Parámetros de diseño de la Chimenea Solar

Transcripción

1 Parámetros de diseño de la Chimenea Solar Juan Carlos León Tutores: Dra. Helena Coch Roura Dr. Antonio Isalgué Buxeda Máster en Arquitectura Energía y Medio Ambiente Universidad Politécnica de Cataluña 03

2 . Introducción Resumen Chimenea solar: sistema pasivo de acondicionamiento climático Genera movimiento de aire al interior de edificios amplificando la zona de confort humano en temperatura y humedad elevadas Estudio: Análisis de la eficiencia del dispositivo en relación a la velocidad del aire que genera al modificar variables de configuración utilizando la herramienta de simulación DesignBuilder. Palabras clave: Chimenea Solar, Ventilación Natural, Confort Térmico, Design Builder, Ventilación Cruzada. Objetivo General Definir parámetros de diseño de los componentes principales de la chimenea solar, identificando sus rangos óptimos de dimensionamiento para su máxima eficiencia. Justificación Estudios existentes se concentran en el desempeño de la chimenea solar de forma autónoma. Sin difusión al gremio constructivo. Necesidad de información sintetizada que permita al arquitecto incluir el dispositivo en el proceso de diseño.

3 . Datos climáticos Sitio para estudio en simulaciones Tabasco, México Datos Climáticos Fuente: Weatherbase Windfinder CNA México Clima: Cálido Húmedo Villahermosa, Tabasco, México Latitud 8 Norte Longitud 9 Oeste Temperatura Media Máxima Anual: Humedad Relativa Media Anual: Frecuencia de Viento en Calma: 3,9 C 87% 3% Zonas de Confort Y Corrección con Arquitectura Givoni Simbología Humedad Relativa 00% 90% 80% 70% 60% 50% Estrategia de Corrección Fuente: Ábaco Psicométrico de Baruch Givoni Ventilación CI CV V IV II E Zona Confort de Invierno Zona Confort de Verano Zona Control Posible con Ventilación Zona Control Posible con Inercia en Verano Zona Control Posible con Inercia en Invierno Zona Control Posible Refrigeración Evaporativa Ma Ag Ab V O S Jn 40% 30% Efectos en el Usuario Fuente: Arquitectura y Energía Natural. Serra, R. Coch H Disipación de calor: a. Convección en la superficie de piel b. Refrigeración por evapo-transpiración F E N D Mr IV Jul 0% CV CI II 0% TH C E TS C

4 Esquema Chimenea Solar Sección Norte a Sur 3. Estado del Arte c a g f Flujo de Aire Radiación Solar h a b c dc Nomenclatura Cerramiento absorbente Acumulador de energía Acristalamiento exterior Captación de radiación solar Aislante térmico Evitar flujo de calor fuera de la cámara Absorbente de radiación Recubrimiento de color negro Interior d b ec f Entrada de aire Permitir flujo hacia el interior de la chimenea Salida de aire Permitir flujo hacia el exterior de la chimenea e Prototipo de Chimenea Solar Investigación Fuente: Arce, J. Jiménez, M.J. Guzmán, J.D. Elsevier Exterior

5 Chimenea Solar y Habitación Sección Sur a Norte 4. Criterio de materiales y dimensiones c Criterio de materiales Chimenea Solar a d b a b c Acristalamiento sencillo vidrio 6mm Transmitancia: 0,7 Cerramiento convencional de block hueco de hormigón de cms con mortero de,5 cms de espesor y recubrimiento pintura blanca Absortancia térmica: 0,3 Cubierta de hormigón armado de cms con recubrimiento de mortero de 7 cms y recubrimiento de impermeabilizante blanco Absortancia térmica: 0,3 Habitación dc Partición de block hueco de hormigón de cms con mortero de de,0 cms y recubrimiento de pintura negra cara interior. Aislante térmico de,0 cms, mortero de,0 cms y recubrimiento de pintura blanca por superficie exterior. Absortancia térmica interior: 0, cms

6 Chimenea Solar y Habitación Sección Sur a Norte 5. Nomenclatura de variables HS T CA Nomenclatura de variables Torre de Chimenea L: 00 x A: 30 x H: 300 Cámara de Chimenea L: 00 x A: 30 Hueco de Entrada de Aire L: 00 x H: 30 T HM Hueco Medio en partición de Habitación L: 00 x H: 30 CA NPN HM HS NPN Hueco de Salida de Aire L: 00 x A: 30 Punto de Cálculo a altura del usuario Z: 05 sobre el nivel del suelo Nivel de Presión Neutro H: cms

7 6. Esquemas de variables Altura de Torre ( T) Relación Hueco Entrada - Salida ( RS) Ancho de Cámara ( CA) Posición Hueco Entrada ( P) Variables T Incrementar la altura de la torre en rangos de 50 cms hasta llegar a 600 cms CA Incrementar el ancho de la cámara en rangos de 0 cms a partir del modelo de referencia RS Ampliar y reducir el hueco de entrada en relación al hueco de salida HS P Desplazar verticalmente el hueco de entrada en rangos de 30 cms PT Desplazar verticalmente el cuerpo completo de la torre en rangos de 30 cms PT Desplazar verticalmente la torre T)y el hueco de entrada en rangos de 30 cms simltáneamente Posición Torre ( PT) Renders: DesignBuilder: :00 hrs Posición Torre + Hueco Entrada ( PT)

8 Velocidad (m/s) Altura de Torre (T) Altura de Torre (cms) Velocidad (m/s) Ancho de Cámara (CA) Ancho de Cámara (cms) 7. Análisis de simulaciones en gráficas Torre (T) Aumentar la altura de la torre incrementa sustancialmente la velocidad de aire hasta un 77% al duplicar su altura Velocidad (m/s) Relación Hueco Entrada : Hueco Salida (RS) Alto de Hueco Exterior (cms) Posición Torre (PT) Velocidad (m/s) Posición de Hueco Entrada (P) Distancia del Suelo (cms) Posición Torre y Hueco Entrada (PT) Cámara (CA) Ampliar la cámara no incide en la velocidad de aire interior Relación Hueco Entrada Salida (RS) Reducir el Hueco de Entrada incrementa la velocidad de aire entrante hasta un 00% Posición Hueco Entrada (P) Desplazar el a una altura próxima al punto de cálculo incrementa la velocidad de aire en ese punto. Velocidad (m/s) Distancia del Suelo Torre (cms) Velocidad (m/s) Distancia del Suelo T + (cms) Posición Torre (PT) Desplazar la torre verticalmente no incide en la velocidad de aire interior. Posición Torre y Hueco Exterior (PT) Desplazar T y a la altura del punto de cálculo aumenta sustancialmente la velocidad de aire en ese punto.

9 Torre (T) Cámara ( CA) 8. Resultados reflejados en modelos CFD Comentario: T300 Hueco Entrada ( ) T600 CA40 Cámara (CA) CA80. Altas velocidades de entrada con una distribución deficiente puede anular las aportaciones de la chimenea solar al confort térmico de los usuarios.. El equilibrio del sistema entre velocidad y distribución impacta en el punto de cálculo a la altura del usuario P75 P0 Posición Torre ( PT) Posición Torre + Hueco Entrada ( PT) PT30 PT95 CFD eje x : DesignBuilder: :00 hrs PT00 PT95

10 Incremento máximo de velocidad por variable Clave Nomenclatura Velocidad del Aire (m/s) T Altura de Torre CA Ancho de Cámara RS Relación Hueco Entrada : Hueco Salida P Posición de Hueco Entrada (Eje vertical) PT Posición de Torre (Eje vertical) PT Posición de Torre y Hueco Entrada (Eje vertical) Análisis de resultados por variable Variables Incidentes Velocidad:.0 Incremento Máximo de Velocidad por Variable a. RS Relación Hueco Entrada y Salida b. T Altura de Torre Velocidad (m/s) Distribución: a. P Posición Hueco Exterior b. PT Posición Torre y Hueco Entrada c. RS Relación Hueco Entrada : Salida T CA RS P PT PT Variables HS Evaluación de Impacto de Variables Clave Descripción Impacto Distribución Velocidad T Altura de Torre Muy bajo Alto T CA HM CA Ancho de Cámara Bajo Muy bajo RS Relación Hueco Entrada : Hueco Salida Alto Muy alto 0 00 P Posición de Hueco Entrada (Eje vertical) Muy alto Bajo PT Posición de Torre (Eje vertical) Muy bajo Bajo PT Posición de Torre y Hueco Entrada (Eje vertical) Alto Bajo

11 Chimenea Solar y Habitación Sección Sur a Norte 0. Parámetros de diseño 3 a.5 x Parámetros de Diseño: El hueco de entrada de aire deberá desplazarse a una altura de entre 75 a 90% de la altura total del punto que sea nuestro objetivo a ventilar. La superficie del hueco de entrada deberá ajustarse de manera proporcional a una tercera parte de la superficie de salida HS. 4 Mover NPN X 90% Máx Mover : La altura total de la torre T incrementa sustancialmente la velocidad de aire, el rango más eficiente de operación es cuando su altura es igual o.5 veces la distancia entre los huecos de la habitación. Desplazar la altura de la torre T o del hueco medio HM hasta hacerla coincidir con la altura de previamente ajustado, optimizará su funcionamiento. NPT cms

12 Chimenea Solar y Habitación Sección Sur a Norte. Restricciones de diseño 3 HS > Restricciones de Diseño: Los huecos y HM no deben rebasar la altura del NPN ( Nivel de Presión Neutral) ya que reduce su velocidad y distribución al reducir las diferencias de presión. La proporción del hueco de entrada no debe exceder la relación a entre su base y su altura. Más vertical menos eficiencia. Posición Máxima 3 La superficie del hueco de salida HS no deberá ser menor a la superficie del hueco de entrada, ya que reduce drásticamente la velocidad. NPN Límite Máx Proporción vertical Contraflujo Exterior Proporción Horizontal NPT cms

13 HS Chimenea Solar y Habitación Sección Sur a Norte. Modelo Final de Comprobación (MF) Render: Modelo Final (MF) Fachada Sur :00 hrs HM Ajuste de Variables Desplazar el y T a una altura de +90 cms. respecto al suelo Reducir la abertura de en una tercera parte de su superficie cms Configuración de Modelo Final Clave Descripción Dimensiones (cms) Base Alto Nivel T Torre CA Cámara Hueco de Entrada HM Hueco Medio HS Hueco de Salida Punto de Cálculo : Altura del Usuario Nota: Aumentar la altura de T en.5 veces la distancia de los huecos interiores de la habitación La base o ancho de todos los huecos se mantiene en 00 cms, los cambios a la superficie de los huecos se aplica en su altura.

14 Comparativo del Modelo de Referencia al Modelo Final Clave Nomenclatura Velocidad del Aire (m/s) Variación MR MF % Punto de Cálculo: Altura del Usuario Hueco de Entrada de Aire Análisis de resultados de Modelo Final Resultados Comparativo Velocidad (m/s) Comparativo del Modelo de Referencia (MR) al ModeloFinal (MF) Variables MR MF La velocidad del aire calculada en los puntos y del modelo final MF aumentó en un 50% respecto al modelo de referencia MR Los valores de velocidad de viento en se calcularon en.56 m/s y el valor calculado en la posición del usuario es de 0.46 m/s Modelo Final CFD 3D Velocidad de viento :00 hrs Modelo Final CFD Seccíon Sur a Norte :00 hrs Nota: La velocidad más alta se registra en el y el flujo de aire presenta una morfología de tipo cónica, con una tendencia ligeramente ascendente.

15 Gráfica Bioclimática Víctor Olgyay 4. Referencias al Confort Térmico Golpe de Calor Límite de Viento y Humedad Referencias Confort Térmico Velocidad de aire de entrada de,5 m/s, similar a la producida por un abanico de techo de uso convencional. Temperatura Seca en C Línea de Sombra Zona de Confort Viento m/s 3 Velocidad promedio interior de,0 m/s, que puede interpretarse como reducción de 3,4 C en la sensación térmica del ser humano. (Rafael Serra). Implantando la velocidad promedio de,0 m/s en la gráfica bioclimática de Víctor Olgyay establecer una ampliación de la zona de confort de 8 C a 30, C Línea de Congelación Humedad Relativa (%)