MINEDUC El Liceo se encuentra en la Región de la Araucanía y cuenta con una superficie aproximada de 6000m². El proyecto contempla la remodelación de un 20% de esta superficie y la reposición

324

Crisosto Arqtos.]

con una nueva edificación de un 80% aproximadamente. El Liceo tiene una matrícula de 650 estudiantes de los cuales 80 son internos.

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5.4.1 Estrategias de Diseño Pasivo de la zona de confort, mientras que el resto del año el clima tiene temperaturas bajo la zona de confort. Se deduce que es necesario considerar calefacción para todo el período de clases.

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

El diagrama bioclimático de Givoni se utilizó para identificar las estrategias de diseño pasivo en relación al clima de la localidad de Curacautín, donde es posible observar que sólo en los meses de verano (diciembre) se consiguen temperaturas dentro

Figura 5.28: Diagrama bioclimático de Givoni [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE]

Figura 5.29: Proyecto bajo trayectoria solar [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE] Las principales estrategias de diseño pasivo contemplan el aprovechamiento de las ganancias solares mediante la orientación de algunas aulas al norte; la incorporación de una

envolvente térmica en muros y techumbre, ventanas con doble vidriado hermético DVH; y el manejo de la ventilación a través de muros Trombe.

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325

5.4.2 Estrategias de ventilación

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Las estrategias de ventilación propuestas apuntan principalmente a controlar los niveles de concentración de CO2 en los recintos. Debido a las bajas temperaturas exteriores que caracterizan este clima, las necesidades de ventilación se contraponen a la necesidad de mantener el calor al interior de los recintos, lo que genera un importante desafío en el diseño del Liceo.

Aulas norte En este caso, la ventilación se propone con apoyo de tres muros Trombe en la fachada norte que precalientan el aire antes de ingresar a las aulas (Figura 5.30). El muro Trombe opera de manera integrada con un sistema de recuperación de calor, lo que permite que en invierno se aproveche el calor del aire

extraído de las aulas para calentar el aire limpio proveniente del muro Trombe, e inyectarlo al pasillo. En verano, el muro Trombe funciona de manera inversa, de manera de que el sistema de ventilación forzada extrae el calor de las aulas (Figura 5.31).

Figura 5.30: Imagen de muros Trombe en fachada norte [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE]

326

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Aulas en otras orientaciones Se recomienda un sistema de extracción de aire mecánico para asegurar y controlar la ventilación mínima requerida, ya que el aumento de este flujo podría hacer aumentar en forma considerable el gasto en calefacción. Igualmente se recomienda

Casos de Estudio:

[Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE]

Establecimiento Educacional en Chile

Figura 5.31: Diagramas de funcionamiento Muro Trombe, invierno con recuperador de calor (der) y verano (izq).

utilizar indicadores del nivel de CO2 en cada aula, e instruir a los profesores acerca de los rangos aceptables de concentración de dicho contaminante durante el invierno y verano.

Figura 5.32: Vista de pasillo [Fuente: MINEDUC -

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Crisosto Arqtos.]

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327

5.4.3 Estrategias de Iluminación Natural Las recomendaciones de iluminación natural se hicieron para tres recintos representativos de las distintas orientaciones del liceo.

En este recinto se optó por disminuir el área de ventanas con el objetivo de controlar los niveles y distribución de la iluminación natural (Figura 5.33). Se propone también incorporar una repisa

de luz reflectante que permita lograr una mejor distribución de la iluminación en el recinto.

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Aula norte, 3°piso

Figura 5.33: Análisis de iluminación natural aulas norte [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE]

328

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la utilización de un dispositivo difusor de iluminación al interior del recinto, ya que este tipo de dispositivos logran una mejor distribución de la iluminación en los recintos que presentan muchas máscaras solares, pero disminuyen los valores de iluminación promedio.

Casos de Estudio:

Este taller se encuentra en el primer nivel, con ventanas hacia un patio con todo su perímetro construído, lo que condiciona negativamente su acceso a la iluminación natural, por lo que el factor de luz día es menor que en otros recintos. Al aumentar el área de ventanas en un 18%, el aumento en iluminación es de sólo un 15%. Debido a estas limitaciones, es que se desestimó

Establecimiento Educacional en Chile

Taller Soldadura, 1º piso

Figura 5.34: estrategias de iluminación anteproyecto [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE]

Biblioteca, 2º piso En este recinto se propone ampliar el área total de ventanas, incorporando 6 ventanas en la fachada norte y 5 en la fachada oriente con el fin de aumentar y mejorar considerablemente el

nivel y la distribución de iluminación al interior del recinto, y que al menos el 38% de la superficie sobrepase el 5% de factor de luz día.

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329

5.4.4 Desempeño energético

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

El proyecto considera la incorporación de aislación térmica en la envolvente, de acuerdo a las siguientes especificaciones: 150mm en muros, 150mm en techumbre, 65mm en pisos ventilados, 50mm bajo radier, y ventanas con doble vidriado

hermético. La envolvente se propone de manera continua, con eliminación de puentes térmicos, tal como se ilustra en los análisis de isotermas de la Figura 5.35.

Figura 5.35: Isotermas caso base (der) y caso final (izq) [Fuente: ArqEnergía, consultor AChEE] Aplicando las medidas de eficiencia energética detalladas anteriormente, se logran importantes reducciones en la demanda energética de calefacción, tal como se ilustra en el Gráfico 5.5, que desagrega los impactos de cada componente del edificio sobre el ahorro de energía. Gráfico 5.5: Ahorro demanda calefacción caso final

330

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El costo de operación de todo el edificio, considerando las estrategias pasivas, los muros Trombe con recuperadores de calor, y calefacción por caldera a leña; implican un ahorro de un 88% con respecto a un caso base sin estrategias de diseño pasivo y calefaccionado con caldera a gas.

Tabla 5.5: análisis de costos comparativos Caso base

Caso propuesto

Ahorro

Demanda de energía (kWh/año)

222.357

81.291

63,4%

Consumo de energía final (kWh/año)

252.678

96.653

61,7%

Consumo de energía primaria (kWh/año)

277.946

106.893

61,5%

$ 20.972.308

$ 2.480.137

88,2%

Costos de operación ($/año)

Casos de Estudio:

Se propone utilizar un sistema de calefacción en base a caldera a leña por presentar menores costos de operación que otras alternativas, con la consideración de que el diseño de la potencia de los equipos de calefacción considere un rango de ventilación de 6 ach.

Establecimiento Educacional en Chile

Calefacción

[Fuente: IDIEM, Consultor AChEE]

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331

5.5 Liceo Industrial de Nueva Imperial

77 Caso de estudio AChEE MINEDUC :

Marsino y Santander Arquitectos

Consultor E.E

Araucanía Consultores

Ubicación

Sotomayor 646, Nueva Imperial, Región de la Araucanía.

Clima

Zona Térmica: 5 (O.G.U.C.) Zona Climática: Sur Interior SI (Ref. NCh 1079 Of.2008)

El Liceo Industrial se ubica en la localidad de Nueva Imperial, Región de la Araucanía, a 35km al poniente de la ciudad de Temuco. El proyecto contempla el diseño de edificios destinados a recintos docentes en 3 niveles, más dependencias administrativas, áreas de servicios, patios, multicanchas y áreas exteriores.

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Liceo Industrial de Nueva Imperial.

Arquitectos

Figura 5.36: Vista exterior del proyecto [Fuente: MINEDUC - Marsino y Santander Arqtos.]

332

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5.5.1 Estrategias de Diseño Pasivo espacios interiores y utilizando barreras hídricas con el fin de proteger los muros y su envolvente térmica. Se hace necesario evitar la exposición a los vientos predominantes, especialmente de infiltración de aire, y con ello aumenta el gasto de energía para calefacción. Se busca permitir una radiación solar directa durante todo el año, especialmente en invierno, maximizando la captación y almacenamiento de energía, utilizando materiales de alta inercia térmica.

Figura 5.37: Vista aérea del proyecto [Fuente: MINEDUC -

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Casos de Estudio:

en las épocas de invierno, ya que éstos aumentan los niveles

Establecimiento Educacional en Chile

Con el objetivo de conservar el calor en invierno, se propone el uso de materiales aislantes térmicos y una forma compacta que reduce la superficie en contacto con el exterior. Se recomienda proteger los muros contra lluvias horizontales acompañadas de vientos norte y oeste, además de diseñar las cubiertas con pendientes pronunciadas, de entre 15% (superficie lisa) y 30% (superficie rugosa), para evitar infiltraciones de humedad y agua lluvia. Debido a la alta humedad relativa y bajas temperaturas características del clima local, se deben evitar los riesgos de condensación ventilando tanto fachadas como

Marsino y Santander Arqtos.]

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333

Con el objeto de asegurar una correcta renovación de aire al interior del edificio, especialmente en aulas y biblioteca, se propone un sistema de ventilación mecánica que extrae el aire viciado en recintos de circulación e inyecta aire fresco en las aulas. Este sistema cuenta con un controlador horario para que funcione entre las 08:00 y las 16:00 hrs. en días de clases. Se

propone la utilización de recuperadores de calor en el sistema de ventilación, ya que el aire viciado a extraer estará en un rango de temperatura mayor que la temperatura del aire fresco que ingresa al edificio, por lo que es aconsejable aprovechar parte de esa energía para precalentar el aire de inyección.

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

5.5.2 Estrategias de Ventilación Natural

Figura 5.38: Diagrama de ventilación forzada en aulas [Fuente: Araucanía Consultores, consultor AChEE]

Figura 5.39: Corte del edificio [Fuente: Araucanía Consultores, consultor AChEE]

334

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5.5.3 Estrategias de Iluminación Natural

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Se proponen estrategias de iluminación natural combinadas con estrategias de control solar, tales como aleros y celosías.

Figura 5.40: Patio cubierto con celosías exteriores [Fuente: MINEDUC -

Marsino y Santander Arqtos.]

Aulas segundo piso Se analizan los niveles de iluminación natural de las aulas del segundo piso, concluyendo que los resultados obtenidos no son muy favorables hacia el interior de ellas, debido a la orientación sur de estos recintos y al tamaño reducido de las ventanas (Figura 5.41). Ello implica que las aulas deberán complementar

la iluminación natural con sistemas de iluminación artificial durante parte del período de ocupación, para lo cual se proponen luminarias de eficiencia energética con sistemas de regulación y control.

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335

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Figura 5.41: Iluminación natural en aulas segundo piso - UDI 100-2000 lux [Fuente: Araucanía Consultores, consultor AChEE]

Figura 5.42: Iluminación artificial con eficiencia energética [Fuente: Araucanía Consultores, consultor AChEE]

336

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Aulas tercer piso captación solar no es directa. Los recintos se encuentran entre los rangos mínimos y máximos requeridos durante gran parte del tiempo de ocupación, y de manera uniforme, lo que hace que éstos cumplan con buenos niveles de iluminación natural.

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

Las aulas del tercer piso disponen de un tragaluz orientado al norte, lo que resulta en una mejor autonomía lumínica que las aulas del segundo piso. En esta zona prácticamente no existe riesgo de deslumbramiento, ya que la gran mayoría de la

Figura 5.43: Iluminación natural en aulas tercer piso - UDI 100-2000 lux [Fuente: Araucanía Consultores, consultor AChEE]

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337

Taller Mecánica Industrial la iluminación natural tendrá que ser apoyada por un sistema de iluminación artificial hacia el interior de estos talleres.

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

El taller de mecánica industrial requiere de un nivel de iluminancia alta (500 lux), lo que se logra en la zona orientada al norte. Sin embargo, en zonas que colindan con el patio interior,

Figura 5.44: Vista de pasillos interiores [Fuente: MINEDUC -

338

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Marsino y Santander Arqtos.]

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5.5.4 Desempeño energético puentes térmicos, desarrollando la envolvente de manera continua, tal como se grafica en la Figura 5.45. Se comparó la demanda energética de calefacción de diferentes estándares de aislación térmica, los que se ilustran en el Gráfico.

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

El proyecto incorpora una envolvente térmica compuesta por: 150mm de aislante térmico en techumbre, 100mm en muros, 100mm bajo radier, y ventanas con doble vidriado hermético DVH. Los detalles constructivos del proyecto minimizan los

Figura 5.45: Detalle de envolvente térmica continua [Fuente: Araucanía Consultores, consultor AChEE]

Gráfico 5.6: demanda energética de calefacción – comparación distintas envolventes térmicas

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339

Calefacción

Casos de Estudio:

Establecimiento Educacional en Chile

El estudio contempló el análisis comparativo de distintos sistemas de calefacción, en base a los costos de inversión y a los costos de operación. El Gráfico 5.7 compara los costos de operación entre sistemas de calefacción en base a caldera a

leña, pellets, gas licuado, diesel y bomba de calor geotérmica. El Gráfico 5.8 ilustra los costos de inversión y operación anual entre estos sistemas.

Gráfico 5.7: Costos de operación - distintos sistemas de calefacción ($/kWh) $/k Wh 100

81 80

62 60

Leña 20% H

Pellets

Gas Licuado

Diesel

GSHP Cop 3

Gráfico 5.8: Costos de inversión y operación anual – distintos sistemas de calefacción

100 90

co inversion

Millones $/año con iva

70 60 50 40 30 20 10 0 Leña 20% H

340

Pellets

Gas Licuado

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Diesel

GSHP Cop 3

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5.6 Comentarios generales sobre las asesorias AChEE 2011

Es importante mencionar que los proyectos de arquitectura proporcionados por el Ministerio de Educación para la ejecución de las asesorías AChEE 2011 fueron abordados desde la etapa de anteproyecto aprobado, lo cual en muchos casos facilitó el desarrollo de alternativas de mejora del diseño constructivo, pero por otro lado, limitó la formulación de estrategias de diseño arquitectónico como por ejemplo, la evaluación de orientación adecuada de aulas y otros recintos, proporción y ubicación de ventanas y otras. Tomando en cuenta lo anterior, se ha querido abordar estos aspectos mediante la presente guía y sus capítulos 3 y 4.

Con relación a las soluciones específicas de diseño, resultantes de las asesorías piloto de la AChEE, se observa que las recomendaciones de envolvente térmica son en algunos casos más exigentes que las recomendadas en la presente guía (como por ejemplo, para el Liceo de Nueva Imperial). Cabe mencionar respecto a esto, que las diferencias en este y otros casos estarán dadas principalmente por las variables fijas de ventilación establecidas, las que afectan directamente a las perdidas de energía, seguido en menor manera por la diferencia metodológica entre las asesorías y las simulaciones de la presente guía (esta última integra demandas energéticas de calefacción y enfriamiento para determinar niveles óptimos

78 Comentarios y resultados comparativos

Casos de Estudio:

Asimismo, las asesorías piloto para proyectos ubicados en la zona sur del país (Liceos Nva. Imperial y Curacautín) han revisado la incorporación de sistemas de acondicionamiento térmico, principalmente para calefacción, de manera de cubrir las demandas teóricamente reducidas por la envolvente térmica ya mejorada respecto del caso base de cada proyecto. Esto con la intensión expresada por parte del Ministerio de Educación de incorporar a dichos establecimientos sistemas de calefacción.

integrado como metodología de trabajo para este tipo de asesorías facilita la toma de decisiones de diseño, apoyándose por un lado en la experiencia multidisciplinaria del equipo, y por otro en la elaboración de simulaciones que permiten evaluar la efectividad de dichas decisiones de diseño. Sin embargo, es un factor determinante el poder realizar el avance coordinado tanto de los proyectistas de arquitectura como de los equipos consultores de eficiencia energética, manteniendo claras las metas y objetivos de optimización. En el caso de las asesorías piloto presentadas, las metas de optimización del desempeño energético para cada proyecto estuvo sujeta a las recomendaciones de la envolvente térmica de cada asesoría, en comparación con un caso base del edificio con características constructivas determinadas (ver tabla xxxx de transmitancias de casos base) y variables de ocupación y ventilación similares a las presentadas en las simulaciones del capitulo 3 de la presente guía.

Establecimiento Educacional en Chile

Las asesorías piloto desarrolladas por la Agencia Chilena de Eficiencia Energética en el contexto del programa de “Programa de apoyo a la Gestión de Proyectos de Edificación de alta Eficiencia Energética”, han pretendido abordar de una manera más completa la problemática energética de establecimientos educacionales en etapa de diseño de proyecto. Es así como dichas asesorías se han enfocado de manera general a la optimización de estándares en los recintos relevantes de los establecimientos proyectados, tanto aulas educativas, como además zonas como comedores, gimnasios, etc. estudiando sus niveles de demanda energética y confortabilidad de acuerdo al uso de cada recinto.

de envolvente térmica y caracteristicas de vidriado). A futuro, las asesorías de diseño integrado lideradas por la AChEE deberán enfocarse fuertemente en la cuantificación de las medidas de eficiencia energética a comprometer. Para

Es importante además, agregar que, el proceso de diseño

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Casos de Estudio:

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cumplir con dicho objetivo es necesario promover procesos de trabajo integrales y multidisciplinarios, incluyendo tanto expertos de las etapas de diseño como también a especialistas de las etapas de implementación y operación.

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Por último, se estima que este proceso y las asesorías realizadas son el primer paso para contar con establecimientos educacionales públicos de alto estándar desde el punto de vista de la confortabilidad y la eficiencia energética, sin embargo, queda pendiente a futuro el desafío de asegurar la correcta ejecución de los proyectos, como también la implementación de planes de operación y mantención eficiente al momento de la puesta en marcha de cada establecimiento. Para apoyar este desafío, la AChEE trabajará durante el año 2013 en el desarrollo de capacidades para la incorporación de especialistas en eficiencia energética para las etapas de construcción.

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Las siguientes tablas resumen y comparan los valores de transmitancia térmica de los distintos paramentos de la envolvente de los edificios estudiados (Tabla 5.6), así como las demandas energéticas anuales (Tabla 57).

Muros Valor U (W/ m2°C)

Pisos Valor U (W/ m2°C)

Ventanas Valor U (W/ m2°C)

Ventilación VN / VM / HRU

Caso Base

Caso Óptimo

Caso Base

Caso Óptimo

Caso Base

Caso Óptimo

Caso Base

Caso Óptimo

Caso Base

Caso Óptimo

INSUCO

0,46

0,35

3,4

0,66

3,0

0.64

5,8

2,8

Liceo Artístico Experimental

3,8

0,42

3,4

0,62

2,54

6,12

2,6

Liceo San Bernardo

2,25

0,41

3,4

0,62

1,52

0,52

5,78

2,7

Liceo Curacautín

0,32

3,4

0,35

5,8

2,8

HRU

Liceo Nueva Imperial

0,31

0,19

3,4

0,31

5,2

2,9

HRU

Casos de Estudio:

ZT6 –Zclim SI

ZT3 –Zclim CI

Techumbre Valor U (W/ m2°C)

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Tabla 5.6: Transmitancia térmica y ventilación Liceos

ZT6 –Zclim SI ZT3 –Zclim CI

Tabla 5.7: Demanda energética Liceos Demanda calefacción (kWh/m2° año) Caso Caso Base Óptimo

Demanda refrigeración (kWh/m2° año) Caso Caso Base Óptimo

Liceo Artístico Experimental

15,4

7,4

12,5

Liceo San Bernardo

17,8

10,2

Liceo Curacautín

58,5

Liceo Nueva Imperial

119

Ahorro calefacción (%)

Ahorro refrigeración (%)

13,9

52%

-11%

11,0

10,3

42%

23,0

61%

74%

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